JP3668186B2 - Variable threshold threshold element circuit, functional function reconfigurable integrated circuit, and circuit state holding method - Google Patents

Variable threshold threshold element circuit, functional function reconfigurable integrated circuit, and circuit state holding method Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、しきい値を不揮発的に保持する機能を有する可変しきい値しきい素子回路、この可変しきい値しきい素子回路を用いて構成され回路作製後であっても関数機能を構成することの可能な関数機能再構成可能集積回路および可変しきい値しきい素子回路に適用される回路状態保持方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
CMOSプロセス技術により作製されるしきい素子(非線形素子)として、例えば文献1(特許第2662559号:半導体装置)に開示されたニューロンMOSトランジスタ(νMOSトランジスタ)によって構成されたインバータがある。以降、このインバータをνMOSインバータと呼ぶ。
【0003】
このνMOSインバータのしきい値を可変にする回路と方法については、文献2(特開2001−44823号:ニューロンMOS回路における可変閾値生成方法およびその方法を用いたニューロンMOS回路)によって開示されている。
【0004】
〔しきい値可変機能を備えたしきい素子回路(可変しきい値しきい素子回路)〕
図23は、しきい値可変機能を備えたしきい素子回路(可変しきい値しきい素子回路)として、典型的なk入力変数のνMOSインバータ回路を示す回路図である。このνMOSインバータ回路2300においては、しきい値の可変性を持たないνMOSインバータINVの電気的にフローティング状態とされたゲート電極(以下、フローティングゲートと呼ぶ)FGに、入力変数用の信号入力端子(以下、入力変数用端子と呼ぶ)input1〔1〕〜input1〔k〕、しきい値を制御する制御変数用の入力端子(以下、制御変数用端子と呼ぶ)input2、電源電位Vddに接続された固定電位端子Pvdd 、グランド電位に接続された固定電位端子Pgnd を容量結合している。
【0005】
νMOSインバータINVのしきい値は、制御変数用端子input2とフローティングゲートFGとの間の容量値Cv と、固定電位端子Pvdd とフローティングゲートFGとの間の容量値Cvdd と、固定電位端子Pgnd とフローティングゲートFGとの間の容量値Cgnd と、入力変数用端子input1〔1〕〜input1〔k〕とフローティングゲートFGとの間の容量値C1 〜Ck と、制御変数用入力端子input2に印加する電位Vv とによって決まる。このνMOSインバータ回路2300においては、制御変数用端子input2に印加する電位Vv を電源電位Vdd(論理値「1」)とするかグランド電位(論理値「0」)とするかによって、入力変数の組合せが形成する入力状態上の任意の値に論理しきい値を設定することが可能である。以降、特に他のしきい値と区別する必要のない場合は、論理しきい値をしきい値と略す。
【0006】
〔回路状態保持機能を備えた可変しきい値しきい素子回路〕
文献3(特開2001−196920号:関数機能構成データ保持方法及びその方法を用いた集積回路)には、νMOSインバータ回路固有の構造を利用し、設定されたしきい値を保持する方法とその方法を利用した回路構成が開示されている。図24は回路状態保持機能を備えたk入力変数のνMOSインバータ回路の代表的な回路構成を示す図である。
【0007】
このνMOSインバータ回路2400においては、フローティングゲートFGとグランド側の固定電位端子Pgnd との間に、状態制御端子ctl2からの制御信号によってオン/オフされるNMOS型のパストランジスタswnを付加している。また、制御変数用端子input2とフローティングゲートFGに容量結合される端子(以下、この端子を制御変数用入力端子と呼ぶ)input2aとの間にトランスミッションゲートtginを設け、制御変数用入力端子input2aと電源側の固定電位端子Pvdd との間にPMOS型のパストランジスタswpを設けている。また、状態制御端子ctl1とトランスミッションゲートtginとの間にインバータinv1を設けている。トランスミッションゲートtginおよびパストランジスタswpは状態制御端子ctl1からの制御信号によってオン/オフされる。
【0008】
このような回路構成とすることにより、制御変数用端子input2に与えられる電位Vv (以下、この電位Vv を構成データと呼ぶ)によって選択されるしきい値を設定し、保持することが可能となる。
【0009】
〔回路状態保持動作〕
図24におけるしきい値の保持動作について簡単に説明する。先ず、状態制御端子ctl2を論理値「1」である電源電位にし、パストランジスタswnを導通ささせ、フローティングゲートFGの電位をグランド電位にする。次に、状態制御端子ctl1を電源電位にし、パストランジスタswpを遮断し、トランスミッションゲートtginを導通させる。この時、入力変数用端子input1〔1〕〜input1〔k〕から入力される入力変数は全て論理値「0」であるグランド電位にする。
【0010】
今、第1の状態制御端子ctl1と第2の状態制御端子ctl2とが論理値「1」である時を初期化時と呼ぶ。また、完全フローティングゲートを持つ図23のνMOSインバータ回路2300の制御変数用端子input2から論理値「1」が入力された場合のフローティングゲートFGの電位を第1のフローティングゲート電位と呼び、同様に、論理値「0」が入力された場合の電位を第2のフローティングゲート電位と呼ぶ。
【0011】
初期化時に前記の操作を行い、制御変数用端子input2に論理値「0」を入力し続ける。この時、フローティングゲートFGに容量結合する制御変数用入力端子input2aには制御変数用端子input2の入力と同様に論理値「0」が与えられる。即ち、フローティングゲートFGがグランド電位の時に論理値「0」の入力変数と制御変数とが与えられる。この入力状態を保ったままで、第1の状態制御端子ctl1と第2の状態制御端子ctl2との入力を論理値「1」から論理値「0」に切り替える。第1の状態制御端子ctl1と第2の状態制御端子ctl2とが論理値「0」の時を関数実行時と呼ぶ。
【0012】
関数実行時に、パストランジスタswnが遮断され、フローティングゲートFGは高インピーダンス状態になり、過渡的にはほぼフローティング(電気的に浮遊状態)になる。同時に、トランスミッションゲートtginは遮断され、パストランジスタswpが導通し、制御変数用入力端子input2aには論理値「1」である電源電位が印加される。このため、フローティングゲートFG上で電荷の再分配が生じ、フローティングゲートFGは第1のフローティングゲート電位になる。
【0013】
同様に、初期化時に制御変数用端子input2に論理値「1」である電源電位を与えた場合、関数実行時には、初期化時と同じ電源電位が制御変数用入力端子input2aに与えられるために、入力変数が論理値「0」であれば、第2のフローティングゲート電位となる。
【0014】
このように、初期化時に制御変数として与える論理値に依存して、関数実行時のフローティングゲート電位が決まる。つまり、初期化時に決定された構成データが関数実行時に保持されることを意味している。この構成データの保持動作とそれに必要な要素を次に述べる。
【0015】
初期化時にフローティングゲート電位がグランド電位に固定されているために、制御変数である所定の電位が制御変数用入力端子input2aに与えられた時、フローティングゲートFGにグランド側から電荷の注入が起こる。
【0016】
次に、関数実行時には注入された電荷がフローティングゲートFG中に保持され、入力変数の論理値によって電荷再分配が生じ、フローティングゲート電位が決まる。構成データの保持に必要な要素は2つあり、1つは、フローティングゲートFGに接続されたある端子からの電荷の注入であり、他の1つは、フローティングゲートFGが高インピーダンスの時に、注入された電荷が保持されることである。
【0017】
〔関数機能再構成可能集積回路〕
文献4(特開2001−223576号:関数機能再構成可能な集積回路)を参考にして、2入力変数に対する関数機能を再構成することができる回路について述べる。図25は、図24に示したνMOSインバータ回路2400を用いた関数機能再構成可能集積回路(2入力変数可変関数回路)を示す図である。この2入力変数可変関数回路は、2段論理フィードフォワード型回路であり、1段目は3つのνMOSインバータ回路FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕によって構成され、2段目は1つのνMOSインバータ回路STEによって構成されている。
【0018】
この2入力変数可変関数回路2500において、2つの入力変数は、入力変数用端子input1〔1〕,input1〔2〕から1段目のνMOSインバータ回路FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕のフローティングゲートFG〔1〕,FG〔2〕,FG〔3〕、および2段目のνMOSインバータ回路STEのフローティングゲートFG〔S〕に与えられ、1段目のνMOSインバータ回路FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕の出力値はバッファBF〔1〕,BF〔2〕,BF〔3〕により増幅および波形整形され、2段目のνMOSインバータ回路STEのフローティングゲートFG〔S〕に与えられる。
【0019】
なお、1段目のνMOSインバータ回路FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕と2段目のνMOSインバータ回路STEとの間には、STEのフローティングゲートFG〔S〕を初期化する際に全ての入力信号をグランド電位にするために、トランスミッションゲートtgs1,tgs2,tgs3とパストランジスタswi1,swi2,swi3が挿入されている。
【0020】
また、FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕,STEにおいて、各入力変数用端子とフローティングゲートとの間の容量値は等しく設定されている。また、STEにおいては、FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕の出力値が与えられる端子とフローティングゲートとの間の容量値は、入力変数が与えられる端子とフローティングゲートとの間の容量値と等しく設定されている。この設定によって、STEの入力状態、即ち、入力変数と重みとの積和は、「0」,「1」,「2」の3つになる。この入力状態に対応する数を入力変数の状態数(入力状態数)と呼ぶ。また、この入力変数の状態数の上位の言葉として、入力変数の状態量(入力状態量)を用いる。
【0021】
FTE〔1〕を例に取ると、FTE〔1〕とSTEとの間には、STEのフローティングゲートFG〔S〕を初期化する際に全ての入力端子の入力信号をグランド電位にするために、トランスミッションゲートtgs1とパストランジスタswi1が挿入されている。FTE〔2〕,FTE〔3〕についても同様である。STEにも、FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕と同様に初期化時と関数実行時の2つの期間を用いる。
【0022】
初期化時には、第1の状態制御用端子ctl1と第2の状態制御用端子ctl2とに論理値「1」を与え、フローティングゲートFG〔S〕に接続されたパストランジスタswsを導通させる。同時に、トランスミッションゲートtgs1が遮断され、パストランジスタswi1が導通し、バッファBF〔1〕を介して、論理値「0」であるグランド電位が容量結合されたフローティングゲートFG〔S〕に与えられる。また、入力変数として論理値「0」を与える場合、全ての入力が論理値「0」である。この状態を保ったままで、第1の状態制御用端子ctl1と第2の状態制御用端子ctl2とに論理値「1」を与えることで、関数実行時の状態を形成できる。
【0023】
次に、可変しきい値によって任意の関数が実現可能であることをXOR(Exclusive-OR )を実現する場合を例に取り、説明する。FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕のしきい値は、各々入力状態数0の前後、1の前後、2の前後の2つのしきい値のいずれか一方を選択できるように設定できる。FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕において、初期化時に制御変数として論理値「0」を与えた場合に小さい方のしきい値を選択でき、逆に論理値「1」を与えた場合に大きい方のしきい値が選択される。
【0024】
FTE〔1〕のしきい値として、入力状態数0より大きく1より小さい値を選択し、FTE〔2〕のしきい値として、入力状態数1より小さく0より大きい値を選択し、FTE〔3〕のしきい値として、入力状態数2より大きい値を選択する。この時、FTE〔1〕の出力の論理値は、入力状態数0,1,2に対して「1」,「0」,「0」であり、FTE〔2〕の出力の論理値は、入力状態数0,1,2に対して「1」,「0」,「0」であり、FTE〔3〕の出力の論理値は、入力状態数0,1,2に対して「1」,「1」,「1」である。
【0025】
入力状態数が0,1,2の各々の場合、STEの5つの入力端子中、論理値「1」である端子の数は、各々3,2,3となる。STEの出力値は入力の多数決の結果の論理反転であるから、入力状態数0,1,2に対して出力値は「0」,「1」,「0」となり、XORを実現している。これは、各入力状態数の前後にしきい値を持つFTE、入力状態数が0であればFTE〔1〕、入力状態数が1であればFTE〔2〕、入力状態数が2であればFTE〔3〕について、初期化時に制御変数として与えた論理値の論理反転が出力されることを意味している。
【0026】
上述したXORの実現例で分かるように、図25に示した2入力変数可変関数回路2500によれば、FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕,STEのフローティングゲートFG〔1〕,FG〔2〕,FG〔3〕,FG〔S〕を初期化する期間に制御変数用端子input2〔1〕〜input2〔3〕に入力されている構成データによって決定される回路の状態を保持することによって、任意の対称関数を実現できる。
【0027】
但し、対称関数とは、AND,OR,NAND,NOR,XOR,XNOR,0,1関数に代表されるように、関数値が入力状態数によって規定される論理関数であり、変数を相互に入れ換えても関数値が不変であるという特徴を持つ。
【0028】
【発明が解決しようとする課題】
〔回路状態保持可能な機能を備えた可変しきい値しきい素子回路の問題点〕
図24に示されたνMOSインバータ回路2400において、回路状態を保持するために必要な2つの要素は、すなわちフローティングゲートFGへの電荷の注入と注入された電荷の保持は、フローティングゲートFGに接続されるスイッチであるパストランジスタswnを操作することによって達成される。
【0029】
しかしながら、パストランジスタswnは状態制御端子ctl2が論理値「0」のグランド電位であっても、サブスレッショレド電流と、ドレイン端子と基板(またはウェル)との間にあるPN接合逆飽和電流という2つのリーク電流を持つ。このため、フローティングゲートFGに保持されている電荷量は経時変化する。そして、この変化はしきい値を他の値に変える。即ち、保持される状態は揮発性であり、しきい値も揮発性である。しきい値の揮発性はνMOSインバータINVの経時的誤動作という問題を引き起こす。
【0030】
〔関数機能再構成可能集積回路の問題点〕
図25に示された2入力変数可変関数回路2500において、実現される関数機能は、初期化時にFTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕に入力される制御変数の論理値によって定まるしきい値によって決められている。このしきい値の保持状態は上述したように経時変化を起こす。このために、2入力変数可変関数回路2500においては、時間経過に伴い実現される関数が変化し、当初実現していた機能の実現ができなくなるという問題、つまり、経時的誤動作の問題が起きる。
【0031】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、しきい値を不揮発的に保持し、経時的誤動作の問題を解消することの可能な可変しきい値しきい素子回路、この可変しきい値しきい素子回路における回路状態保持方法、この可変しきい値しきい素子回路を用いた関数機能再構成可能集積回路を提供することにある。
【0032】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の可変しきい値しきい素子回路は、強誘電体容量と常誘電体容量との直列接続回路を介して、しきい値を制御する制御変数を伝搬する1以上の制御変数用端子をしきい素子のゲート電極に結合したものである(第1発明)。
この場合、回路状態保持方法(第10発明)として、制御変数用端子から制御変数を入力し(第1ステップ)、入力変数用端子から入力変数を入力し(第2ステップ)、制御変数用端子に入力されている制御変数を取り去る(第3ステップ)。なお、第1のステップと第2のステップとの間で、制御変数用端子に入力されている制御変数を取り去るようにしてもよい。
【0033】
強誘電体容量は、制御変数が取り去られた後も、すなわち入力電位が消失した後も、自発分極のために電荷量を保持する。これにより、しきい素子のゲート電極に容量結合された各端子の電位に依存して、ゲート電極上の電荷再配分が行われ、ゲート電極の電位が決まり、しきい素子のしきい値が保持される。
例えば、しきい素子を電界効果トランジスタとした場合、入力変数の状態量に対する電界効果トランジスタトランジスタのオン/オフ動作の切替点(トランジスタしきい値)が保持される。また、しきい素子をνMOSインバータとした場合、入力変数の状態量に対するνMOSインバータの論理反転動作の切替点(論理しきい値)が保持される。
【0034】
また、本発明の可変しきい値しきい素子回路は、上記直列接続回路における常誘電体容量の一端をゲート電極に接続し、常誘電体容量の他端を強誘電体容量の一端に接続し、強誘電体容量の一端と他端との間に第1のスイッチを接続し、強誘電体容量の他端と制御変数用端子との間に第2のスイッチを接続したものである(第2発明)。
この場合、回路状態保持方法(第11発明)として、第1のスイッチを遮断状態にし、第2のスイッチを導通状態とし(第1ステップ)、この第1ステップの実行後、制御変数用端子から制御変数を入力しするとともに、入力変数用端子から入力変数を入力し(第3ステップ:しきい値設定期間)、この第2ステップの実行後、第2のスイッチを遮断状態にし、第1のスイッチを導通状態とする(第3ステップ:しきい値保持期間)。
【0035】
強誘電体容量は、第2のスイッチが遮断された後も、すなわち制御変数用入力端子からの強誘電体容量への制御変数が取り去られた後も、自発分極のために電荷量を保持する。しきい値保持期間においては、第1のスイッチが導通状態であり、残留分極による電荷量を不揮発的に保持しする。また、強誘電体容量は常誘電体容量と直列接続されているために、強誘電体容量に保持される電荷量と同等の電荷量が常誘電体容量にも誘起される。これにより、しきい素子のゲート電極に容量結合された各端子の電位に依存して、ゲート電極上の電荷再配分が行われ、ゲート電極の電位が決まり、しきい素子のしきい値が保持される。
【0036】
また、本発明の関数機能再構成可能集積回路(第8発明)は、多段接続された可変しきい値しきい素子回路の少なくとも1つを本発明の可変しきい値しきい素子回路としたものである。
例えば、可変しきい値しきい素子回路を2段接続して構成し、1段目の可変しきい値しきい素子回路を、その第1〜第kの入力変数用端子が共通に接続された複数の可変しきい値しきい素子回路により構成し、2段目の可変しきい値しきい素子回路を、1つの可変しきい値しきい素子回路により構成し、この可変しきい値しきい素子回路の第1〜第kの入力変数用端子を1段目の各可変しきい値しきい素子回路の第1〜第kの入力変数用端子と共通に接続し、1段目の各可変しきい値しきい素子回路からの出力信号を2段目の可変しきい値しきい素子回路のゲート電極に容量結合された各入力端子に与える構造とする。
このような構造において、例えば初段の可変しきい値しきい素子回路に、上述した本発明の可変しきい値しきい素子回路を用いる(第9発明)。
【0037】
本発明の可変しきい値しきい素子回路において、しきい素子は、種々のタイプのものが考えられる。例えば、しきい素子として電界効果トランジスタを使用し、この電界効果トランジスタのソース端子およびドレイン端子の何れか一方を電気的に負荷となる素子を構成要素とする回路に接続する(第4発明)。この場合、電気的に負荷となる素子は、抵抗としてもよく(第5発明)、前記電界効果トランジスタとは電気的に逆の極性の電荷を輸送する電界効果トランジスタとしてもよい(第6発明)。また、しきい素子を第1の電界効果トランジスタとこの第1の電界効果トランジスタとは電気的に逆の極性の電荷を輸送する第2の電界効果トランジスタとを構成要素とするインバータ回路としてもよい(第7発明)。第8発明や第9発明の関数機能再構成可能集積回路では、これらの可変しきい値しきい素子回路のうち少なくとも1つが使用されていればよく、またこれらの可変しきい値しきい素子回路を組み合わせて構成されたものでもよい。
【0038】
【発明の実施の形態】
〔強誘電体メモリ〕
先ず、本発明の実施の形態の説明に入る前に、強誘電体メモリおよびMFIS型電界効果トランジスタについて説明する。現在、DRAM、SRAM、フラッシュメモリ、強誘電体メモリ(FeRAM)などが研究開発されている。DRAMは大容量と中程度の速度でのデータの書き換えに特徴があり、SRAMは中程度のメモリ容量と高速でのデータの書き換えに特徴があるが、双方共に揮発性である。フラッシュメモリは、書き込みとデータ消去において低速動作であるが、不揮発性である。
【0039】
一方、強誘電体メモリは、PZT(Pb(ZrxTi1-x)O3 )やSBT(SbBi2Ta29 )に代表される強誘電体材料の持つ分極特性を応用しているため、不揮発性であり、かつ、データの書き換えもDRAM相当の速度で可能である。更に、強誘電体メモリは、CMOSプロセス技術に強誘電体容量を形成するための層を追加するだけで製造でき、標準CMOSプロセスとの整合性も良い。図1は、強誘電体メモリに用いられている強誘電体容量100を表す回路図である。強誘電体容量100の一方の端子101と他方の端子102との間には所定の電圧Vが印加され、端子102が高電位である時を正の印加電圧とする。
【0040】
図2は、端子101,102間に電圧Vが印加された時の電圧Vと電荷量Qの関係を表す図である。図2中のVcは抗電圧を表し、Qrは残留分極による電荷量を表している。端子101と端子102との間の電圧が0であっても、両端子にはQrが残る。2値を保持するメモリ機能はこの2つの状態を用いている。この自発分極の双安定性を利用し、データの不揮発性と高速書き換えが可能という特徴を持つ強誘電体メモリの研究開発が近年精力的に進められている。
【0041】
〔MFMIS型電界効果トランジスタ〕
強誘電体メモリに使用される強誘電体容量としては、Ptに代表される金属電極または、IrO2 やSrRuO3 (SRO) に代表される酸化物電極に、強誘電体材料を挟むプレーナ型やスタック型がある。また、別な構造としては、金属/強誘電体/シリコン(MFS)型、金属/強誘電体/絶縁体/シリコン(MFIS)型、金属/強誘電体/金属/絶縁体/シリコン(MFMIS)型も提案されている。
【0042】
図3は、文献5(特開平11−177038号:MFMIS型強誘電体記憶素子とその製造方法)に開示されているMFMIS型の強誘電体容量を持つ電界効果トランジスタを表す回路図である。この回路はMOSトランジスタ300の常誘電体材料で形成されるゲート酸化膜301の上方の金属(またはPoly-Si)電極端子302にMFMIS型の強誘電体容量303を直列接続した構造である。
【0043】
図4は、文献6(特開2000−349251号:半導体装置)に開示されているMFMIS型の強誘電体容量を持つ電界効果トランジスタを表す回路図である。この回路は、標準的な電界効果トランジスタ400の入力ゲート401に、MFMIS型の強誘電体容量402の一方の端子と常誘電体容量403の一方の端子とを接続した構造を有する。すなわち、この回路では、入力ゲート401に強誘電体容量402と常誘電体容量403とが並列に接続されている。
【0044】
図5は、文献7(特開2000−138351号:強誘電体不揮発性メモリとその読み出し方法)に開示されているMFMIS型の強誘電体容量を持つ電界効果トランジスタを表す回路図である。この回路は、標準的な電界効果トランジスタ501の入力ゲート502に、残留分極のほぼ等しいMFMIS型の強誘電体容量503と504とを並列に接続した構造を有する。
【0045】
以上、強誘電体容量を有する3つのMFMIS型電界効果トランジスタの回路構造を示したが、後述する本発明の実施の形態では、これらの何れのタイプでもない強誘電体容量を有するMFMIS型電界効果トランジスタを用いる。図6に本発明の実施の形態において用いる強誘電体容量を有するMFMIS型電界効果トランジスタの回路図を示す。この回路は、標準的な電界効果トランジスタ601の入力ゲートに、常誘電体容量601とMFMIS型の強誘電体容量603とを直列に接続した構造を有する。すなわち、常誘電体容量601の一方の端子を電界効果トランジスタ600の入力ゲート602に接続し、常誘電体容量601の他方の端子と強誘電体容量603の一方の端子とを接続した構造としている。
【0046】
〔実施の形態1:容量結合入力型電界効果トランジスタ〕
図7は本発明に係る可変しきい値しきい素子回路の一実施の形態を示す容量結合入力型電界効果トランジスタの回路図である。この容量結合入力型電界効果トランジスタ700においては、電界効果トランジスタ701のゲート電極702に、入力変数用端子input1〔1〕〜input1〔k〕を常誘電体容量7031 〜703kを介して接続し、制御変数用端子input2〔1〕〜input2〔m〕をしきい値データ保持回路7041 〜704mを介して接続している。
【0047】
しきい値データ保持回路7041 は、常誘電体容量7051 とMFMIS型の強誘電体容量7061 との直列接続回路とされ、常誘電体容量7051 の一方の端子が電界効果トランジスタ701のゲート電極702に接続されており、常誘電体容量7051 の他方の端子が強誘電体容量7061 の一方の端子に接続され、強誘電体容量7061 の他方の端子が制御変数用端子input2〔1〕に接続されている。他のしきい値データ保持回路も同様の構成とされている。
【0048】
この容量結合入力型電界効果トランジスタ700では、第1ステップとして、制御変数用端子input2〔1〕〜input2〔m〕から制御変数を入力し、第2ステップとして、入力変数用端子input1〔1〕〜input1〔k〕から入力変数を入力する。第3ステップとして、制御変数用端子input2〔1〕〜input2〔m〕に入力されている制御変数を取り去る。なお、第1ステップと第2ステップとの間で、制御変数用端子input2〔1〕〜input2〔m〕に入力されている制御変数を取り去るようにしてもよい。
【0049】
しきい値データ保持回路7041 〜704mにおいて、強誘電体容量7061 〜706mは、制御変数が取り去られた後も、すなわち入力電位が消失した後も、自発分極のために電荷量を保持する。これにより、電界効果トランジスタ701のゲート電極702に容量結合された各端子の電位に依存して、ゲート電極702上の電荷再配分が行われ、ゲート電極702の電位が決まり、入力変数の状態数(入力変数の状態量)に対する電界効果トランジスタ701のオン/オフ動作の切替点(トランジスタしきい値)が保持される。この電界効果トランジスタ701のトランジスタしきい値は、制御変数用端子input2〔1〕〜input2〔m〕への制御変数の組合せによって、任意の値に設定することが可能である。
【0050】
〔実施の形態2:容量結合入力型電界効果トランジスタを用いたνMOSインバータ回路の基本構成〕
図8は図7に示した容量結合入力型電界効果トランジスタ700を用いたνMOSインバータ回路の基本構成を示す回路構成図である。このνMOSインバータ回路800においては、νMOSインバータINVのフローティングゲートFGに、入力変数用端子input1〔1〕〜input1〔k〕を常誘電体容量C1 〜Ckを介して結合し、制御変数用端子input2〔1〕〜input2〔m〕をしきい値データ保持回路HLD1 〜HLDmを介して結合している。しきい値データ保持回路HLD1 は強誘電体容量Cp1と常誘電体容量Cv1との直列接続回路によって構成されている。他のしきい値データ保持回路も同様に構成されている。
【0051】
このνMOSインバータ回路800では、第1ステップとして、制御変数用端子input2〔1〕〜input2〔m〕から制御変数を入力し、第2ステップとして、入力変数用端子input1〔1〕〜input1〔k〕から入力変数を入力する。そして、第3ステップとして、制御変数用端子input2〔1〕〜input2〔m〕に入力されている制御変数を取り去る。なお、第1ステップと第2ステップとの間で、、制御変数用端子input2〔1〕〜input2〔m〕に入力されている制御変数を取り去るようにしてもよい。
【0052】
しきい値データ保持回路HLD1 〜HLDmにおいて、強誘電体容量Cp1〜Cpmは、制御変数が取り去られた後も、すなわち入力電位が消失した後も、自発分極のために電荷量を保持する。これにより、フローティングゲートFGに容量結合された各端子の電位に依存して、フローティングゲートFG上の電荷再配分が行われ、フローティングゲートFGの電位が決まり、入力変数の状態数(入力変数の状態量)に対するνMOSインバータINVの論理反転動作の切替点(理しきい値)が保持される。このνMOSインバータINVの論理しきい値は、制御変数用端子input2〔1〕〜input2〔m〕への制御変数の組合せによって、任意の値に設定することが可能である。
【0053】
〔実施の形態3:スイッチを有する容量結合入力型電界効果トランジスタ〕
図9はスイッチを有する容量結合入力型電界効果トランジスタの回路図である。図7に示された回路700とはしきい値データ保持回路9041 〜904mの構成が異なっている。しきい値データ保持回路9041 を代表して説明すると、常誘電体容量9051 と強誘電体容量9061 とが直列接続されている点は同じであるが、強誘電体容量9061 の両端子Pa,Pb間にこの端子Pa,Pb間を導通または遮断する第1のスイッチ9081 が接続されており、制御変数用入力端子input2〔1〕と強誘電体容量9061 の端子Pbとの間に第2のスイッチ9071 が接続されている点が異なっている。他のしきい値データ保持回路も同様の構成とされている。
【0054】
この容量結合入力型電界効果トランジスタ900では、第1ステップとして、第1のスイッチ9081 〜908mを遮断状態にし、第2のスイッチ9071 〜907mを導通状態にする。第2ステップとして、制御変数用端子input2〔1〕〜input2〔m〕から制御変数を入力し、入力変数用端子input1〔1〕〜input1〔k〕から入力変数を入力する。第3ステップとして、第2のスイッチ9071 〜907mを遮断し、第1のスイッチ9081 〜908mを導通状態にする。
【0055】
しきい値データ保持回路9041 〜904mにおいて、強誘電体容量9061 〜906mは、第2のスイッチ9071 〜907mが遮断された後も、すなわち制御変数用入力端子input2〔1〕〜input2〔m〕からの強誘電体容量9061 〜906mへの制御変数が取り去られた後も、自発分極のために電荷量を保持する。これにより、電界効果トランジスタ901のゲート電極902に容量結合された各端子の電位に依存して、ゲート電極902上の電荷再配分が行われ、ゲート電極902の電位が決まり、入力変数の状態数(入力変数の状態量)に対する電界効果トランジスタ901のオン/オフ動作の切替点(トランジスタしきい値)が保持される。この電界効果トランジスタ901のトランジスタしきい値は、制御変数用端子input2〔1〕〜input2〔m〕への制御変数の組合せによって、任意の値に設定することが可能である。
【0056】
〔実施の形態4:スイッチを有する容量結合入力型電界効果トランジスタを用いたνMOSインバータ回路の基本構成〕
図10は図9に示したスイッチを有する容量結合入力型電界効果トランジスタ900を用いたνMOSインバータ回路の基本構成を示す回路構成図である。このνMOSインバータ回路1000においては、νMOSインバータINVのフローティングゲートFGに、入力変数用端子input1〔1〕〜input1〔k〕を常誘電体容量C1 〜Ckを介して結合し、制御変数用端子input2をしきい値データ保持回路HLDを介して結合している。しきい値データ保持回路HLDは強誘電体容量Cpと常誘電体容量Cvとの直列接続回路によって構成されている。また、しきい値データ保持回路HLDにおいて、強誘電体容量Cpの端子P1,P2間にこの端子P1,P2間を導通または遮断する第1のスイッチSW1を接続しており、制御変数用入力端子input2〔1〕と強誘電体容量Cpの端子P1との間に第2のスイッチSW2を接続している。
【0057】
なお、図10において、νMOSインバータINVは、可変しきい値しきい素子回路におけるしきい処理を行う非線形回路であり、フローティングゲートFGの電位がある論理しきい値より大きくなると論理反転を起こす。この例では、非線形回路としてpチャネル電界効果トランジスタ(PMOSFET)Q1とnチャネル電界効果トランジスタ(NMOSFET)Q2とからなるνMOSインバータを用いたが、例えば図11(a),(b)や図12(a),(b)に示すような回路構成としてもよい。
【0058】
図11(a)は、nチャネル電界効果トランジスタQ2に負荷インピーダンス素子Ziを接続した構成であり、図11(b)は、pチャネル電界効果トランジスタQ1に負荷インピーダンス素子Ziを接続した構成である。図12(a)は、nチャネル電界効果トランジスタQ2に負荷インピーダンスZiに代えて抵抗Rを接続した構成であり、12(b)は、nチャネル電界効果トランジスタQ2に負荷インピーダンスZiに代えてpチャネル電界効果トランジスタQ1を接続した構成である。図12(b)において、pチャネル電界効果トランジスタQ1とnチャネル電界効果トランジスタQ2とを入れ換えてもよい。このような回路構成としても、図10に示したνMOSインバータ回路INVと同様に、しきい処理回路動作をし、しきい素子回路として用いることが可能である。
【0059】
〔初期設定〕
図19に示したνMOSインバータ回路1000において、スイッチSW2が接続状態であり、スイッチSW1が遮断状態である場合、強誘電体容量Cpの電極である一方側の端子P1に現れる電荷量Qfeと、一方の端子P1の電位Vfe1 と他方の端子P2の電位Vfe2 との関係は次のように導かれる。
【0060】
まず、入力変数用端子input1〔1〕〜input1〔k〕の電位を順にV1 ,V2 ,・・・・,Vkとし、制御変数用端子input2の電位をVfe1 、端子P2の電位をVfe2 とし、フローティングゲートFGの電位をVfgとする。そして、入力変数用端子input1〔1〕〜input1〔k〕とフローティングゲートFGとの間の容量の値を順にC1 ,C2 ,・・・・,Ckとする。また、端子P2とフローティングゲートFGとの間の容量値をCvとし、フローティングゲートFGと電界効果トランジスタQ1およびQ2の各端子との間の容量値を総じてCmos とする。また、Cmos はΣCi=C1 +C2 +・・・・+Ckに比べて非常に小さく無視でき、また、この仮の容量Cmos はフローティングゲートFGとグランドとの間に存在すると仮定する。
【0061】
図13は、強誘電体容量Cpの一方の端子P1に現れる電荷量Qfeと強誘電体容量Cpを挟む両端の電圧(Vfe1 −Vfe2 )との関係を表す図である。また、端子P2において初期電荷量を0とすると、電荷保存則より、常誘電体容量容量Cvの端子P2側にもQfeの電荷量が誘起される。従って、常誘電体容量Cvに関して次式が成り立つ。
【0062】
【数1】

Figure 0003668186
【0063】
次に、フローティングゲートFGの電荷量保存に着目する。前述同様、フローティングゲートFGの初期電荷量は0であるとする。
【0064】
【数2】
Figure 0003668186
【0065】
式(2)に、ΣCi>>Cmos の関係を適用し、Vfgについて解くと次式を得る。
【0066】
【数3】
Figure 0003668186
【0067】
式(1)と式(3)とから、Qfeと(Vfe1 −Vfe2 )との関係は次式になる。
【0068】
【数4】
Figure 0003668186
【0069】
今、電源電位をVdd、グランド電位を0とする。全ての入力変数用端子input1についてVi=0、Vfe1 =0である場合を(I)とし、全ての入力変数用端子input1についてVi=0、Vfe1 =Vddである場合を(II)とし、全ての入力変数用端子input1についてVi=Vdd、Vfe1 =0である場合を(III )とし、全ての入力変数用端子input1についてVi=Vdd、Vfe1 =Vddである場合を(IV)とする。
【0070】
図13において、前述の(I)と(III )との場合は、原点を通り、傾きが−CvΣCi/(Cv+ΣCi)である直線である。また、(II)の場合は、ヒステリシスループと各容量値との関係で図13のA0点を交点とすることが可能である。また、(IV)の場合は、(II)と同様にB0点を交点とすることができる。前記(II)と(IV)との場合を2つの初期設定とする。
【0071】
〔しきい値の保持方法〕
上述した初期設定の後に、図10のスイッチSW2を遮断状態にし、スイッチSW1を導通状態にする。これにより、端子P1と端子P2とは同電位になり、(Vfe1 −Vfe2 )=0となる。これによって、初期設定でA0点であった場合はA1点に移行し、B0点であった場合はB1点に移行する。この操作によって、A1点、B1点で各々残留分極による電荷量QA1、QB1が不揮発的に保持される。
【0072】
強誘電体容量Cpの端子P1にQA1または、QB1の電荷量が現れる時、常誘電体容量Cvの端子P2には逆極性の同電荷量が現れる。図14は、図10中のフローティングゲートFGの電位Vfgと、入力変数用端子input1〔1〕〜input1〔k〕に入力される電位Viと容量値Ciとの積和との関係を表す図である。また、図14中のCsum はΣCiを意味し、Vdd/2は電源電位の(1/2)の電位を意味する。
【0073】
フローティングゲートFGからみた場合、後に続くνMOSインバータINVが論理的に反転するか否かはνMOSインバータINVを構成するpチャネル電界効果トランジスタQ1とnチャネル電界効果トランジスタQ2との電気的特性に依存し、図14ではフローティングゲート電位VfgがVdd/2の時にνMOSインバータINVの出力電位がVdd/2になると仮定している。図10のスイッチSW1が接続状態であり、強誘電体容量Cpの端子P1にQA1またはQB1の電荷が保持されている場合、容量Cvにも同電荷量が保持されるため、各々の保持電荷量について次式が成り立つ。
【0074】
【数5】
Figure 0003668186
【0075】
式(5)と式(6)と、Vdd/2との交点のΣCi・Vi座標は各々αA とαB となる。式(5)が成立している場合、入力変数の物理的表現であるViの或組合せの時にその積和値が初めてαA を越えた時、図10のνMOSインバータINVは論理反転を起こす。また、式(6)が成立している場合は、入力変数の物理的表現であるViの或組合せの時にその積和値が初めてαB を越えた時、図10のνMOSインバータINVは論理反転を起こす。このように、入力変数からみたしきい値を可変にし、かつ、そのしきい値を不揮発的に保持することが可能である。
【0076】
次に、論理回路としての動作を明確にするために、図14の変数を変更する。まず、簡単化のために図10のνMOSインバータ回路1000において、入力変数用端子input1〔1〕〜input1〔k〕とフローティングゲートFGとの間の容量値を全て等しくCにする。しきい素子において入力変数の重みを等しくすることは、入力変数によって形成される状態の数、即ち、入力状態数が(k+1)個であり、対称関数を表すことを意味する。
【0077】
対称関数でない論理関数を表現するためには、各入力変数の重みを、文献8(青山一生、澤田宏、名古屋彰、ニューロンMOSによる論理関数回路の一設計手法、第13回回路とシステム(軽井沢ワークショップ)2000年)に示される入力ベクトルの識別方法を適用することにより実現可能である。例として、(1≦i≦k)の整数iについて、i番目の入力変数用端子とフローティングゲートFGとの間の容量値をC・2i-1に設定する方法がある。
【0078】
本実施の形態では簡単化のために、対称関数の場合について説明をする。図15は、νMOSインバータ回路1000における入力状態数と規格化フローティングゲート電位との関係を表す図である。今、(Vi/Vdd)=Xiとし、ΣXi=X1 +X2 +・・・・+Xk=Z、Vfg=Vdd=Ufgとする。Xiは入力変数の論理値に相当する。前述のUfgを規格化フローティングゲート電位と呼ぶ。また、QA1=(k・C・Vdd)=UA1、QB1=(k・C・Vdd)=UB1とする。この時、式(5)と式(6)とは次式に変更される。
【0079】
【数6】
Figure 0003668186
【0080】
各々の式と(1/2)との交点のZ座標は、ZA ,ZB によって表される。仮に、1<ZA <2であり、3<ZB <4であるとすると、νMOSインバータ回路1000は入力状態数が1と2との間、または、3と4との間のどちらか一方にしきい値を持つように設定される。
【0081】
〔実施の形態5:しきい値の調整方法としきい値調整が可能なνMOSインバータ回路の回路構成〕
図16は、固定電位を供給する端子を付加したνMOSインバータ回路を表す図である。このνMOSインバータ回路1600は図10に示したνMOSインバータ回路1000と同様に、入力変数用端子input1〔1〕〜input1〔k〕を持ち、制御変数用端子input2を持ち、しきい値を不揮発的に保持する強誘電体容量Cpを含むしきい値データ保持回路HLDを持つ。回路1600が回路1000と異なる点は、固定電位に接続された端子を有するところにある。具体的には、電源電位Vddに接続された端子Pvdd 及び、グランド電位に接続された端子Pgnd を有する。固定電位として電源電位とグランド電位を挙げたが、他の電位であってもしきい値の調整に対して同様の効果を得ることができる。
【0082】
次に、付加した端子Pvdd ,Pgnd の効果を説明する。図17は、図16の回路1600における入力状態数Zと規格化フローティングゲート電位Vfg/Vdd=Ufgとの関係を表す図である。図16の端子Pvdd とフローティングゲートFGとの間の容量値をCvdd とし、端子Pgnd とフローティングゲートとの間FGの容量値をCgnd とする。この時、C’sum =k・C+Cvdd +Cgnd とすると、前記の式(5)と式(6)と同じ式は、各々式(9)と式(10)とになる。
【0083】
【数7】
Figure 0003668186
【0084】
式(9)、式(6)を電源電位によって規格化すると次式となる。
【0085】
【数8】
Figure 0003668186
【0086】
ここで、入力状態数Zの定義は前記と同じであり、Uvdd =(Cvdd /C’sum )であり、U’A1=QA1=(Vdd・C’sum )、U’B1=QB1=(Vdd・C’sum )である。Cvdd は、式(11)と式(12)とのC’sum と(Udd+U’A1)または(Udd+U’B1)に寄与し、一方、Cgnd はC’sum とU’A1またはU’B1に寄与する。前記2つの容量値は、図17中の直線lineAまたはlineBの傾きとUfg軸との切片を変えることができる。このように、固定電位に接続された端子を用いることによって、Ufg=1/2との交点のZ座標であるしきい値Z’A またはZ’B を任意のZの値に設定することが可能となる。
【0087】
〔しきい値データ保持回路の回路構成〕
図18は、図16中のしきい値データ保持回路HLDの具体的な回路を表す図である。図16中のスイッチSW2とスイッチSW1とを各々トランスミッションゲートTG1とTG2とで置き換えた回路構成である。端子ctl3はトランスミッションゲートTG1とTG2との接続または遮断を制御するスイッチ制御信号入力端子である。端子ctl3から入力された信号はインバータ回路inv2によって論理反転される。端子ctl3から入力される信号が論理値「1」である時、トランスミッションゲートTG2は接続状態であり、トランスミッションゲートTG1は遮断状態となる。逆に、信号が論理値「0」の場合はトランスミッションゲートTG2が遮断され、トランスミッションゲートTG1が接続され、残留分極による電荷量が強誘電体容量Cpに保持される。
【0088】
〔実施の形態6〕
実施の形態6では、設定可能な複数のしきい値の中から1つのしきい値を選択し、不揮発的に保持を行うことが可能な回路構成について説明する。実施の形態5では設定可能な2つのしきい値の中から1つのしきい値を選択していた。これに対し、実施の形態6では、設定可能なしきい値の数を2よりも大きくしている。
【0089】
図19は、複数の設定可能なしきい値の中から選択された1つのしきい値を不揮発的に保持可能なk入力変数のνMOSインバータ回路の構成図である。このνMOSインバータ回路1900は、図16のνMOSインバータ回路1600に、同回路中のしきい値データ保持回路HLDを複数付加した回路構成である。今、図19の回路1900中にしきい値データ保持回路HLDがm個あるとする。しきい値データ保持回路HLD1 〜HLDmに保持される2つの電荷量Q’A1及びQ’B1が全てのしきい値データ保持回路HLD1 〜HLDmにおいて各々等しいとする。即ち、保持される電荷量の総電荷量として、(m・Q’B1)から(m・Q’A1)までの(m+1)通りの総電荷量を保持することができる。
【0090】
図20は、図19のνMOSインバータ回路1900における入力状態数Zと規格化フローティングゲート電位Ufgとの関係を表す図である。図20中のline〔m〕は総電荷量が(m・Q’A1)の場合のUfgとZの関係を表しており、line〔m−1〕は、((m−1)・Q’A1+Q’B1)を表し、line〔m−2〕も同様であり、line〔2〕は(2・Q’A1+(m−2)・Q’B1)を表しており、line〔1〕、line〔0〕も同様である。
【0091】
この時、line〔m〕、line〔m−1〕、line〔m−2〕、・・・、line〔2〕、line〔1〕、line〔0〕の各々は、Ufg=(1/2)と交わり、その交点のZ座標は各々、Zm 、Zm-1 、Zm-2 、・・・、Z2 、Z1 、Z0 となる。これらの値の全てが互いに重なることなく、ある整数ZとZ+1との間の値になる時、νMOSインバータ回路1900は設定可能なしきい値を(m+1)通り有する。
【0092】
また、図19のスイッチSW21 〜SW2mが接続状態であり、スイッチSW11 〜SW1mが遮断状態である初期化時に制御変数用端子input2〔1〕〜input2〔m〕までのm個の端子から入力される電位に応じて、(m+1)個の設定可能なしきい値の中から1つのしきい値が選択され、スイッチSW21 〜SW2mが遮断状態であり、スイッチSW11 〜SW1mが接続状態である時に前記選択された1つのしきい値が不揮発的に保持される。
【0093】
(実施の形態7:関数機能再構成可能集積回路)
図21は、しきい値を不揮発的に保持可能な2入力変数の可変しきい値しきい素子回路を多段構成で用いた任意の2入力変数対称関数を実現可能な関数機能再構成可能集積回路(2入力変数可変関数回路)の構成を表す図である。この2入力変数可変関数回路2100は、入力変数用端子input1〔1〕とinput1〔2〕を持ち、図16に示したνMOSインバータ回路1600と同じ回路構成を有するFTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕を持ち、FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕に初期化時に入力される制御変数用の端子としてinput2〔1〕,input2〔2〕,input2〔3〕を持ち、FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕におけるしきい値データ保持回路HLD1 ,HLD2 ,HLD3 の初期化時(しきい値設定期間)と関数実行時(しきい値保持期間)とを切替える制御端子ctl1を持つ。
【0094】
なお、νMOSインバータ回路2100はFTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕の後段にバッファ回路BF〔1〕,BF〔2〕,BF〔3〕を持つ。バッファ回路BF〔1〕,BF〔2〕,BF〔3〕によって、FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕の出力電位は増幅と波形整形とが行われる。入力変数用端子input1〔1〕,input1〔2〕については、フローティングゲートFG〔S〕と容量結合する端子の前に遅延時間制御回路DEL〔1〕,DEL〔2〕を持つ。
【0095】
遅延時間制御回路DEL〔1〕,DEL〔2〕を有することによって、入力変数用端子input1〔1〕,input1〔2〕からフローティングゲートFG〔S〕と容量結合する端子に入力される信号と、FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕とバッファー回路BF〔1〕,BF〔2〕,BF〔3〕とを経てフローティングゲートFG〔S〕と容量結合する端子に入力される信号との信号遅延時間の差を小さくすることが可能となる。信号遅延時間差を小さくすることによって、多入力組合せ回路において同時に複数の信号が変化する際に発生するハザードを回避することができる。
【0096】
input1〔1〕,input1〔2〕からの入力変数とFTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕からの出力信号とが、フローティングゲートFG〔S〕に常誘電体容量によって容量結合する端子に入力される。フローティングゲートFG〔S〕の後段には、フローティングゲートFG〔S〕を入力ゲートとするνMOSインバータINV〔S〕があり、このνMOSインバータ回路INV〔S〕の出力は、後段のバッファー回路BF〔S〕を経て出力される。
【0097】
〔動作〕
FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕において、しきい値データ保持回路はHLD1 〜HLDmは先に説明した初期設定方法によって、Q’A1とQ’B1とのいずれか一方の電荷量またはそれに類する電荷量を保持している。また、先に説明したしきい値調整のための回路構成と方法によって、FTE〔1〕のしきい値は、入力状態数ZがZ<0の領域、または0<Z<1の領域のいずれか一方に設定され、FTE〔2〕のしきい値は、0<Z<1、または、1<Z<2のいずれか一方の領域に設定され、FTE〔3〕のしきい値は、1<Z<2、または、Z>2のいずれか一方の領域に設定されている。
【0098】
また、FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕において、入力変数用端子input1〔1〕,input1〔2〕とフローティングゲートFG〔1〕,FG〔2〕,FG〔3〕との間の常誘電体容量の容量値は互いに全て等しく、また、フローティングゲートFG〔S〕に容量結合されている常誘電体容量の容量値も互いに全て等しいとする。
【0099】
図22は、図21に示した2入力変数可変関数回路2100を論理記述した典型的な可変しきい値しきい素子回路網を表す図である。図22の可変しきい値しきい素子回路FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕は全て否定出力型の回路であるとする。即ち、入力変数と重み係数との積和がしきい値よりも大きい場合は論理値「0」を、小さい場合は論理値「1」を出力する。また、入力変数に対する重み係数は簡単化のために1とした。
【0100】
図22のFTE〔1〕は制御変数用端子input2〔1〕から入力される信号によって、−0.5または+0.5のいずれか一方のしきい値を選択保持でき、FTE〔2〕は制御変数用端子input2〔2〕から入力される信号によって、0.5または+1.5のいずれか一方のしきい値を選択保持でき、FTE〔3〕は制御変数用端子input2〔3〕から入力される信号によって、1.5または2.5のいずれか一方のしきい値を選択保持でき、STEのしきい値は2.5に設定されている。
【0101】
また、FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕のしきい値として、初期設定時に制御変数用端子input2〔1〕,input2〔2〕,input2〔3〕から論理値「1」が入力された場合に大きい値が、論理値「0」が入力された場合に小さい値が選択される。
【0102】
今、FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕のしきい値として、各々0.5,0.5,2.5が選択保持されたとする。入力状態数0に対して、FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕の出力は論理値「1」,「1」,「1」であり、STEの入力の積和値は3であり、出力は論理値「0」となる。入力状態数1に対して、FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕の出力は論理値「0」,「0」,「1」であり、STEの入力の積和値は2であり、出力は論理値「1」となる。入力状態数2に対して、FTE〔1〕,FTE〔2〕,FTE〔3〕の出力は論理値「0」,「0」,「1」であり、STEの入力の積和値は3であり、出力は論理値「0」となる。
【0103】
このように、制御変数用端子input2〔1〕,input2〔2〕,input2〔3〕から入力する信号を論理値「1」,「0」,「1」とすることによって、XOR(Exclusive-OR)を実現することができる。前記と同様に、制御変数用端子input2〔1〕,input2〔2〕,input2〔3〕から入力する信号の論理値が、(0,0,0)の場合は関数1を、(1,0,0)の場合はORを、(0,1,0)の場合はXNORを、(1,1,0)の場合はANDを、(0,0,1)の場合はNANDを、(0,1,1)の場合はNORを、(1,1,1)の場合は関数0を実現することができる。
【0104】
以上説明したように、この2入力変数可変関数回路2100では、FTE〔1〕,〔2〕,〔3〕に保持される制御変数値に対応する電荷量によって、任意の対称関数を実現することが可能になる。この関数は、しきい値データ保持回路HLD1 〜HLDmに強誘電体容量Cpを使用しているので、不揮発的に保持される。これにより、経時的誤動作の問題が解消され、長期間安定して2入力変数可変関数回路2100を使用することができる。
【0105】
なお、この実施の形態7では、入力変数を2つとしたが、任意の自然数kに対しても同様に構成することができる。また、任意の論理関数については、重み係数の値を変更し、2段論理回路の1段目のFTEの数を適宜増加させることによって、実現することができる。
【0106】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明の可変しきい値しきい素子回路によれば、強誘電体容量と常誘電体容量との直列接続回路を介して、しきい値を制御する制御変数を伝搬する1以上の制御変数用端子をしきい素子のゲート電極に結合したので、強誘電体容量に不揮発的に保持される電荷量によってしきい値を不揮発的に保持させ、経時的誤動作の問題を解消することが可能となる。
【0107】
また、本発明の可変しきい値しきい素子回路を用いて関数機能再構成可能集積回路を構成することにより、関数の再構成を高速に行え、また、その関数を不揮発的に保持することができ、安定して長期、間関数機能再構成可能集積回路を使用することができるようになる。
【0108】
関数機能再構成可能集積回路の適用領域は、特定用途LSIのプロトタイプとしてだけでなく、製造後であっても関数機能を入出力信号に応じて適応的に変化させる進化型ハードウェアや、システムが動作中であっても関数機能を切替え、ハードウェア資源を高効率に使用することが可能なリコンフィギュアラブルコンピューティングシステムへの応用など幅広い応用分野がある。このように、システムが動作中に動的に関数機能を変えたり、入出力信号に適応して関数を変化させたりする場合には、できるだけ高速に関数機能の書き換えが行われることが望ましい。また、一度記憶した関数機能は消去または、書き込み命令を受けるまでは保持することが可能であり、電源を切った後であっても状態保持が可能であることが望ましい。本発明の関数機能再構成可能集積回路では、このような要望に応えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 強誘電体メモリに用いられている強誘電体容量を表す回路図である。
【図2】 強誘電体容量の端子間に電圧Vが印加された時の電圧Vと電荷量Qの関係を表す図である。
【図3】 文献5に開示されているMFMIS型の強誘電体容量を持つ電界効果トランジスタを表す回路図である。
【図4】 文献6に開示されているMFMIS型の強誘電体容量を持つ電界効果トランジスタを表す回路図である。
【図5】 文献7に開示されているMFMIS型の強誘電体容量を持つ電界効果トランジスタを表す回路図である。
【図6】 本発明の実施の形態で用いるMFMIS型電界効果トランジスタを表す回路図である。
【図7】 本発明の可変しきい値しきい素子回路の一実施の形態を示す容量結合入力型電界効果トランジスタの回路図である。
【図8】 この容量結合入力型電界効果トランジスタを用いたνMOSインバータ回路の基本構成を示す回路構成図である。
【図9】 スイッチを有する容量結合入力型電界効果トランジスタの回路図である。
【図10】 このスイッチを有する容量結合入力型電界効果トランジスタを用いたνMOSインバータ回路の基本構成を示す回路構成図である。
【図11】 図10に示したνMOSインバータ回路においてしきい処理を行う非線形回路の他の構成例を示す回路図である。
【図12】 図10に示したνMOSインバータ回路においてしきい処理を行う非線形回路の他の構成例を示す回路図である。
【図13】 強誘電体容量の一方側の端子に現れる電荷量Qfeと強誘電体容量を挟む両端の電圧(Vfe1 −Vfe2 )との関係を表す図である。
【図14】 図10に示したνMOSインバータ回路におけるフローティングゲートの電位Vfgと入力変数用端子に入力される電位Viと容量値Ciとの積和との関係を表す図である。
【図15】 図10に示したνMOSインバータ回路における入力状態数Zと規格化フローティングゲート電位との関係を表す図である。
【図16】 固定電位を供給する端子を付加したνMOSインバータ回路を表す図である。
【図17】 図16に示したνMOSインバータ回路における入力状態数Zと規格化フローティングゲート電位Ufgとの関係を表す図である。
【図18】 しきい値データ保持回路の具体的な回路を表す図である。
【図19】 複数の設定可能なしきい値の中から選択された1つのしきい値を不揮発的に保持可能なk入力変数のνMOSインバータ回路の構成図である。
【図20】 図19に示したνMOSインバータ回路における入力状態数Zと規格化フローティングゲート電位Ufgとの関係を表す図である。
【図21】 しきい値を不揮発的に保持可能な2入力変数の可変しきい値しきい素子回路を多段構成で用いた任意の2入力変数対称関数を実現可能な関数機能再構成可能集積回路(2入力変数可変関数回路)の構成を表す図である。
【図22】 この2入力変数可変関数回路を論理記述した典型的なしきい素子回路網を表す図である。
【図23】 従来のしきい値可変機能を備えたk入力変数のνMOSインバータ回路を示す回路図である。
【図24】 従来の回路状態保持機能を備えたk入力変数のνMOSインバータ回路の代表的な回路構成を示す図である。
【図25】 図24に示したνMOSインバータ回路を用いた関数機能再構成可能集積回路の一例(2入力変数可変関数回路)を示す図である。
【符号の説明】
700…容量結合入力型電界効果トランジスタ、701…電界効果トランジスタ、input1〔1〕〜input1〔k〕…入力変数用端子、input2〔1〕〜input2〔m〕…制御変数用端子、702…ゲート電極、7031 〜703k…常誘電体容量、7041 〜704m…しきい値データ保持回路、7051 〜705m…常誘電体容量、7061 〜706m…強誘電体容量、800…νMOSインバータ回路、HLD1 〜HLDm…しきい値データ保持回路、C1 〜Ck,Cv1〜Cvm…常誘電体容量、Cp1〜Cpm…強誘電体容量、FG…フローティングゲート、INV…νMOSインバータ、Q1…pチャネル電界効果トランジスタ、Q2…nチャネル電界効果トランジスタ、900…νMOSインバータ回路、901…電界効果トランジスタ、902…ゲート電極、9031 〜903k…常誘電体容量、9041 〜904m…しきい値データ保持回路、9051 〜905m…常誘電体容量、9061 〜906m…強誘電体容量、9071 〜907m…第2のスイッチ、9081 〜908m…第1のスイッチ、2100…2入力変数可変関数回路、ctl1,ctl2 …状態制御端子、FTE〔1〕〜FTE〔3〕…1段目のνMOSインバータ回路、STE…2段目のνMOSインバータ回路、FG〔1〕〜FG〔3〕,FG〔S〕…フローティングゲート、BF〔1〕〜BF〔3〕,BF〔S〕…バッファ回路、DEL〔1〕〜DEL〔2〕…遅延制御回路、INV〔1〕〜INV〔3〕,INV〔S〕…νMOSインバータ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a variable threshold threshold element circuit having a function of holding a threshold value in a non-volatile manner, and is configured using the variable threshold threshold element circuit and has a function function even after the circuit is fabricated. The present invention relates to a function state reconfigurable integrated circuit that can be used and a circuit state holding method applied to a variable threshold threshold element circuit.
[0002]
[Prior art]
As a threshold element (nonlinear element) manufactured by the CMOS process technology, for example, there is an inverter constituted by a neuron MOS transistor (νMOS transistor) disclosed in Document 1 (Japanese Patent No. 2662559: semiconductor device). Hereinafter, this inverter is referred to as a νMOS inverter.
[0003]
A circuit and method for making the threshold value of this νMOS inverter variable are disclosed in Reference 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-44823: Variable threshold generation method in a neuron MOS circuit and a neuron MOS circuit using the method). .
[0004]
[Threshold element circuit with variable threshold function (variable threshold threshold element circuit)]
FIG. 23 is a circuit diagram showing a typical k-input variable νMOS inverter circuit as a threshold element circuit (variable threshold threshold element circuit) having a threshold variable function. In this νMOS inverter circuit 2300, a gate electrode (hereinafter referred to as a floating gate) FG of a νMOS inverter INV having no threshold variability in an electrically floating state FG is connected to a signal input terminal ( Input1 [1] to input1 [k] (hereinafter referred to as input variable terminals), input terminals for control variables (hereinafter referred to as control variable terminals) input2 for controlling threshold values, and power supply potential Vdd The fixed potential terminal Pvdd and the fixed potential terminal Pgnd connected to the ground potential are capacitively coupled.
[0005]
The threshold value of the νMOS inverter INV includes a capacitance value Cv between the control variable terminal input2 and the floating gate FG, a capacitance value Cvdd between the fixed potential terminal Pvdd and the floating gate FG, and a fixed potential terminal Pgnd. The capacitance value Cgnd between the gate FG and the capacitance value C between the input variable terminals input1 [1] to input1 [k] and the floating gate FG 1 ~ C k And the potential Vv applied to the control variable input terminal input2. In this νMOS inverter circuit 2300, the combination of input variables depends on whether the potential Vv applied to the control variable terminal input2 is the power supply potential Vdd (logic value “1”) or the ground potential (logic value “0”). It is possible to set a logical threshold value to an arbitrary value on the input state formed by. Hereinafter, the logical threshold is abbreviated as a threshold when it is not necessary to distinguish from other thresholds.
[0006]
[Variable threshold threshold element circuit with circuit state holding function]
Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-196920: Function and function configuration data holding method and integrated circuit using the method) uses a structure peculiar to a νMOS inverter circuit and a method for holding a set threshold value. A circuit configuration using the method is disclosed. FIG. 24 is a diagram showing a typical circuit configuration of a k-input variable νMOS inverter circuit having a circuit state holding function.
[0007]
In this νMOS inverter circuit 2400, an NMOS type pass transistor swn that is turned on / off by a control signal from the state control terminal ctl2 is added between the floating gate FG and the fixed potential terminal Pgnd on the ground side. Further, a transmission gate tgin is provided between the control variable terminal input2 and a terminal capacitively coupled to the floating gate FG (hereinafter referred to as a control variable input terminal) input2a, and the control variable input terminal input2a and the power source A PMOS type pass transistor swp is provided between the fixed potential terminal Pvdd on the side. Further, an inverter inv1 is provided between the state control terminal ctl1 and the transmission gate tgin. The transmission gate tgin and the pass transistor swp are turned on / off by a control signal from the state control terminal ctl1.
[0008]
With such a circuit configuration, it is possible to set and hold a threshold value selected by a potential Vv applied to the control variable terminal input2 (hereinafter, this potential Vv is referred to as configuration data). .
[0009]
[Circuit state holding operation]
The threshold holding operation in FIG. 24 will be briefly described. First, the state control terminal ctl2 is set to the power supply potential having the logical value “1”, the pass transistor swn is turned on, and the potential of the floating gate FG is set to the ground potential. Next, the state control terminal ctl1 is set to the power supply potential, the pass transistor swp is cut off, and the transmission gate tgin is turned on. At this time, all input variables input from the input variable terminals input1 [1] to input1 [k] are set to the ground potential having the logical value “0”.
[0010]
Now, the time when the first state control terminal ctl1 and the second state control terminal ctl2 are the logical value “1” is referred to as initialization. Further, the potential of the floating gate FG when the logical value “1” is input from the control variable terminal input2 of the νMOS inverter circuit 2300 of FIG. 23 having a complete floating gate is called a first floating gate potential. The potential when the logical value “0” is input is referred to as a second floating gate potential.
[0011]
The above operation is performed at the time of initialization, and the logical value “0” is continuously input to the control variable terminal input2. At this time, the logical value “0” is given to the control variable input terminal input2a that is capacitively coupled to the floating gate FG, similarly to the input of the control variable terminal input2. That is, when the floating gate FG is at the ground potential, an input variable having a logical value “0” and a control variable are given. The input to the first state control terminal ctl1 and the second state control terminal ctl2 is switched from the logical value “1” to the logical value “0” while maintaining this input state. When the first state control terminal ctl1 and the second state control terminal ctl2 have the logical value “0”, this is called function execution time.
[0012]
When the function is executed, the pass transistor swn is cut off, and the floating gate FG is in a high impedance state, and transiently becomes substantially floating (electrically floating state). At the same time, the transmission gate tgin is cut off, the pass transistor swp is turned on, and the power supply potential having the logical value “1” is applied to the control variable input terminal input2a. For this reason, charge redistribution occurs on the floating gate FG, and the floating gate FG becomes the first floating gate potential.
[0013]
Similarly, when a power supply potential having a logical value “1” is given to the control variable terminal input2 at the time of initialization, the same power supply potential as that at the time of initialization is given to the control variable input terminal input2a at the time of function execution. If the input variable is a logical value “0”, it becomes the second floating gate potential.
[0014]
Thus, the floating gate potential at the time of function execution is determined depending on the logical value given as the control variable at the time of initialization. That is, the configuration data determined at the time of initialization is held at the time of function execution. This configuration data holding operation and necessary elements will be described below.
[0015]
Since the floating gate potential is fixed to the ground potential at the time of initialization, when a predetermined potential which is a control variable is given to the control variable input terminal input2a, charge is injected into the floating gate FG from the ground side.
[0016]
Next, when the function is executed, the injected charge is held in the floating gate FG, charge redistribution occurs depending on the logical value of the input variable, and the floating gate potential is determined. There are two elements necessary for holding the configuration data, one is injection of charge from one terminal connected to the floating gate FG, and the other is injection when the floating gate FG is high impedance. The charged charge is retained.
[0017]
[Functional Function Reconfigurable Integrated Circuit]
A circuit capable of reconfiguring a function function for a two-input variable will be described with reference to Reference 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-223576: an integrated circuit capable of reconfiguring a function function). FIG. 25 is a diagram showing a function function reconfigurable integrated circuit (two-input variable variable function circuit) using the νMOS inverter circuit 2400 shown in FIG. This two-input variable variable function circuit is a two-stage logic feedforward type circuit. The first stage is composed of three νMOS inverter circuits FTE [1], FTE [2], FTE [3], and the second stage It is composed of one νMOS inverter circuit STE.
[0018]
In the two-input variable variable function circuit 2500, the two input variables are input variable terminals input1 [1], input1 [2] to the first stage νMOS inverter circuits FTE [1], FTE [2], FTE [3 ] And floating gates FG [1], FG [2], FG [3] and the floating gate FG [S] of the second stage νMOS inverter circuit STE, and the first stage νMOS inverter circuit FTE [1]. , FTE [2], FTE [3] are amplified and waveform shaped by the buffers BF [1], BF [2], BF [3], and the floating gate FG [S of the second stage νMOS inverter circuit STE. ] Is given.
[0019]
Note that the floating gate FG [S] of the STE is initialized between the first stage νMOS inverter circuits FTE [1], FTE [2], FTE [3] and the second stage νMOS inverter circuit STE. At this time, transmission gates tgs1, tgs2, and tgs3 and pass transistors swi1, swi2, and swi3 are inserted in order to set all input signals to the ground potential.
[0020]
In FTE [1], FTE [2], FTE [3], and STE, the capacitance values between the input variable terminals and the floating gate are set equal. In STE, the capacitance value between the terminal to which the output values of FTE [1], FTE [2], and FTE [3] are given and the floating gate is between the terminal to which the input variable is given and the floating gate. Is set equal to the capacity value. By this setting, the input state of the STE, that is, the product sum of the input variable and the weight becomes three, “0”, “1”, and “2”. The number corresponding to this input state is called the number of states of the input variable (number of input states). In addition, the state quantity (input state quantity) of the input variable is used as the upper word of the number of states of the input variable.
[0021]
Taking FTE [1] as an example, between FTE [1] and STE, when the floating gate FG [S] of STE is initialized, the input signals of all input terminals are set to the ground potential. The transmission gate tgs1 and the pass transistor swi1 are inserted. The same applies to FTE [2] and FTE [3]. Similarly to FTE [1], FTE [2], and FTE [3], STE uses two periods for initialization and function execution.
[0022]
At the time of initialization, a logical value “1” is applied to the first state control terminal ctl1 and the second state control terminal ctl2, and the pass transistor sws connected to the floating gate FG [S] is made conductive. At the same time, the transmission gate tgs1 is cut off, the pass transistor swi1 is turned on, and a ground potential having a logical value “0” is applied to the floating gate FG [S] that is capacitively coupled through the buffer BF [1]. When a logical value “0” is given as an input variable, all inputs are logical values “0”. While maintaining this state, by giving a logical value “1” to the first state control terminal ctl1 and the second state control terminal ctl2, the state at the time of function execution can be formed.
[0023]
Next, the case where an arbitrary function can be realized with a variable threshold value will be described by taking an example where XOR (Exclusive-OR) is realized. The threshold values of FTE [1], FTE [2], and FTE [3] can be selected from either of two threshold values before and after the input state number 0, before and after 1, and before and after 2, respectively. Can be set. In FTE [1], FTE [2], and FTE [3], when a logical value “0” is given as a control variable at initialization, the smaller threshold value can be selected, and conversely, the logical value “1” is set. If given, the larger threshold is selected.
[0024]
As the threshold value of FTE [1], a value greater than 0 and less than 1 is selected, and as the threshold value of FTE [2], a value smaller than 1 and greater than 0 is selected. 3] is selected as a threshold value greater than two input states. At this time, the logical value of the output of FTE [1] is “1”, “0”, “0” with respect to the input state numbers 0, 1, and 2. The logical value of the output of FTE [2] is “1”, “0”, “0” for the input state numbers 0, 1, 2 and the logical value of the output of the FTE [3] is “1” for the input state numbers 0, 1, 2 , “1”, “1”.
[0025]
When the number of input states is 0, 1, and 2, the number of terminals having a logical value “1” among the five input terminals of the STE is 3, 2, and 3, respectively. Since the output value of the STE is the logical inversion of the result of the majority of the inputs, the output values are “0”, “1”, “0” for the input state numbers 0, 1, 2, and XOR is realized. . This is an FTE having a threshold before and after each input state number, FTE [1] if the number of input states is 0, FTE [2] if the number of input states is 1, and if the number of input states is 2. For FTE [3], it means that the logical inversion of the logical value given as the control variable at the time of initialization is output.
[0026]
As can be seen from the above-described XOR implementation, according to the two-input variable variable function circuit 2500 shown in FIG. 25, the floating gates FG [1] of FTE [1], FTE [2], FTE [3], and STE. , FG [2], FG [3], and FG [S] hold the circuit state determined by the configuration data input to the control variable terminals input2 [1] to input2 [3] By doing so, an arbitrary symmetric function can be realized.
[0027]
However, the symmetric function is a logical function in which the function value is defined by the number of input states as represented by the AND, OR, NAND, NOR, XOR, XNOR, 0, 1 function, and the variables are interchanged. However, the function value is invariant.
[0028]
[Problems to be solved by the invention]
[Problems of variable threshold threshold element circuit with circuit state maintaining function]
In the νMOS inverter circuit 2400 shown in FIG. 24, two elements necessary for maintaining the circuit state, namely, injection of charge into the floating gate FG and retention of the injected charge are connected to the floating gate FG. This is accomplished by manipulating the pass transistor swn which is a switch.
[0029]
However, the pass transistor swn is referred to as a subthreshold current and a PN junction reverse saturation current between the drain terminal and the substrate (or well) even if the state control terminal ctl2 is at the ground potential of logic “0”. Has two leakage currents. For this reason, the amount of charge held in the floating gate FG changes with time. This change then changes the threshold to another value. That is, the state to be held is volatile, and the threshold value is also volatile. The volatility of the threshold value causes the problem of malfunction over time of the νMOS inverter INV.
[0030]
[Problems of functional function reconfigurable integrated circuit]
In the two-input variable variable function circuit 2500 shown in FIG. 25, the function function to be realized is determined by the logical values of the control variables input to the FTE [1], FTE [2], and FTE [3] during initialization. It is determined by the threshold. As described above, the threshold holding state changes with time. For this reason, in the two-input variable variable function circuit 2500, the function that is realized changes with the passage of time, and the problem that the originally realized function cannot be realized, that is, the problem of temporal malfunction occurs.
[0031]
The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a variable threshold value that can hold the threshold value in a nonvolatile manner and eliminate the problem of malfunction over time. It is an object of the present invention to provide a threshold element circuit, a circuit state maintaining method in the variable threshold threshold element circuit, and a function function reconfigurable integrated circuit using the variable threshold threshold element circuit.
[0032]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the variable threshold threshold element circuit of the present invention provides a control variable for controlling the threshold value via a series connection circuit of a ferroelectric capacitor and a paraelectric capacitor. One or more control variable terminals that propagate are coupled to the gate electrode of the threshold element (first invention).
In this case, as a circuit state holding method (10th invention), a control variable is input from a control variable terminal (first step), an input variable is input from an input variable terminal (second step), and a control variable terminal The control variable input to is removed (third step). Note that the control variable input to the control variable terminal may be removed between the first step and the second step.
[0033]
The ferroelectric capacitor retains the charge amount for spontaneous polarization even after the control variable is removed, that is, after the input potential disappears. This redistributes the charge on the gate electrode depending on the potential of each terminal capacitively coupled to the gate electrode of the threshold element, determines the potential of the gate electrode, and maintains the threshold element threshold value. Is done.
For example, when the threshold element is a field effect transistor, the switching point (transistor threshold) of the on / off operation of the field effect transistor transistor with respect to the state quantity of the input variable is maintained. Further, when the threshold element is a νMOS inverter, the switching point (logic threshold value) of the logic inversion operation of the νMOS inverter with respect to the state quantity of the input variable is held.
[0034]
In the variable threshold threshold element circuit of the present invention, one end of the paraelectric capacitor in the series connection circuit is connected to the gate electrode, and the other end of the paraelectric capacitor is connected to one end of the ferroelectric capacitor. The first switch is connected between one end and the other end of the ferroelectric capacitor, and the second switch is connected between the other end of the ferroelectric capacitor and the control variable terminal (first). 2 invention).
In this case, as a circuit state holding method (11th invention), the first switch is turned off and the second switch is turned on (first step). After executing the first step, the control variable terminal is used. The control variable is input and the input variable is input from the input variable terminal (third step: threshold value setting period). After execution of the second step, the second switch is turned off, and the first switch The switch is turned on (third step: threshold holding period).
[0035]
The ferroelectric capacitor retains the amount of charge for spontaneous polarization even after the second switch is turned off, that is, after the control variable from the control variable input terminal to the ferroelectric capacitor is removed. To do. In the threshold holding period, the first switch is in a conductive state and holds the charge amount due to remanent polarization in a nonvolatile manner. Further, since the ferroelectric capacitor is connected in series with the paraelectric capacitor, a charge amount equivalent to the charge amount held in the ferroelectric capacitor is also induced in the paraelectric capacitor. This redistributes the charge on the gate electrode depending on the potential of each terminal capacitively coupled to the gate electrode of the threshold element, determines the potential of the gate electrode, and maintains the threshold element threshold value. Is done.
[0036]
The function-function reconfigurable integrated circuit according to the present invention (the eighth invention) is such that at least one of the variable threshold threshold element circuits connected in multiple stages is the variable threshold threshold element circuit according to the present invention. It is.
For example, two stages of variable threshold threshold element circuits are connected, and the first stage variable threshold threshold element circuit is connected in common to the first to kth input variable terminals. A variable threshold threshold element circuit is constituted by a plurality of variable threshold threshold element circuits, and a second stage variable threshold threshold element circuit is constituted by one variable threshold threshold element circuit. The first to k-th input variable terminals of the circuit are connected in common with the first to k-th input variable terminals of each variable threshold threshold element circuit of the first stage, and each variable of the first stage is changed. The output signal from the threshold threshold element circuit is applied to each input terminal capacitively coupled to the gate electrode of the second-stage variable threshold threshold element circuit.
In such a structure, for example, the above-described variable threshold threshold element circuit of the present invention is used for the first stage variable threshold threshold element circuit (ninth invention).
[0037]
In the variable threshold threshold element circuit of the present invention, various types of threshold elements can be considered. For example, a field effect transistor is used as a threshold element, and either one of the source terminal and the drain terminal of the field effect transistor is connected to a circuit having an element that serves as an electrical load (fourth invention). In this case, the element that becomes an electrical load may be a resistor (fifth invention), or a field effect transistor that transports charges having a polarity opposite to that of the field effect transistor (sixth invention). . In addition, the threshold element may be an inverter circuit including a first field effect transistor and a second field effect transistor that transports electric charges having a polarity opposite to that of the first field effect transistor. (Seventh invention). In the function-function reconfigurable integrated circuit according to the eighth or ninth invention, it is sufficient that at least one of these variable threshold threshold element circuits is used, and these variable threshold threshold element circuits are used. It may be configured by combining.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[Ferroelectric memory]
First, a ferroelectric memory and a MFIS field effect transistor will be described before the description of embodiments of the present invention. Currently, DRAM, SRAM, flash memory, ferroelectric memory (FeRAM) and the like are being researched and developed. DRAM is characterized by high-capacity and medium-speed data rewriting, and SRAM is characterized by medium-memory capacity and high-speed data rewriting, both of which are volatile. Flash memory operates at a low speed in writing and data erasing, but is non-volatile.
[0039]
On the other hand, the ferroelectric memory is PZT (Pb (Zr x Ti 1-x ) O Three ) And SBT (SbBi 2 Ta 2 O 9 Since the polarization characteristics of the ferroelectric material represented by (1) are applied, it is non-volatile and data can be rewritten at a speed equivalent to DRAM. Furthermore, the ferroelectric memory can be manufactured by simply adding a layer for forming a ferroelectric capacitor to the CMOS process technology, and has good compatibility with a standard CMOS process. FIG. 1 is a circuit diagram showing a ferroelectric capacitor 100 used in a ferroelectric memory. A predetermined voltage V is applied between one terminal 101 and the other terminal 102 of the ferroelectric capacitor 100, and a positive applied voltage is when the terminal 102 is at a high potential.
[0040]
FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the voltage V and the charge amount Q when the voltage V is applied between the terminals 101 and 102. In FIG. 2, Vc represents a coercive voltage, and Qr represents a charge amount due to remanent polarization. Even if the voltage between the terminals 101 and 102 is zero, Qr remains at both terminals. The memory function for holding binary values uses these two states. In recent years, research and development of ferroelectric memories having the feature that data is nonvolatile and can be rewritten at high speed using the bistability of spontaneous polarization has been energetically advanced.
[0041]
[MFMIS type field effect transistor]
As a ferroelectric capacitor used in the ferroelectric memory, a metal electrode typified by Pt or IrO 2 And SrRuO Three An oxide electrode represented by (SRO) includes a planar type and a stack type in which a ferroelectric material is sandwiched. Other structures include metal / ferroelectric / silicon (MFS) type, metal / ferroelectric / insulator / silicon (MFIS) type, metal / ferroelectric / metal / insulator / silicon (MFMIS). A mold has also been proposed.
[0042]
FIG. 3 is a circuit diagram showing a field effect transistor having an MFMIS type ferroelectric capacitor disclosed in Reference 5 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-177038: MFMIS type ferroelectric memory element and manufacturing method thereof). This circuit has a structure in which a MFMIS type ferroelectric capacitor 303 is connected in series to a metal (or Poly-Si) electrode terminal 302 above a gate oxide film 301 formed of a paraelectric material of the MOS transistor 300.
[0043]
FIG. 4 is a circuit diagram showing a field effect transistor having a MFMIS type ferroelectric capacitor disclosed in Reference 6 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-349251: Semiconductor device). This circuit has a structure in which one terminal of an MFMIS type ferroelectric capacitor 402 and one terminal of a paraelectric capacitor 403 are connected to an input gate 401 of a standard field effect transistor 400. That is, in this circuit, a ferroelectric capacitor 402 and a paraelectric capacitor 403 are connected in parallel to the input gate 401.
[0044]
FIG. 5 is a circuit diagram showing a field effect transistor having a MFMIS type ferroelectric capacitor disclosed in Reference 7 (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-138351: Ferroelectric nonvolatile memory and reading method thereof). This circuit has a structure in which MFMIS type ferroelectric capacitors 503 and 504 having substantially the same remanent polarization are connected in parallel to an input gate 502 of a standard field effect transistor 501.
[0045]
The circuit structure of the three MFMIS type field effect transistors having ferroelectric capacitors has been described above. However, in the embodiments of the present invention to be described later, the MFMIS type field effect having ferroelectric capacitors which are not any of these types. A transistor is used. FIG. 6 shows a circuit diagram of an MFMIS type field effect transistor having a ferroelectric capacitor used in the embodiment of the present invention. This circuit has a structure in which a paraelectric capacitor 601 and an MFMIS type ferroelectric capacitor 603 are connected in series to an input gate of a standard field effect transistor 601. That is, one terminal of the paraelectric capacitor 601 is connected to the input gate 602 of the field effect transistor 600, and the other terminal of the paraelectric capacitor 601 and one terminal of the ferroelectric capacitor 603 are connected. .
[0046]
[Embodiment 1: Capacitive coupling input type field effect transistor]
FIG. 7 is a circuit diagram of a capacitively coupled input field effect transistor showing an embodiment of a variable threshold threshold element circuit according to the present invention. In this capacitively coupled input type field effect transistor 700, input variable terminals input 1 [1] to input 1 [k] are connected to the gate electrode 702 of the field effect transistor 701 as a paraelectric capacitor 703. 1 ˜703k, the control variable terminals input2 [1] to input2 [m] are connected to the threshold data holding circuit 704 1 It is connected through ~ 704m.
[0047]
Threshold data holding circuit 704 1 Is a paraelectric capacitor 705 1 And MFMIS type ferroelectric capacitor 706 1 And a paraelectric capacitor 705 1 Is connected to the gate electrode 702 of the field effect transistor 701, and the paraelectric capacitor 705 is connected. 1 The other terminal of the ferroelectric capacitor 706 1 Connected to one terminal of the ferroelectric capacitor 706 1 Is connected to the control variable terminal input2 [1]. Other threshold data holding circuits have the same configuration.
[0048]
In this capacitively coupled input field effect transistor 700, control variables are input from control variable terminals input2 [1] to input2 [m] as a first step, and input variable terminals input1 [1] to [2] as a second step. Input variables from input1 [k]. As a third step, the control variable input to the control variable terminals input2 [1] to input2 [m] is removed. Note that the control variable input to the control variable terminals input2 [1] to input2 [m] may be removed between the first step and the second step.
[0049]
Threshold data holding circuit 704 1 ˜704 m, ferroelectric capacitor 706 1 ˜706 m retains the amount of charge for spontaneous polarization even after the control variable is removed, ie, after the input potential disappears. As a result, charge redistribution on the gate electrode 702 is performed depending on the potential of each terminal capacitively coupled to the gate electrode 702 of the field effect transistor 701, the potential of the gate electrode 702 is determined, and the number of states of the input variable The switching point (transistor threshold) of the on / off operation of the field effect transistor 701 with respect to (the state quantity of the input variable) is maintained. The transistor threshold value of the field effect transistor 701 can be set to an arbitrary value by a combination of control variables to the control variable terminals input2 [1] to input2 [m].
[0050]
[Embodiment 2: Basic configuration of νMOS inverter circuit using capacitively coupled input field effect transistor]
FIG. 8 is a circuit configuration diagram showing a basic configuration of a νMOS inverter circuit using the capacitively coupled input field effect transistor 700 shown in FIG. In this νMOS inverter circuit 800, the input variable terminals input1 [1] to input1 [k] are connected to the floating gate FG of the νMOS inverter INV by a paraelectric capacitor C. 1 Are connected through ~ Ck, and control variable terminals input2 [1] to input2 [m] are connected to the threshold data holding circuit HLD. 1 Bound through ~ HLDm. Threshold data holding circuit HLD 1 Is the ferroelectric capacitor C p1 And paraelectric capacitance C v1 And a series connection circuit. Other threshold data holding circuits are similarly configured.
[0051]
In this νMOS inverter circuit 800, control variables are input from control variable terminals input2 [1] to input2 [m] as a first step, and input variable terminals input1 [1] to input1 [k] as a second step. Input variable from. Then, as a third step, the control variables input to the control variable terminals input2 [1] to input2 [m] are removed. Note that the control variable input to the control variable terminals input2 [1] to input2 [m] may be removed between the first step and the second step.
[0052]
Threshold data holding circuit HLD 1 ~ HLDm, ferroelectric capacitor C p1 ~ C pm Retains the amount of charge due to spontaneous polarization even after the control variable is removed, i.e., after the input potential disappears. Thereby, depending on the potential of each terminal capacitively coupled to the floating gate FG, charge redistribution on the floating gate FG is performed, the potential of the floating gate FG is determined, and the number of states of the input variable (the state of the input variable) The switching point (logical threshold value) of the logic inversion operation of the νMOS inverter INV with respect to (quantity) is held. The logical threshold value of the νMOS inverter INV can be set to an arbitrary value by a combination of control variables to the control variable terminals input2 [1] to input2 [m].
[0053]
[Embodiment 3: Capacitively coupled input field effect transistor having a switch]
FIG. 9 is a circuit diagram of a capacitively coupled input field effect transistor having a switch. The threshold value data holding circuit 904 is different from the circuit 700 shown in FIG. 1 The configuration of ~ 904m is different. Threshold data holding circuit 904 1 The paraelectric capacitor 905 will be described as a representative. 1 And ferroelectric capacitor 906 1 Are the same in that the ferroelectric capacitors 906 are connected in series. 1 The first switch 908 that conducts or cuts off the terminals Pa and Pb between the terminals Pa and Pb. 1 Are connected, the control variable input terminal input2 [1] and the ferroelectric capacitor 906 1 The second switch 907 is connected to the terminal Pb of 1 Are different in that they are connected. Other threshold data holding circuits have the same configuration.
[0054]
In this capacitively coupled input field effect transistor 900, as the first step, the first switch 908 is used. 1 ˜908m is cut off, and the second switch 907 1 ˜907m is turned on. As a second step, control variables are input from control variable terminals input2 [1] to input2 [m], and input variables are input from input variable terminals input1 [1] to input1 [k]. As a third step, the second switch 907 1 ~ 907m cut off, the first switch 908 1 ˜908 m is turned on.
[0055]
Threshold data holding circuit 904 1 ˜904 m, ferroelectric capacitor 906 1 ˜906m is the second switch 907 1 The ferroelectric capacitor 906 from the control variable input terminals input2 [1] to input2 [m] even after .about.907m is cut off. 1 Even after the control variable to ˜906 m is removed, the amount of charge is retained for spontaneous polarization. Thus, charge redistribution on the gate electrode 902 is performed depending on the potential of each terminal capacitively coupled to the gate electrode 902 of the field effect transistor 901, the potential of the gate electrode 902 is determined, and the number of states of the input variable The switching point (transistor threshold value) of the on / off operation of the field effect transistor 901 with respect to (state quantity of input variable) is maintained. The transistor threshold value of the field effect transistor 901 can be set to an arbitrary value by a combination of control variables to the control variable terminals input2 [1] to input2 [m].
[0056]
[Embodiment 4: Basic Configuration of νMOS Inverter Circuit Using Capacitively Coupled Input Field Effect Transistor with Switch]
FIG. 10 is a circuit configuration diagram showing a basic configuration of a νMOS inverter circuit using the capacitively coupled input field effect transistor 900 having the switch shown in FIG. In this νMOS inverter circuit 1000, the input variable terminals input1 [1] to input1 [k] are connected to the floating gate FG of the νMOS inverter INV by a paraelectric capacitor C. 1 Are coupled via .about.Ck, and the control variable terminal input2 is coupled via the threshold data holding circuit HLD. The threshold data holding circuit HLD is constituted by a series connection circuit of a ferroelectric capacitor Cp and a paraelectric capacitor Cv. Further, in the threshold data holding circuit HLD, a first switch SW1 for connecting or blocking between the terminals P1 and P2 is connected between the terminals P1 and P2 of the ferroelectric capacitor Cp, and the control variable input terminal. A second switch SW2 is connected between input2 [1] and the terminal P1 of the ferroelectric capacitor Cp.
[0057]
In FIG. 10, a νMOS inverter INV is a non-linear circuit that performs threshold processing in a variable threshold threshold element circuit, and causes logic inversion when the potential of the floating gate FG exceeds a certain logic threshold. In this example, a νMOS inverter composed of a p-channel field effect transistor (PMOSFET) Q1 and an n-channel field effect transistor (NMOSFET) Q2 is used as the nonlinear circuit. For example, FIG. 11A, FIG. It is good also as a circuit structure as shown to a) and (b).
[0058]
FIG. 11A shows a configuration in which a load impedance element Zi is connected to an n-channel field effect transistor Q2, and FIG. 11B shows a configuration in which a load impedance element Zi is connected to a p-channel field effect transistor Q1. FIG. 12A shows a configuration in which a resistor R is connected to the n-channel field effect transistor Q2 instead of the load impedance Zi, and FIG. 12B shows a p-channel instead of the load impedance Zi to the n-channel field effect transistor Q2. The field effect transistor Q1 is connected. In FIG. 12B, the p-channel field effect transistor Q1 and the n-channel field effect transistor Q2 may be interchanged. Even with such a circuit configuration, it is possible to operate as a threshold processing circuit and use it as a threshold element circuit, similarly to the νMOS inverter circuit INV shown in FIG.
[0059]
〔Initial setting〕
In the νMOS inverter circuit 1000 shown in FIG. 19, when the switch SW2 is in the connected state and the switch SW1 is in the cut-off state, the charge amount Qfe appearing at the terminal P1 on one side, which is the electrode of the ferroelectric capacitor Cp, The relationship between the potential Vfe1 of the terminal P1 and the potential Vfe2 of the other terminal P2 is derived as follows.
[0060]
First, the potentials of the input variable terminals input1 [1] to input1 [k] are sequentially set to V. 1 , V 2 ,..., Vk, the potential of the control variable terminal input2 is Vfe1, the potential of the terminal P2 is Vfe2, and the potential of the floating gate FG is Vfg. The capacitance values between the input variable terminals input1 [1] to input1 [k] and the floating gate FG are sequentially set to C. 1 , C 2 ,..., Ck. In addition, the capacitance value between the terminal P2 and the floating gate FG is Cv, and the capacitance value between the floating gate FG and each terminal of the field effect transistors Q1 and Q2 is collectively Cmos. Cmos is ΣCi = C 1 + C 2 It is assumed that this temporary capacitance Cmos exists between the floating gate FG and the ground.
[0061]
FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the charge amount Qfe appearing at one terminal P1 of the ferroelectric capacitor Cp and the voltage (Vfe1−Vfe2) across the ferroelectric capacitor Cp. If the initial charge amount at the terminal P2 is 0, the charge amount of Qfe is also induced on the terminal P2 side of the paraelectric capacitance Cv from the law of conservation of charge. Therefore, the following equation holds for the paraelectric capacitor Cv.
[0062]
[Expression 1]
Figure 0003668186
[0063]
Next, attention is paid to the charge amount storage of the floating gate FG. As described above, the initial charge amount of the floating gate FG is assumed to be zero.
[0064]
[Expression 2]
Figure 0003668186
[0065]
Applying the relationship of ΣCi >> Cmos to equation (2) and solving for Vfg, the following equation is obtained.
[0066]
[Equation 3]
Figure 0003668186
[0067]
From equations (1) and (3), the relationship between Qfe and (Vfe1−Vfe2) is
[0068]
[Expression 4]
Figure 0003668186
[0069]
Now, assume that the power supply potential is Vdd and the ground potential is 0. The case where Vi = 0 and Vfe1 = 0 for all input variable terminals input1 is (I), and the case where Vi = 0 and Vfe1 = Vdd for all input variable terminals input1 is (II). The case where Vi = Vdd and Vfe1 = 0 is set for the input variable terminal input1 (III), and the case where Vi = Vdd and Vfe1 = Vdd is set for all the input variable terminals input1 is set (IV).
[0070]
In FIG. 13, the cases (I) and (III) described above are straight lines that pass through the origin and have an inclination of −CvΣCi / (Cv + ΣCi). In the case of (II), the point A0 in FIG. 13 can be set as the intersection point due to the relationship between the hysteresis loop and each capacitance value. In the case of (IV), the point B0 can be set as the intersection point as in (II). The cases (II) and (IV) are two initial settings.
[0071]
[Threshold retention method]
After the initial setting described above, the switch SW2 in FIG. 10 is turned off and the switch SW1 is turned on. As a result, the terminal P1 and the terminal P2 have the same potential, and (Vfe1-Vfe2) = 0. Thereby, when it is A0 point by the initial setting, it shifts to A1 point, and when it is B0 point, it shifts to B1 point. By this operation, the charge quantity Q due to remanent polarization at each of the points A1 and B1. A1 , Q B1 Is held in a nonvolatile manner.
[0072]
Q is connected to the terminal P1 of the ferroelectric capacitor Cp. A1 Or Q B1 When the same amount of charge appears, the same amount of charge of opposite polarity appears at the terminal P2 of the paraelectric capacitor Cv. FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the potential Vfg of the floating gate FG in FIG. is there. Further, Csum in FIG. 14 means ΣCi, and Vdd / 2 means (1/2) the potential of the power supply potential.
[0073]
When viewed from the floating gate FG, whether or not the subsequent νMOS inverter INV is logically inverted depends on the electrical characteristics of the p-channel field effect transistor Q1 and the n-channel field effect transistor Q2 constituting the νMOS inverter INV. In FIG. 14, it is assumed that the output potential of the νMOS inverter INV becomes Vdd / 2 when the floating gate potential Vfg is Vdd / 2. The switch SW1 in FIG. 10 is in a connected state, and Q is connected to the terminal P1 of the ferroelectric capacitor Cp. A1 Or Q B1 Since the same amount of charge is held in the capacitor Cv, the following equation holds for each held charge amount.
[0074]
[Equation 5]
Figure 0003668186
[0075]
The ΣCi · Vi coordinates of the intersections of Equation (5), Equation (6), and Vdd / 2 are α A And α B It becomes. If equation (5) holds, the product-sum value for the first time when a combination of Vi, which is a physical representation of the input variable, is α A , The νMOS inverter INV in FIG. 10 causes logic inversion. If equation (6) holds, the product-sum value for the first time when a combination of Vi, which is a physical representation of the input variable, is α B , The νMOS inverter INV in FIG. 10 causes logic inversion. In this way, it is possible to make the threshold value as seen from the input variable variable and hold the threshold value in a nonvolatile manner.
[0076]
Next, in order to clarify the operation as a logic circuit, the variables in FIG. 14 are changed. First, for simplification, in the νMOS inverter circuit 1000 of FIG. 10, the capacitance values between the input variable terminals input1 [1] to input1 [k] and the floating gate FG are all set equal to C. Making the weight of the input variable equal in the threshold element means that the number of states formed by the input variable, that is, the number of input states is (k + 1), and represents a symmetric function.
[0077]
In order to express a logical function that is not a symmetric function, the weights of each input variable are expressed in Reference 8 (Kazuo Aoyama, Hiroshi Sawada, Akira Nagoya, A design method for a logic function circuit using neuron MOS, 13th Circuit and System (Karuizawa) This can be realized by applying the input vector identification method shown in Workshop 2000). As an example, for an integer i of (1 ≦ i ≦ k), the capacitance value between the i-th input variable terminal and the floating gate FG is expressed as C · 2 i-1 There is a way to set.
[0078]
In this embodiment, the case of a symmetric function will be described for simplification. FIG. 15 is a diagram illustrating the relationship between the number of input states and the normalized floating gate potential in the νMOS inverter circuit 1000. Now, (Vi / Vdd) = Xi and ΣXi = X 1 + X 2 ... + Xk = Z, Vfg = Vdd = Ufg. Xi corresponds to the logical value of the input variable. The aforementioned Ufg is referred to as a normalized floating gate potential. Q A1 = (K ・ C ・ Vdd) = U A1 , Q B1 = (K ・ C ・ Vdd) = U B1 And At this time, the equations (5) and (6) are changed to the following equations.
[0079]
[Formula 6]
Figure 0003668186
[0080]
The Z coordinate of the intersection of each equation and (1/2) is Z A , Z B Represented by 1 <Z A <2, 3 <Z B If <4, the νMOS inverter circuit 1000 is set so that the number of input states has a threshold value between 1 and 2 or between 3 and 4.
[0081]
[Embodiment 5: Threshold adjustment method and circuit configuration of νMOS inverter circuit capable of threshold adjustment]
FIG. 16 is a diagram illustrating a νMOS inverter circuit to which a terminal for supplying a fixed potential is added. Similar to the νMOS inverter circuit 1000 shown in FIG. 10, this νMOS inverter circuit 1600 has input variable terminals input1 [1] to input1 [k], has a control variable terminal input2, and has a non-volatile threshold value. It has a threshold data holding circuit HLD including a ferroelectric capacitor Cp to hold. The circuit 1600 is different from the circuit 1000 in that it has a terminal connected to a fixed potential. Specifically, it has a terminal Pvdd connected to the power supply potential Vdd and a terminal Pgnd connected to the ground potential. Although the power supply potential and the ground potential are mentioned as the fixed potential, the same effect can be obtained with respect to the adjustment of the threshold value even if other potentials are used.
[0082]
Next, the effect of the added terminals Pvdd and Pgnd will be described. FIG. 17 is a diagram illustrating the relationship between the number of input states Z and the normalized floating gate potential Vfg / Vdd = Ufg in the circuit 1600 of FIG. The capacitance value between the terminal Pvdd and the floating gate FG in FIG. 16 is Cvdd, and the capacitance value of FG between the terminal Pgnd and the floating gate is Cgnd. At this time, assuming that C′sum = k · C + Cvdd + Cgnd, the same expressions as Expression (5) and Expression (6) become Expression (9) and Expression (10), respectively.
[0083]
[Expression 7]
Figure 0003668186
[0084]
When the equations (9) and (6) are normalized by the power supply potential, the following equation is obtained.
[0085]
[Equation 8]
Figure 0003668186
[0086]
Here, the definition of the number of input states Z is the same as described above, Uvdd = (Cvdd / C′sum), and U ′ A1 = Q A1 = (Vdd · C'sum), U ' B1 = Q B1 = (Vdd · C'sum). Cvdd is the sum of C′sum and (Udd + U ′) in equations (11) and (12). A1 ) Or (Udd + U ' B1 ), While Cgnd is C'sum and U ' A1 Or U ' B1 Contribute to. The two capacitance values can change the intercept of the straight line A or line B in FIG. 17 and the Ufg axis. Thus, by using a terminal connected to a fixed potential, a threshold value Z ′ which is the Z coordinate of the intersection with Ufg = 1/2. A Or Z ' B Can be set to an arbitrary value of Z.
[0087]
[Circuit configuration of threshold data holding circuit]
FIG. 18 is a diagram showing a specific circuit of threshold data holding circuit HLD in FIG. This is a circuit configuration in which the switches SW2 and SW1 in FIG. 16 are replaced with transmission gates TG1 and TG2, respectively. A terminal ctl3 is a switch control signal input terminal that controls connection or disconnection between the transmission gates TG1 and TG2. The signal input from the terminal ctl3 is logically inverted by the inverter circuit inv2. When the signal input from the terminal ctl3 is the logical value “1”, the transmission gate TG2 is in the connected state and the transmission gate TG1 is in the cutoff state. On the contrary, when the signal is a logical value “0”, the transmission gate TG2 is cut off, the transmission gate TG1 is connected, and the electric charge due to remanent polarization is held in the ferroelectric capacitor Cp.
[0088]
[Embodiment 6]
In the sixth embodiment, a circuit configuration in which one threshold value can be selected from a plurality of settable threshold values and held in a nonvolatile manner will be described. In the fifth embodiment, one threshold value is selected from two settable threshold values. On the other hand, in the sixth embodiment, the number of thresholds that can be set is larger than two.
[0089]
FIG. 19 is a configuration diagram of a k-input variable νMOS inverter circuit capable of holding one threshold selected from a plurality of settable thresholds in a nonvolatile manner. This νMOS inverter circuit 1900 has a circuit configuration in which a plurality of threshold data holding circuits HLD in the same circuit are added to the νMOS inverter circuit 1600 of FIG. Assume that there are m threshold value data holding circuits HLD in the circuit 1900 of FIG. Threshold data holding circuit HLD 1 ~ Two charge quantities Q 'held in HLDm A1 And Q ' B1 Is all threshold data holding circuit HLD 1 It is assumed that each is equal in ~ HLDm. That is, as the total amount of charges held, (m · Q ′ B1 ) To (m · Q ' A1 (M + 1) total charge amounts up to () can be held.
[0090]
FIG. 20 is a diagram showing the relationship between the number of input states Z and the normalized floating gate potential Ufg in the νMOS inverter circuit 1900 of FIG. In FIG. 20, line [m] has a total charge amount of (m · Q ′. A1 ) Represents the relationship between Ufg and Z, and line [m−1] is ((m−1) · Q ′. A1 + Q ' B1 The line [m-2] is the same, and the line [2] is (2 · Q ′ A1 + (M-2) · Q ' B1 The same applies to line [1] and line [0].
[0091]
At this time, each of line [m], line [m-1], line [m-2],..., Line [2], line [1], line [0] is Ufg = (1/2 ) And the Z coordinate of the intersection is Z m , Z m-1 , Z m-2 ... Z 2 , Z 1 , Z 0 It becomes. The νMOS inverter circuit 1900 has (m + 1) settable threshold values when all of these values do not overlap each other and become a value between certain integers Z and Z + 1.
[0092]
Further, the switch SW2 in FIG. 1 ~ SW2m is connected, switch SW1 1 ~ When (m + 1) threshold values are set according to the potentials input from the m terminals from the control variable terminals input2 [1] to input2 [m] during initialization when SW1m is in the cut-off state One threshold is selected from the switch SW2 1 ~ SW2m is cut off, switch SW1 1 When the switch SW1m is in a connected state, the selected one threshold value is held in a nonvolatile manner.
[0093]
Embodiment 7 Integrated Function Function Reconfigurable Integrated Circuit
FIG. 21 shows a function function reconfigurable integrated circuit capable of realizing an arbitrary two-input variable symmetric function using a variable threshold threshold element circuit of two input variables capable of holding the threshold value in a non-volatile manner in a multistage configuration. It is a figure showing the structure of (2 input variable variable function circuit). The two-input variable variable function circuit 2100 has input variable terminals input1 [1] and input1 [2], and has the same circuit configuration as the νMOS inverter circuit 1600 shown in FIG. 16, FTE [1], FTE [2]. , FTE [3], and input2 [1], input2 [2], input2 [3] as terminals for control variables input to the FTE [1], FTE [2], and FTE [3] at the time of initialization. Threshold data holding circuit HLD in FTE [1], FTE [2], FTE [3] 1 , HLD 2 , HLD Three Has a control terminal ctl1 for switching between initialization (threshold setting period) and function execution (threshold holding period).
[0094]
Note that the νMOS inverter circuit 2100 has buffer circuits BF [1], BF [2], and BF [3] at the subsequent stage of FTE [1], FTE [2], and FTE [3]. The buffer circuits BF [1], BF [2], and BF [3] amplify and shape the output potential of the FTE [1], FTE [2], and FTE [3]. The input variable terminals input1 [1] and input1 [2] have delay time control circuits DEL [1] and DEL [2] in front of the terminals capacitively coupled to the floating gate FG [S].
[0095]
By having the delay time control circuits DEL [1] and DEL [2], signals input from the input variable terminals input1 [1] and input1 [2] to the terminals capacitively coupled to the floating gate FG [S]; A signal input to a terminal capacitively coupled to the floating gate FG [S] via the FTE [1], FTE [2], FTE [3] and the buffer circuit BF [1], BF [2], BF [3]. It is possible to reduce the difference in signal delay time from By reducing the signal delay time difference, it is possible to avoid a hazard that occurs when a plurality of signals change simultaneously in the multi-input combinational circuit.
[0096]
Input variables from input1 [1] and input1 [2] and output signals from FTE [1], FTE [2] and FTE [3] are capacitively coupled to the floating gate FG [S] by a paraelectric capacitor. Input to the terminal. At the subsequent stage of the floating gate FG [S], there is a νMOS inverter INV [S] having the floating gate FG [S] as an input gate. The output of the νMOS inverter circuit INV [S] ] Is then output.
[0097]
[Operation]
In FTE [1], FTE [2], and FTE [3], the threshold data holding circuit is HLD. 1 ˜HLDm is determined by the initial setting method described above, Q ′ A1 And Q ' B1 The charge amount of either one or the similar charge amount is retained. Further, according to the circuit configuration and method for threshold adjustment described above, the threshold value of FTE [1] is set to either the region where the input state number Z is Z <0 or the region where 0 <Z <1. The threshold value of FTE [2] is set in one of the areas 0 <Z <1 or 1 <Z <2, and the threshold value of FTE [3] is 1 <Z <2 or Z> 2 is set in one of the regions.
[0098]
In addition, in FTE [1], FTE [2], and FTE [3], input variable terminals input1 [1], input1 [2] and floating gates FG [1], FG [2], FG [3] It is assumed that the capacitance values of the paraelectric capacitors are all equal to each other, and the capacitance values of the paraelectric capacitors that are capacitively coupled to the floating gate FG [S] are all equal to each other.
[0099]
FIG. 22 is a diagram showing a typical variable threshold threshold element circuit network that logically describes the two-input variable variable function circuit 2100 shown in FIG. It is assumed that the variable threshold threshold element circuits FTE [1], FTE [2], and FTE [3] in FIG. 22 are all negative output type circuits. That is, when the sum of products of the input variable and the weight coefficient is larger than the threshold value, a logical value “0” is output, and when the sum is smaller, a logical value “1” is output. In addition, the weighting factor for the input variable is set to 1 for simplification.
[0100]
The FTE [1] in FIG. 22 can selectively hold one of the threshold values of −0.5 or +0.5 depending on the signal input from the control variable terminal input2 [1], and the FTE [2] is controlled. A threshold value of either 0.5 or +1.5 can be selected and held by a signal input from the variable input terminal input2 [2], and FTE [3] is input from the control variable terminal input2 [3]. Depending on the signal, either the threshold value of 1.5 or 2.5 can be selected and held, and the STE threshold value is set to 2.5.
[0101]
Further, as threshold values of FTE [1], FTE [2], and FTE [3], a logical value “1” is set from control variable terminals input2 [1], input2 [2], and input2 [3] at the initial setting. A large value is selected when input, and a small value is selected when a logical value “0” is input.
[0102]
Assume that 0.5, 0.5, and 2.5 are selected and held as threshold values for FTE [1], FTE [2], and FTE [3], respectively. For an input state number of 0, the outputs of FTE [1], FTE [2], FTE [3] are logical values “1”, “1”, “1”, and the product-sum value of the STE input is 3 The output is a logical value “0”. For the number of input states 1, the outputs of FTE [1], FTE [2], FTE [3] are logical values “0”, “0”, “1”, and the product-sum value of the STE input is 2 The output is a logical value “1”. For the number of input states 2, the outputs of FTE [1], FTE [2], FTE [3] are logical values “0”, “0”, “1”, and the product-sum value of the STE input is 3 The output is a logical value “0”.
[0103]
In this way, by setting the signals input from the control variable terminals input2 [1], input2 [2], input2 [3] to logical values “1”, “0”, “1”, XOR (Exclusive-OR ) Can be realized. Similarly to the above, when the logical value of the signal input from the control variable terminals input2 [1], input2 [2], input2 [3] is (0, 0, 0), the function 1 is set to (1, 0 , 0), XNOR for (0, 1, 0), AND for (1, 1, 0), NAND for (0, 0, 1), (0 , 1, 1), NOR can be realized, and (1, 1, 1) can realize function 0.
[0104]
As described above, in this two-input variable variable function circuit 2100, an arbitrary symmetric function is realized by the charge amount corresponding to the control variable value held in FTE [1], [2], [3]. Is possible. This function is the threshold data holding circuit HLD. 1 Since the ferroelectric capacitor Cp is used for .about.HLDm, it is held in a nonvolatile manner. Thereby, the problem of malfunction over time can be solved, and the two-input variable variable function circuit 2100 can be used stably for a long period of time.
[0105]
In the seventh embodiment, two input variables are used. However, the same configuration can be applied to an arbitrary natural number k. An arbitrary logic function can be realized by changing the value of the weighting coefficient and appropriately increasing the number of first-stage FTEs in the two-stage logic circuit.
[0106]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the variable threshold threshold element circuit of the present invention, the control for controlling the threshold value is performed via the series connection circuit of the ferroelectric capacitor and the paraelectric capacitor. Since one or more control variable terminals that propagate the variable are coupled to the gate electrode of the threshold element, the threshold value is held in a nonvolatile manner by the amount of charge held in the ferroelectric capacitor in a non-volatile manner, and malfunctions with time It becomes possible to solve the problem.
[0107]
In addition, by configuring a function function reconfigurable integrated circuit using the variable threshold threshold element circuit of the present invention, the function can be reconfigured at high speed, and the function can be held in a nonvolatile manner. This makes it possible to use an integrated circuit having a reconfigurable interfunction function for a long period of time.
[0108]
Functional function reconfigurable integrated circuits can be applied not only as prototypes for special-purpose LSIs, but also with evolved hardware and systems that adaptively change function functions according to input / output signals even after manufacturing. There are a wide range of application fields such as application to a reconfigurable computing system capable of switching function functions even during operation and using hardware resources with high efficiency. As described above, when the function is dynamically changed during operation of the system or the function is changed in accordance with the input / output signal, it is desirable that the function function is rewritten as fast as possible. Further, it is desirable that the function function once stored can be retained until an erase or write command is received, and the state can be retained even after the power is turned off. The functional function reconfigurable integrated circuit of the present invention can meet such a demand.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a ferroelectric capacitor used in a ferroelectric memory.
FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship between a voltage V and a charge amount Q when a voltage V is applied between terminals of a ferroelectric capacitor.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a field effect transistor having a MFMIS type ferroelectric capacitor disclosed in Document 5. FIG.
4 is a circuit diagram showing a field effect transistor having a MFMIS type ferroelectric capacitor disclosed in Document 6. FIG.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a field effect transistor having a MFMIS type ferroelectric capacitor disclosed in Document 7. FIG.
FIG. 6 is a circuit diagram showing an MFMIS field effect transistor used in the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a circuit diagram of a capacitively coupled input field effect transistor showing one embodiment of a variable threshold threshold element circuit of the present invention.
FIG. 8 is a circuit configuration diagram showing a basic configuration of a νMOS inverter circuit using this capacitively coupled input type field effect transistor.
FIG. 9 is a circuit diagram of a capacitively coupled input field effect transistor having a switch.
FIG. 10 is a circuit configuration diagram showing a basic configuration of a νMOS inverter circuit using a capacitively coupled input field effect transistor having this switch.
11 is a circuit diagram showing another configuration example of a nonlinear circuit that performs threshold processing in the νMOS inverter circuit shown in FIG. 10;
12 is a circuit diagram showing another configuration example of a nonlinear circuit that performs threshold processing in the νMOS inverter circuit shown in FIG. 10;
FIG. 13 is a diagram showing a relationship between a charge amount Qfe appearing at one terminal of a ferroelectric capacitor and a voltage (Vfe1−Vfe2) at both ends sandwiching the ferroelectric capacitor.
14 is a diagram showing the relationship between the potential Vfg of the floating gate in the νMOS inverter circuit shown in FIG. 10, the product sum of the potential Vi inputted to the input variable terminal, and the capacitance value Ci.
15 is a diagram illustrating the relationship between the number of input states Z and the normalized floating gate potential in the νMOS inverter circuit illustrated in FIG.
FIG. 16 is a diagram illustrating a νMOS inverter circuit to which a terminal for supplying a fixed potential is added.
17 is a diagram showing the relationship between the number of input states Z and the normalized floating gate potential Ufg in the νMOS inverter circuit shown in FIG.
FIG. 18 is a diagram illustrating a specific circuit of a threshold data holding circuit.
FIG. 19 is a block diagram of a k-input variable νMOS inverter circuit capable of holding one threshold selected from a plurality of settable thresholds in a nonvolatile manner.
20 is a diagram showing the relationship between the number of input states Z and the normalized floating gate potential Ufg in the νMOS inverter circuit shown in FIG. 19;
FIG. 21 is a functional reconfigurable integrated circuit capable of realizing an arbitrary two-input variable symmetric function using a variable-threshold threshold element circuit of a two-input variable capable of holding a threshold in a non-volatile manner in a multistage configuration. It is a figure showing the structure of (2 input variable variable function circuit).
FIG. 22 is a diagram showing a typical threshold element circuit network in which the two-input variable variable function circuit is logically described.
FIG. 23 is a circuit diagram showing a conventional k-input variable νMOS inverter circuit having a variable threshold function.
FIG. 24 is a diagram showing a typical circuit configuration of a k-input variable νMOS inverter circuit having a conventional circuit state holding function;
FIG. 25 is a diagram illustrating an example (two-input variable variable function circuit) of a functional function reconfigurable integrated circuit using the νMOS inverter circuit illustrated in FIG. 24;
[Explanation of symbols]
700: capacitively coupled input type field effect transistor, 701: field effect transistor, input1 [1] to input1 [k] ... input variable terminal, input2 [1] to input2 [m] ... control variable terminal, 702 ... gate electrode 703 1 ˜703k, paraelectric capacity, 704 1 ˜704m... Threshold data holding circuit, 705 1 ~ 705m ... Paraelectric capacity, 706 1 ˜706 m Ferroelectric capacity, 800 νMOS inverter circuit, HLD 1 ~ HLDm ... Threshold data holding circuit, C 1 ~ Ck, C v1 ~ C vm ... paraelectric capacitance, C p1 ~ C pm ... Ferroelectric capacity, FG ... floating gate, INV ... νMOS inverter, Q1 ... p-channel field effect transistor, Q2 ... n-channel field effect transistor, 900 ... νMOS inverter circuit, 901 ... field effect transistor, 902 ... gate electrode, 903 1 ~ 903k ... Paraelectric capacity, 904 1 ... 904 m... Threshold data holding circuit, 905 1 ~ 905m ... Paraelectric capacity, 906 1 ˜906 m. Ferroelectric capacity, 907 1 ~ 907m ... the second switch, 908 1 ... 908 m... 1st switch, 2100... 2 input variable variable function circuit, ctl1, ctl2... State control terminal, FTE [1] to FTE [3]. Inverter circuit, FG [1] to FG [3], FG [S] ... floating gate, BF [1] to BF [3], BF [S] ... buffer circuit, DEL [1] to DEL [2] ... delay Control circuit, INV [1] to INV [3], INV [S]... ΝMOS inverter.

Claims (11)

電気的にフローティング状態とされたゲート電極を有し、このゲート電極に与えられる入力変数の状態量が、設定されているしきい値を越えた時に動作するしきい素子と、
このしきい素子のゲート電極に常誘電体容量を介して結合され、前記入力変数を伝搬する第1〜第k(k>1)の入力変数用端子と、
前記しきい素子のゲート電極に強誘電体容量と常誘電体容量との直列接続回路を介して結合され、前記しきい値を制御する制御変数を伝搬する1以上の制御変数用端子と
を備えたことを特徴とする可変しきい値しきい素子回路。
A threshold element that has an electrically floating gate electrode and operates when a state quantity of an input variable given to the gate electrode exceeds a set threshold value;
First to kth (k> 1) input variable terminals that are coupled to the gate electrode of the threshold element via a paraelectric capacitor and propagate the input variable;
One or more control variable terminals that are coupled to the gate electrode of the threshold element via a serial connection circuit of a ferroelectric capacitor and a paraelectric capacitor and propagate a control variable that controls the threshold value. A variable threshold threshold element circuit characterized by that.
請求項1に記載された可変しきい値しきい素子回路において、
前記直列接続回路における常誘電体容量の一端が前記ゲート電極に接続され、
この常誘電体容量の他端が前記強誘電体容量の一端に接続され、
前記強誘電体容量の一端と他端との間に第1のスイッチが接続され、
前記強誘電体容量の他端と前記制御変数用端子との間に第2のスイッチが接続されている
ことを特徴とする可変しきい値しきい素子回路。
The variable threshold threshold device circuit of claim 1, wherein
One end of a paraelectric capacitor in the series connection circuit is connected to the gate electrode,
The other end of this paraelectric capacitor is connected to one end of the ferroelectric capacitor,
A first switch is connected between one end and the other end of the ferroelectric capacitor;
2. A variable threshold threshold element circuit, wherein a second switch is connected between the other end of the ferroelectric capacitor and the control variable terminal.
請求項2に記載された可変しきい値しきい素子回路において、
前記第1のスイッチおよび第2のスイッチが電界効果トランジスタによって構成されている
ことを特徴とする可変しきい値しきい素子回路。
The variable threshold threshold element circuit of claim 2 wherein:
The variable threshold threshold element circuit, wherein the first switch and the second switch are constituted by field effect transistors.
請求項1〜3の何れか1項に記載された可変しきい値しきい素子回路において、
前記しきい素子が電界効果トランジスタとされ、
この電界効果トランジスタのソース端子およびドレイン端子の何れか一方が電気的に負荷となる素子を構成要素とする回路に接続されている
ことを特徴とする可変しきい値しきい素子回路。
In the variable threshold threshold element circuit according to any one of claims 1 to 3,
The threshold element is a field effect transistor;
A variable threshold threshold element circuit, wherein either one of a source terminal and a drain terminal of the field effect transistor is connected to a circuit having an element that is an electrical load as a constituent element.
請求項4に記載された可変しきい値しきい素子回路において、
前記電気的に負荷となる素子が抵抗であることを特徴とする可変しきい値しきい素子回路。
The variable threshold threshold device circuit of claim 4, wherein
A variable threshold threshold element circuit, wherein the electrically load element is a resistor.
請求項4に記載された可変しきい値しきい素子回路において、
前記電気的に負荷となる素子が前記電界効果トランジスタとは電気的に逆の極性の電荷を輸送する電界効果トランジスタであることを特徴とする可変しきい値しきい素子回路。
The variable threshold threshold device circuit of claim 4, wherein
2. The variable threshold threshold element circuit according to claim 1, wherein the electrically loaded element is a field effect transistor that transports charges having a polarity opposite to that of the field effect transistor.
請求項1〜3の何れか1項に記載された可変しきい値しきい素子回路において、
前記しきい素子が第1の電界効果トランジスタとこの第1の電界効果トランジスタとは電気的に逆の極性の電荷を輸送する第2の電界効果トランジスタとを構成要素とするインバータ回路である
ことを特徴とする可変しきい値しきい素子回路。
In the variable threshold threshold element circuit according to any one of claims 1 to 3,
The threshold element is an inverter circuit including a first field-effect transistor and a second field-effect transistor that transports electric charges having a polarity opposite to that of the first field-effect transistor. A characteristic variable threshold threshold element circuit.
可変しきい値しきい素子回路を多段接続して構成された関数機能再構成可能集積回路において、
多段接続された可変しきい値しきい素子回路の少なくとも1つが請求項1〜7の何れか1項に記載された可変しきい値しきい素子回路とされている
ことを特徴とする関数機能再構成可能集積回路。
In a function-function reconfigurable integrated circuit configured by connecting multiple stages of variable threshold threshold element circuits,
8. The function function re-actuating method, wherein at least one of the variable threshold threshold element circuits connected in multiple stages is the variable threshold threshold element circuit according to any one of claims 1 to 7. Configurable integrated circuit.
可変しきい値しきい素子回路を多段接続して構成された関数機能再構成可能集積回路において、
複数の可変しきい値しきい素子回路によって初段の可変しきい値しきい素子回路が構成され、
この初段の可変しきい値しきい素子回路の少なくとも1つが請求項1〜7の何れか1項に記載された可変しきい値しきい素子回路とされている
ことを特徴とする関数機能再構成可能集積回路。
In a function-function reconfigurable integrated circuit configured by connecting multiple stages of variable threshold threshold element circuits,
The first stage variable threshold threshold element circuit is configured by a plurality of variable threshold threshold element circuits,
A function function reconfiguration characterized in that at least one of the first-stage variable threshold threshold element circuits is the variable threshold threshold element circuit according to any one of claims 1 to 7. Possible integrated circuit.
請求項1に記載された可変しきいしきい素子回路に適用される回路状態保持方法であって、
前記制御変数用端子から制御変数を入力する第1ステップと、
前記入力変数用端子から入力変数を入力する第2ステップと、
この第2ステップの後あるいは前記第1ステップと第2のステップとの間で前記制御変数用端子に入力されている制御変数を取り去る第3ステップと
を備えたことを特徴とする回路状態保持方法。
A circuit state holding method applied to the variable threshold element circuit according to claim 1,
A first step of inputting a control variable from the control variable terminal;
A second step of inputting an input variable from the input variable terminal;
A circuit state holding method comprising: a third step of removing the control variable input to the control variable terminal after the second step or between the first step and the second step. .
請求項2に記載された可変しきい値しきい素子回路に適用される回路状態保持方法であって、
前記第1のスイッチを遮断状態にし、前記第2のスイッチを導通状態とする第1ステップと、
この第1ステップの後、前記制御変数用端子から制御変数を入力するとともに、前記入力変数用端子から入力変数を入力する第2ステップと、
この第2ステップの後、前記第2のスイッチを遮断状態にし、前記第1のスイッチを導通状態とする第3ステップと
を備えたことを特徴とする回路状態保持方法。
A circuit state holding method applied to the variable threshold threshold element circuit according to claim 2,
A first step in which the first switch is turned off and the second switch is turned on;
After this first step, a second step of inputting a control variable from the control variable terminal and an input variable from the input variable terminal;
After the second step, a circuit state holding method comprising: a third step of putting the second switch into a cut-off state and bringing the first switch into a conductive state.
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