JP5388002B2 - Analog-digital conversion element - Google Patents
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Description
本発明は、アナログ−ディジタル変換素子に関し、特に単一電子トランジスタのクーロン・ブロッケイド(Coulomb blokade)動作を用いた電子回路部材に適用し得るものである。 The present invention relates to an analog-digital conversion element, and is particularly applicable to an electronic circuit member using a Coulomb blockade operation of a single electron transistor.
この種の単一電子トランジスタを利用した電子回路部材として、特許文献1に記載のものが提案されている。
単一電子トランジスタは、微小絶縁層を間に挟んで一対の導電層を接合してなる第1及び第2の接合部を有し、当該第1及び第2の接合部の一方の導電層を互いに接続して伝導島を形成すると共に第1及び第2の接合部の他方の導電層をそれぞれドレイン電極及びソース電極としてバイアス電源に接続すると共に、ゲート信号源をゲート側容量を介して伝導島に接続する。 The single-electron transistor has a first and second junction part formed by joining a pair of conductive layers with a minute insulating layer interposed therebetween, and one conductive layer of the first and second junction parts is provided. Connected to each other to form a conductive island, and the other conductive layer of the first and second junctions is connected to a bias power source as a drain electrode and a source electrode, respectively, and the gate signal source is connected to the conductive island through the gate side capacitor. Connect to.
かくして、ゲート信号源から伝導島に与えられる電荷量に応じて第1及び第2の接合部にトンネル電荷が1つずつトンネル動作させることにより、伝導島の電荷量をゲート信号によって制御できるような単一電子トランジスタが形成される。 In this way, the tunnel charge can be controlled by the gate signal by tunneling one tunnel charge at each of the first and second junctions in accordance with the amount of charge given to the conduction island from the gate signal source. A single electron transistor is formed.
この単一電子トランジスタは、バイアス電源からドレイン電極を構成する第1の接合部又はソース電極を構成する第2の接合部をトンネル動作させることにより電子を1つずつ注入し又は引き出すことができるので、10−6eまでの微小な電荷の変化量をゲート信号に対応させて検知することができる。 This single electron transistor can inject or extract electrons one by one by tunneling the first junction constituting the drain electrode or the second junction constituting the source electrode from the bias power source. It is possible to detect a minute change amount of charge up to 10 −6 e in correspondence with the gate signal.
ところが単一電子トランジスタは基本的に、ゲート信号がアナログ的に連続的な変化をした場合には、これに応じて伝導島にブロッケイドされる電荷量も連続的な変化をすることになり、ゲート信号に対してディジタル的に離散した信号を得たい場合に、電子回路部材としての機能が不充分である。 However, a single-electron transistor basically has a continuous change in the amount of charge blocked on the conduction island when the gate signal changes in an analog manner. When it is desired to obtain a digitally discrete signal with respect to the signal, the function as an electronic circuit member is insufficient.
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、アナログ入力信号が与えられたとき、これをディジタル信号として出力し得るようにしたアナログ−ディジタル変換素子を提案しようとするものである。 The present invention has been made in consideration of the above points, and intends to propose an analog-to-digital conversion element which can output an analog input signal as a digital signal when given.
かかる課題を解決するため本発明においては、ドレイン電極側接合部11とソース電極側接合部12との接続部分に第1の伝導島13を形成してなる単一電子トランジスタ部2と、微小絶縁層21Aを挟むように一対の導電層21B及び21Cを接合したゲート電極側接合部21を有し、一対の導電層21B及び21Cの一方に入力電圧Vinを受けると共に他方を第2の伝導島24に接続してなる量子化器部3と、量子化器部3の第2の伝導島24と単一電子トランジスタ部2の第1の伝導島13とを結合する結合用コンデンサ23とを設けるようにすると共に、量子化器部3の第2の伝導島24の浮遊容量により形成された入力側容量の容量値と、結合用コンデンサ23の容量値とを等しい値に選定するようにする。 In order to solve such a problem, in the present invention, the single electron transistor portion 2 formed by forming the first conductive island 13 in the connection portion between the drain electrode side junction portion 11 and the source electrode side junction portion 12, and the minute insulation a gate electrode side joining portion 21 engaged against a pair of conductive layers 21B and 21C so as to sandwich the layer 21A, the second conductive island and the other with receiving an input voltage Vin to the one of the pair of conductive layers 21B and 21C And a coupling capacitor 23 for coupling the second conductive island 24 of the quantizer unit 3 and the first conductive island 13 of the single electron transistor unit 2 to each other. In addition, the capacitance value of the input-side capacitance formed by the stray capacitance of the second conductive island 24 of the quantizer unit 3 and the capacitance value of the coupling capacitor 23 are selected to be equal.
本発明によれば、単一電子トランジスタ部のゲート側の伝導島に、結合用コンデンサを介して微小絶縁層を挟むように一対の導電層を接合したゲート電極側接合部の伝導島を接続し、入力電圧の変化に応じてゲート電極側接合部の微小絶縁層にトンネル動作を生じさせることによって伝導島を介して結合コンデンサに電荷を分配し、当該結合用コンデンサの電荷量の変化に基づいて単一電子トランジスタ部をトンネル動作させ、かくするにつき特に量子化器部の伝導島の浮遊容量により形成された入力側容量の容量値と結合用コンデンサの容量値とを等しい値に選定するようにしたことにより、アナログ入力電圧から離散的なレベル変化をするディジタル出力を得ることができるアナログ−ディジタル変換素子を実現できる。 According to the present invention, the conduction island of the gate electrode side junction portion, in which a pair of conductive layers are joined via the coupling capacitor, is connected to the conduction island of the gate side of the single electron transistor portion. the charge on the coupling capacitor via a conductive island by generating tunneling partitioned fine insulating layer of the gate electrode side joining portion in response to a change in the input voltage, based on a change in the charge amount of the coupling capacitors The tunneling operation of the single-electron transistor portion is performed , and in particular, the capacitance value of the input-side capacitance formed by the stray capacitance of the conduction island of the quantizer portion and the capacitance value of the coupling capacitor are selected to be equal. As a result, an analog-to-digital conversion element capable of obtaining a digital output having a discrete level change from the analog input voltage can be realized.
以下図面について、本発明の一実施の形態を詳述する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(1)全体構成
図1において、1は全体としてアナログ−ディジタル変換素子を示し、単一電子トランジスタ部2と量子化器部3とを有する。
(1) Overall Configuration In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an analog-digital conversion element as a whole, and includes a single electron transistor unit 2 and a quantizer unit 3.
単一電子トランジスタ部2は、ドレイン電極側接合部11及びソース電極側接合部12とを有し、ドレイン側接合部11は微小絶縁層11Aを一対の導電層11B及び11Cによって挟むように接合した構成を有すると共に、ソース電極側接合部12も同様に微小絶縁層12Aを一対の導電層12B及び12Cで挟むように接合した構成を有する。 The single electron transistor unit 2 has a drain electrode side junction 11 and a source electrode side junction 12, and the drain side junction 11 is joined so that the minute insulating layer 11A is sandwiched between a pair of conductive layers 11B and 11C. The source electrode side bonding portion 12 has a configuration in which the micro insulating layer 12A is similarly bonded so as to be sandwiched between the pair of conductive layers 12B and 12C.
ドレイン電極側接合部11及びソース電極側接合部12の一方の導電層11C及び12Cは互いに接続されて伝導島13を形成すると共に、ドレイン電極側接合部11及びソース電極側接合部12がそれぞれバイアス電源14+1/2V[V]及び15−1/2V[V]に接続されている。 The conductive layers 11C and 12C of the drain electrode side junction 11 and the source electrode side junction 12 are connected to each other to form a conductive island 13, and the drain electrode side junction 11 and the source electrode side junction 12 are respectively biased. The power supply is connected to 14 + 1/2 V [V] and 15-1 / 2 V [V].
かくしてドレイン電極側接合部11の導電層11Bには接地GNDに対して、+V/2〔V〕のバイアス電圧が与えられると共に、ソース電極側接合部12の導電層12Bに対してバイアス電源15によって接地GNDに対して−V/2〔V〕のバイアス電圧が与えられている。 Thus, a bias voltage of + V / 2 [V] is applied to the conductive layer 11B of the drain electrode side junction 11 with respect to the ground GND, and a bias power source 15 is applied to the conductive layer 12B of the source electrode side junction 12. Thus, a bias voltage of −V / 2 [V] is applied to the ground GND.
かくしてドレイン電極側接合部11は微小絶縁層11Aによってトンネル抵抗R2及びトンネル容量C2をもつトンネル要素として機能すると共に、ソース側電極側接合部12の微小絶縁層12Aによってトンネル抵抗R3及びトンネル容量C3を有するトンネル要素として機能する。 Thus, the drain electrode side junction 11 functions as a tunnel element having the tunnel resistance R 2 and the tunnel capacitance C 2 by the micro insulation layer 11 A, and the tunnel resistance R 3 and the tunnel by the micro insulation layer 12 A of the source side electrode side junction 12. functions as a tunnel element having a capacitance C 3.
伝導島13と接地GNDとの間には、浮遊容量でなるゲート側容量CTが形成され、これによりドレイン電極側接合部11又はソース電極側接合部12からトンネル動作によって注入、引出し処理された電荷が伝導島13に保持される。 Between the conductive island 13 and the ground GND, is a gate-side capacitance C T made of stray capacitance formed, thereby injecting the tunneling from the drain electrode side joining portion 11 or the source electrode side joining portion 12 was Withdrawal A charge is held on the conductive island 13.
量子化器部3はゲート電極側接合部21を有する。 The quantizer unit 3 has a gate electrode side junction 21.
ゲート電極側接合部21は、単一電子トランジスタ部2のドレイン電極側接合部11又はソース電極側接合部12と同様に、微小絶縁層21Aを一対の導電層21B及び21Cによって挟むように接合した構成を有し、その一方の導電層21Cを結合用コンデンサ23(容量CK)を介して単一電子トランジスタ部2の伝導島13に接続することにより、伝導島24を形成する。 Similar to the drain electrode side junction 11 or the source electrode side junction 12 of the single electron transistor unit 2, the gate electrode side junction 21 is joined so that the minute insulating layer 21A is sandwiched between the pair of conductive layers 21B and 21C. A conductive island 24 is formed by connecting one of the conductive layers 21C to the conductive island 13 of the single-electron transistor section 2 via a coupling capacitor 23 (capacitance C K ).
ゲート電極側接合部21の他方の導電層21Bは信号入力端子25に接続され、これにより入力信号端子25に与えられた入力電圧Vin[V]の入力信号に応じてゲート電極側接合部21の微小絶縁層21Aがトンネル抵抗R1及びトンネル容量C1によってトンネル動作をすることにより注入された電子が伝導島24と接地GNDとの間の浮遊容量に基づく入力側容量CBによって、伝導島24に保持される。 The other conductive layer 21 </ b> B of the gate electrode side junction 21 is connected to the signal input terminal 25, and thereby the gate electrode side junction 21 according to the input signal of the input voltage V in [V] applied to the input signal terminal 25. by the input side capacitor C B to a minute insulating layer 21A of it is based on stray capacitance between the electron conducting islands 24 injected by the tunneling through the tunnel resistance R 1 and the tunnel capacitor C 1 and the ground GND, conducting island 24.
図1の構成において、量子化器部3は図2に示すような等価回路として動作する。 In the configuration of FIG. 1, the quantizer unit 3 operates as an equivalent circuit as shown in FIG.
図2において、信号入力端子25に正の入力電圧Vinを与えたときに、ゲート電極側接合部21の、入力側容量25の容量値CK及び結合用コンデンサ23の容量値CKにそれぞれ図2に示す方向の電荷が蓄えられる。 In Figure 2, when given a positive input voltage V in to the signal input terminal 25, the gate electrode side joining portions 21, respectively on the capacitance value C K capacitance values C K and the coupling capacitor 23 of the input side capacitor 25 Charges in the direction shown in FIG. 2 are stored.
ここで入力電圧Vinを入力したとき、ゲート電極側接合部21によって形成された微小トンネル接合の両端の電荷Q1が、(1)式 When you enter the input voltage V in, where the charge to Q 1 across the micro tunnel junction formed by the gate electrode side joining portion 21, (1)
のようにe/2より小さいとき、図3に示すように当該微小トンネル接合はクーロン閉塞(すなわちクーロンブロッケイド)動作をする。 As shown in FIG. 3, the micro tunnel junction performs a Coulomb blockage (ie, Coulomb blockade) operation as shown in FIG.
この状態のときゲート電極側接合部21はキャパシタンスと等価とみなすことができる。 In this state, the gate electrode side junction 21 can be regarded as equivalent to a capacitance.
このとき結合用コンデンサ23及び入力側容量25には電荷保存則により電荷Q1が容量値CK及びCBの比率で分配されるから、結合容量23の電荷QKは、(2)式 At this time, the charge Q 1 is distributed to the coupling capacitor 23 and the input-side capacitor 25 according to the law of conservation of charge at a ratio of the capacitance values C K and C B. Therefore, the charge Q K of the coupling capacitor 23 is expressed by the following equation (2).
となる。 It becomes.
この状態から入力電圧Vinを増大させてゲート電極側接合部21の両端電圧がe/2を超えたとき、ゲート電極側接合部21はトンネル動作をすることにより、伝導島24から信号入力端子25側に電子が1つトンネルすることにより伝導島24の電荷がeだけ減少する。 When the voltage across the gate electrode side joining portion 21 exceeds e / 2 by increasing the input voltage V in this state, the gate electrode side joining portion 21 by the tunneling, the signal input terminal from the conductive island 24 As one electron tunnels to the 25 side, the charge on the conductive island 24 decreases by e.
この電荷の減少により結合用コンデンサ23の電荷QKに生ずる変化は、(3)式、 The change that occurs in the charge Q K of the coupling capacitor 23 due to the decrease in the charge is expressed by the following equation (3):
となり、これによりゲート電極側接合部21が再びクーロン閉塞動作状態になる。 Thus, the gate electrode side junction 21 is again in the Coulomb closing operation state.
その後、入力電圧Vinが増加してゲート電極側接合部21の両端の電荷が3e/2を超えたとき、ゲート電極側接合部21には再度トンネル動作が起きて伝導島24の電子が1つ信号入力端子25側にトンネルし、この結果結合用コンデンサ23の電荷QKは上述の(3)式で表される量だけ変化する。 Thereafter, when the input voltage V in the charge across the gate electrode side joining portion 21 increases exceeds 3e / 2, electrons in the conduction islands 24 happening again tunneling to the gate electrode side joining portion 21 is 1 Tunneling to the signal input terminal 25 side, and as a result, the charge Q K of the coupling capacitor 23 changes by the amount expressed by the above-described equation (3).
以下同様にして、入力電圧Vinの電圧が5e/2、7e/2……(2n−1)e/2を超えるごとに、ゲート電極側接合部21がトンネル動作をすることにより伝導島24の1つの電子が信号入力端子25側にトンネルする。 In the same way, every time the voltage of the input voltage V in is in excess of 5e / 2,7e / 2 ...... (2n -1) e / 2, conductive islands by gate electrode side joining portion 21 is the tunneling 24 One of the electrons tunnels to the signal input terminal 25 side.
かくして結合用コンデンサ23の電荷量QKは、ゲート電極側接合部21がトンネル動作をすることにより伝導島24から電子1つが信号入力端子25側にトンネルするごとに、結合用コンデンサ23に生ずる電荷量の変化の総和として、(4)式、 Thus, the charge amount Q K of the coupling capacitor 23 is the charge generated in the coupling capacitor 23 each time one electron is tunneled from the conduction island 24 to the signal input terminal 25 side by the tunnel operation of the gate electrode side junction 21. As the total change in quantity,
となる。 It becomes.
ここで、nは伝導島24からゲート電極側接合部21をトンネルした電子の数を示す。 Here, n indicates the number of electrons tunneled from the conductive island 24 to the gate electrode side junction 21.
伝導島24の入力側容量25の容量値CBに分配される電荷QBについても同じようにゲート電極側接合部21がトンネル動作をするごとに電荷QBの電荷量が変化していくことにより、その電荷量は(5)式、 Similarly, for the charge Q B distributed to the capacitance value C B of the input side capacitance 25 of the conductive island 24, the charge amount of the charge Q B changes every time the gate electrode side junction 21 performs a tunnel operation. Thus, the amount of charge is given by equation (5),
となる。 It becomes.
(4)式及び(5)式から明らかなように、結合用コンデンサ23の電荷量QK及び浮遊容量25の電荷量QBは、入力電圧Vinの変化に対応する変化分と、トンネルした電子の数nに基づく変化分とを含み、従って入力電圧Vinの変化に応じて変化すると共に、ゲート電極側接合部21がトンネル動作することによりトンネルした電子の数nに対応して変化することになる。 (4) and (5) As is clear from the equation, the charge amount Q B of the charge amount Q K and stray capacitance 25 of coupling capacitor 23, a variation corresponding to the variation of the input voltage V in, and the tunnel Change in accordance with the change in the input voltage Vin, and change corresponding to the number n of electrons tunneled by the tunnel operation of the gate electrode side junction 21. become.
そして結合用コンデンサ23及び入力側容量25の当該電荷量の変化の比は(6)式、 And the ratio of the change in the charge amount of the coupling capacitor 23 and the input side capacitor 25 is the equation (6):
のように、結合用コンデンサ23の容量値CKと、浮遊容量25の容量値CBとの比によって決まることになる。 Thus, it is determined by the ratio between the capacitance value C K of the coupling capacitor 23 and the capacitance value C B of the stray capacitance 25.
図2においては電源電圧Vinが正の電圧である場合について述べたが、図4に示すように、電源電圧Vinが負の場合についても、結合用コンデンサ23及び入力側容量25に蓄積される電荷量QK及びQBも同様にして求めることができる。 Although in Figure 2 describes the case the power supply voltage V in a positive voltage, as shown in FIG. 4, the case where the power supply voltage V in is negative also stored in the coupling capacitor 23 and the input side capacitor 25 also the charge amount Q K and Q B that can be obtained in the same manner.
(4)式及び(5)式から、結合用コンデンサ23の電荷量QK及び入力側容量25の電荷量QBは、ゲート電極側接合部21から信号入力端子25側にトンネルした電子の数nがn=0、1、2……nであるとき、クーロン閉塞動作時においては入力電圧Vinと比例するように連続的に変化するのに対して、ゲート電極側接合部21がトンネル動作をして電子が1つずつ信号入力端子25側にトンネルした時点において、電荷量QK及びQBの値が離散的に変化する。 From the equations (4) and (5), the charge amount Q K of the coupling capacitor 23 and the charge amount Q B of the input side capacitor 25 are the number of electrons tunneled from the gate electrode side junction 21 to the signal input terminal 25 side. When n is n = 0, 1, 2,... n, the gate electrode side junction 21 is tunneled while it continuously changes in proportion to the input voltage Vin during the coulomb closing operation. at the time the electrons are tunnel to the signal input terminal 25 side one by one to the value of the charge amount Q K and Q B changes discretely.
例えば結合用コンデンサ23の電荷量QKについて、C1=1〔aF〕、CB=CK=1〔aF〕に選定し、横軸に入力電圧Vin〔V〕をとり、かつ縦軸に電荷量QK〔C〕をとったとき、電荷量QKの変化は、図5に示すように、電子が1つずつトンネルするごとに電荷量QKが離散的に変化することが分かる(n=……−2、−1、0、1、2……)。 For example, the charge amount Q K of the coupling capacitor 23 is selected as C 1 = 1 [aF], C B = C K = 1 [aF], the horizontal axis represents the input voltage V in [V], and the vertical axis when taking the amount of charge Q K [C], the change in charge quantity Q K, as shown in FIG. 5, the charge amount Q K is found to vary discretely each time electrons tunnel one (N = ......- 2, -1, 0, 1, 2,...).
(2)アナログ/ディジタル変換素子の動作
かかる構成の量子化器部3と単一電子トランジスタ部2とを結合する結合用コンデンサ23の静電容量CKには、ゲート電極側接合部21のトンネル動作に基づいて、信号入力端子25に与えられる入力電圧Vinの変化に応じて離散的な値を持つ電荷量QKが蓄積されることにより、当該静電容量CKに蓄積された離散的な電荷量QKに応じて、単一電子トランジスタ部2のドレイン電極側接合部11及びソース電極側接合部12は、入力電圧Vinとバイアス電源14及び15のバイアス電圧Vとの関係において、図6に示すクーロンブロッケイド領域CKEを生成することにより、図7に示すような入出力特性を呈するような動作をする。
(2) The capacitance C K of the coupling capacitor 23 for coupling the quantizer section 3 of the operation such a configuration of the analog / digital converter and the single-electron transistor unit 2, a tunnel gate electrode side joining portion 21 based on the operation, by the amount of charge Q K having discrete values in response to changes in the input voltage V in applied to the signal input terminal 25 is accumulated, the discrete accumulated in the electrostatic capacitance C K depending on the Do charge amount Q K, the drain electrode side joining portion 11 and the source electrode side joining portion 12 of the single-electron transistor unit 2 in relation to the bias voltage V of the input voltage V in and the bias power source 14 and 15, By generating the coulomb blockade region CKE shown in FIG. 6, an operation that exhibits the input / output characteristics as shown in FIG. 7 is performed.
すなわち、入力電圧Vinの変化に応じて量子化器部3のゲート電極側接合部21が1回ずつトンネル動作をする(n=……−1、0、1……)、その伝導島24において増大した電荷量eが入力側容量25及び結合用コンデンサ23にe/2の電荷量の分だけ増大する(入力側容量CB=結合容量CKの関係に選んだことにより)。 That is, the gate electrode side joining portion 21 of the quantizer 3 is a tunneling once in response to a change in the input voltage V in (n = ...... -1,0,1 ...... ), the conductive island 24 The amount of charge e increased in FIG. 5 increases by the amount of charge of e / 2 in the input side capacitance 25 and the coupling capacitor 23 (by selecting the relationship of input side capacitance C B = coupling capacitance C K ).
この結合用コンデンサ23の電荷量の増大分e/2は単一トランジスタ部2の伝導島13に同じ電荷量の増大変化を生じさせ、これにより単一電子トランジスタ部2に対してゲート入力電荷信号として与えられることになる。 The increase e / 2 in the amount of charge of the coupling capacitor 23 causes the same change in the amount of charge to occur in the conduction island 13 of the single transistor unit 2, thereby causing a gate input charge signal to the single electron transistor unit 2. Will be given as.
ここで単一電子トランジスタ部2の入力ゲート電荷が「0」付近の場合は当該単一電子トランジスタ部2のクーロンブロッケイド電圧は図6に示すように最大値付近の値となる。 Here, when the input gate charge of the single electron transistor unit 2 is near “0”, the Coulomb blockade voltage of the single electron transistor unit 2 becomes a value near the maximum value as shown in FIG.
これに対して、ゲート入力電荷信号がe/2付近の場合は単一電子トランジスタ部2のクーロンブロッケイド電圧は「0」付近の値となる。 On the other hand, when the gate input charge signal is in the vicinity of e / 2, the Coulomb blockade voltage of the single electron transistor unit 2 is a value in the vicinity of “0”.
この結果クーロンブロッケイド領域CKEのクーロンブロッケイド電圧の値は、量子化器部3のゲート電極側接合部21の電子のトンネル動作に伴って、大きく変化する。 As a result, the value of the Coulomb blockade voltage in the Coulomb blockade region CKE varies greatly with the electron tunneling operation of the gate electrode side junction 21 of the quantizer unit 3.
図6の実施の形態の場合、入力側容量CBの値と結合容量CKの値とを等しい値に選定しており、その結果トンネルした電子の数(n=……−1、0、1……)について、クーロンブロッケイド領域CKEの値はゲート入力電荷が……−e/2、e/2、3e/2……の付近において急峻に立ち下がるような特性が得られる。 In the case of the embodiment of FIG. 6, the value of the input side capacitance C B and the value of the coupling capacitance C K are selected to be equal to each other, and as a result, the number of tunneled electrons (n = ......− 1, 0, 1), the value of the Coulomb blockade region CKE has such a characteristic that the gate input charge falls sharply in the vicinity of... -E / 2, e / 2, 3e / 2.
従ってこのクーロンブロッケイド領域CKEの特性を利用して単一電子トランジスタ部2のバイアス電源14及び15の設定電圧(すなわち動作点電圧)V0を、図6において破線で示すように、クーロンブロッケイド領域CKEを横切る値に選定すれば、クーロンブロッケイド領域CKE内の点Aから矢印aに示すように、入力電圧Vinの値を矢印aの方向に点Bまで増大させていけば、入力電圧Vinに対する出力電流Ioutの入出力特性は、図7に示すように、クーロンブロッケイド領域CKEの間の入力電圧Vinの値において出力電流Ioutが最大値になるのに対して、入力電圧Vinがクーロンブロッケイド領域CKE内の値になったとき出力電流Ioutが最大値から急激に「0」の値にまで立ち下がる入出力特性が得られる。 Therefore, by using the characteristics of the Coulomb blockade region CKE, the set voltage (that is, the operating point voltage) V 0 of the bias power supplies 14 and 15 of the single electron transistor unit 2 is set as shown by the broken line in FIG. It is selected to a value across the region CKE, as shown from the point a in the Coulomb blockade region CKE an arrow a, if we the value of the input voltage V in increases to the point B in the direction of arrow a, the input voltage input and output characteristics of the output current Iout for V in, as shown in FIG. 7, Coulomb in the value of the input voltage V in between Cade region CKE whereas the output current Iout becomes a maximum value, the input voltage V When in becomes the value in the coulomb blockade region CKE, the input / output characteristic is obtained in which the output current Iout suddenly falls from the maximum value to the value “0”. It is done.
これにより、アナログ/ディジタル変換素子1の全体としての入出力特性は、入力電圧Vinが値「0」から大きくなっていったとき、量子化器部3のゲート電極側接合部21にトンネル動作が生ずるごとに、入力電圧Vinの変化に対してリニアではなく、離散的な出力電流Ioutを得ることができ、この結果入力電圧Vinの値を離散的なディジタル値に変換した出力信号をアナログ/ディジタル変換素子1の出力として得ることができる。 Thus, the input-output characteristic of the whole of the analog / digital converter device 1, when the input voltage V in is became larger from the value "0", tunneling in the gate electrode side joining portion 21 of the quantizer 3 each time occurs, not linear with respect to changes in the input voltage V in, the discrete output current Iout can be obtained, an output signal obtained by converting the value of the result input voltage V in into discrete digital values It can be obtained as an output of the analog / digital conversion element 1.
この実施の形態の場合、図7の入出力特性は、ゲート電極が接合部21の接合容量C1をC1=1〔aF〕に選定すると共に、浮遊容量25の入力側容量CBと結合用コンデンサ23の結合容量CKとをCB=CK=1〔aF〕、バイアス電圧VをV=30〔mV〕、ゲート電極側接合部21、ドレイン電極側接合部11及びソース電極側接合部12のトンネル抵抗R1、R2、R3をR1=R2=R3=100〔kΩ〕に選定した場合の出力電流の計算結果を示したものである。 In the case of this embodiment, the input / output characteristics of FIG. 7 are such that the gate electrode selects the junction capacitance C 1 of the junction 21 to C 1 = 1 [aF] and is coupled to the input side capacitance C B of the stray capacitance 25. a coupling capacitance C K of use capacitor 23 C B = C K = 1 [aF], the bias voltage V V = 30 [mV], the gate electrode side joining portion 21, the drain electrode side joining portion 11 and the source electrode side junction the tunneling resistance R 1, R 2, R 3 parts 12 shows the calculation result of the output current when selected R 1 = R 2 = R 3 = 100 [kΩ].
この図7のアナログ/ディジタル変換素子1の入出力特性に対する比較例として、出力特性波形W1は、量子化器部3を設けずに単一電子トランジスタ部2だけの入出力特性を示したもので、これによりドレイン電極側接合部21を設けることにより、そのクーロンブロッケイド領域CKEがトンネル動作に基づいて急峻なクーロンブロッケイド領域境界電圧として形成されたことにより、アナログ/ディジタル変換出力特性として有効な急峻な入出力特性が得られることが分かる。 As a comparative example with respect to the input / output characteristics of the analog / digital conversion element 1 of FIG. 7, the output characteristic waveform W1 shows the input / output characteristics of only the single electron transistor section 2 without providing the quantizer section 3. Thus, by providing the drain electrode side junction 21, the Coulomb blockade region CKE is formed as a steep Coulomb blockade region boundary voltage based on the tunnel operation, which is effective as an analog / digital conversion output characteristic. It can be seen that steep input / output characteristics can be obtained.
以上の構成によれば、単一電子トランジスタ部2の入力側にゲート電極側接合部21を有する量子化器部3を設け、これを結合用コンデンサ23によって結合するようにしたことにより、連続的に変化するアナログ入力電圧を、離散的に変化するディジタル出力信号に高い精度で変換することができるアナログ/ディジタル変換素子1を容易に実現できる。 According to the above configuration, the quantizer unit 3 having the gate electrode side junction 21 is provided on the input side of the single electron transistor unit 2 and is coupled by the coupling capacitor 23. Thus, it is possible to easily realize the analog / digital conversion element 1 that can convert an analog input voltage that changes into a digital output signal that changes discretely with high accuracy.
(3)第2の実施の形態
図8は第2の実施の形態によるアナログ/ディジタル変換素子1Xを示すもので、図1との対応部分に同一符号を付して示すように、単一電子トランジスタ部2に対して結合用コンデンサ23を介して接続される量子化器部3Xとして、図9に示す等価回路を有するものを用いる。
(3) Second Embodiment FIG. 8 shows an analog / digital conversion element 1X according to the second embodiment. As shown in FIG. As the quantizer unit 3X connected to the transistor unit 2 via the coupling capacitor 23, a unit having an equivalent circuit shown in FIG. 9 is used.
この場合量子化器部3Xは、ゲート電極側接合部21を構成する微小絶縁層21Aを挟む導電層21B及び21Cの内、入力信号を受ける側の導電層21Bと信号入力端子25との間にゲート用コンデンサ31を接続し、かくして入力側の導電層21Bとゲート用コンデンサ31とを結ぶ伝導島24Bを形成する。 In this case, the quantizer unit 3X is provided between the signal input terminal 25 and the conductive layer 21B on the side receiving the input signal among the conductive layers 21B and 21C sandwiching the minute insulating layer 21A constituting the gate electrode side junction 21. A gate capacitor 31 is connected, and thus a conductive island 24B connecting the conductive layer 21B on the input side and the gate capacitor 31 is formed.
この実施の形態の場合、入力側の伝導島24Bと接地GNDとの間に浮遊容量25Bを生成させ、これを入力側前段容量CB1として用いる。 In the case of this embodiment, a stray capacitance 25B is generated between the input-side conductive island 24B and the ground GND, and this is used as the input-side upstream capacitor C B1 .
ゲート電極側接合部21の出力側の導電層21Cは、図1の場合と同様に結合用コンデンサ23に接続することにより伝導島24Aを形成し、この伝導島24Aと接地GNDとの間の浮遊容量25Aによって入力側後段容量CB2を生成させる。 The conductive layer 21C on the output side of the gate electrode side junction 21 forms a conductive island 24A by connecting to the coupling capacitor 23 in the same manner as in FIG. 1, and the floating between the conductive island 24A and the ground GND. The input side rear stage capacitor C B2 is generated by the capacitor 25A.
図8及び図9の構成において、ゲート電極側接合部21がトンネル動作をしていない状態においては、当該ゲート電極側接合部21がトンネル容量C1のコンデンサと同様の動作をすることにより、信号入力端子25の入力電圧のVinに対応する入力電荷−QGが伝導島24B側の電極に発生し、これがゲート側電極接合部21のトンネル容量C1に対する電荷+Q1と、伝導島24Bの浮遊容量25Bによって形成される入力側前段容量CB1の電荷QB1として分配される。 8 and 9, in the state where the gate electrode side junction 21 does not perform the tunnel operation, the gate electrode side junction 21 operates in the same manner as the capacitor of the tunnel capacitance C 1 , thereby input charge -Q G corresponding to V in of the input voltage of the input terminal 25 is generated in the electrodes of the conductive island 24B side, and the charge + Q 1 which is for the tunnel capacitance C 1 of the gate-side electrode junction 21, conducting island 24B Is distributed as the charge Q B1 of the input-side upstream capacitor C B1 formed by the floating capacitor 25B.
これによりゲート側電極接合部21の伝導島24A側に生じた電荷+Q1は伝導島24Aの浮遊容量25Aの入力側後段容量CB2と結合用コンデンサ23の結合容量CKに分配されるように蓄積される。 Thus, as a charge + Q 1 occurring in conductive islands 24A side of the gate-side electrode junction 21 is distributed to the coupling capacitance C K of the coupling capacitor 23 and the input side subsequent capacitance C B2 of the stray capacitance 25A of conductive islands 24A Accumulated in.
以上の構成において、入力電圧Vinの変化に対してゲート電極側接合部21のトンネル容量C1に蓄積される電荷がトンネル動作を生じない範囲であれば、当該ゲート側電極接合部21のトンネル容量C1が入力電圧Vinの変化に応じて変化することにより結合用コンデンサ23の結合容量CKに蓄積される電荷QKが変化することにより、単一電子トランジスタ部2の出力電流Ioutが入力電圧Vinの変化に応じて変化する。 In the above configuration, as long as the charge with respect to the change of the input voltage V in is accumulated in the tunnel capacitor C 1 of the gate electrode side joining portion 21 does not produce a tunneling, a tunnel of the gate-side electrode junction 21 by capacitance C 1 charge Q K accumulated in the coupling capacitance C K of the coupling capacitor 23 is changed by changing in response to changes in the input voltage V in, the output current Iout single-electron transistor unit 2 It changes according to the change of the input voltage Vin.
この状態から、入力電圧Vinの変化に応じてゲート電極側接合部21の電荷量−Q1の変化に基づいて当該ゲート電極側接合部21がトンネル動作をすると、これに応じて伝導島24Bの電子が伝導島24A側にゲート電極側接合部21をトンネルすると共に、これにより生じた結合用コンデンサ23の結合容量CKに蓄積された電荷が離散的に変化する。 From this state, when the gate electrode side junction 21 performs a tunnel operation based on the change in the charge amount −Q 1 of the gate electrode side junction 21 in accordance with the change in the input voltage Vin, the conductive island 24B is responded accordingly. with electrons tunneling through the gate electrode side joining portion 21 to the conductive island 24A side, thereby the charge accumulated in the coupling capacitance C K of the coupling capacitor 23 is changed discretely generated.
その結果図8及び図9の構成の量子化器部3Xは、図5について上述したと同様に結合用コンデンサ23の結合容量CKの電荷量QKが図5について上述したと同様に入力電圧Vinの変化に応じてゲート電極側接合部21がトンネル動作をするごとに離散的に変化するような動作をする。 Consequently 8 and quantizer unit 3X configuration of FIG. 9, the coupling capacitance C K Similarly the input voltage and the charge amount Q K is described above with reference to FIG. 5 of the same coupling capacitor 23 and described above with reference to FIG. 5 the gate electrode side joining portion 21 acts like discretely changed each time the tunnel operation in response to changes in V in.
この結合容量CKの電荷量QKの変化によって単一電子トランジスタ部2が制御されることにより、その出力電流Ioutも図5の離散的変化と同じような変化を呈することになる。 When the single electron transistor unit 2 is controlled by the change in the charge amount Q K of the coupling capacitor C K , the output current Iout also exhibits the same change as the discrete change in FIG.
従って図8及び図9の構成によっても、入力電圧Vinが連続的な変化をしたとき単一電子トランジスタ部2において離散的な変化に変換して出力することができる。 Therefore by construction of FIGS. 8 and 9, it is possible to input voltage V in and outputs the converted to discrete changes in the single-electron transistor unit 2 when the continuous change.
かくして、結合用コンデンサ23の結合容量CKには、(7)式 Thus, the coupling capacitance C K of the coupling capacitor 23, (7)
のような電荷量QKの電荷が蓄積されると共に、入力側後段容量CB2には、(8)式 Along with the charge of the charge amount Q K are accumulated as to the input side subsequent capacitance C B2, (8) formula
の電荷量QB2の変化が生ずる。 Change in the amount of charge Q B2 of.
この結合容量CKの電荷量QKと入力側後段容量CB2の電荷量QB2の変化の比率は、(9)式 The ratio of change in charge quantity Q B2 of the charge amount Q K and the input side subsequent capacitance C B2 of the coupling capacitance C K is (9)
のように入力側後段容量CB2と結合容量CKとの比率になる。 Thus, the ratio of the input side rear stage capacitance C B2 and the coupling capacitance C K is obtained.
(4)他の実施の形態
図1及び図8の実施の形態においては、単一電子トランジスタ部2の出力として、出力電流Ioutを用いるようにしたが、これに代え、当該出力電流Ioutが流れる回路に出力抵抗を介挿し、その両端電圧を単一電子トランジスタ部2の出力として送出するようにしても良い。
(4) Other Embodiments In the embodiments of FIGS. 1 and 8, the output current Iout is used as the output of the single electron transistor unit 2, but the output current Iout flows instead. An output resistor may be inserted into the circuit, and the voltage between both ends may be sent out as the output of the single electron transistor unit 2.
(5)実施例
図10は上述のアナログ−ディジタル変換素子1又は1Xを用いたアナログ−ディジタル変換回路30を示し、アナログ入力V1を入力分圧回路31によって3段の分圧入力V1A、V1B及びV1Cをアナログ−ディジタル変換素子1又は1Xで構成された変換素子1A、1B及び1Cの入力端子25に入力する。
(5) Embodiment FIG. 10 shows an analog-digital conversion circuit 30 using the above-described analog-digital conversion element 1 or 1X. The analog input V 1 is divided into three divided voltage inputs V 1A by an input voltage divider circuit 31. V 1B and V 1C are input to the input terminals 25 of the conversion elements 1A, 1B, and 1C constituted by the analog-digital conversion element 1 or 1X.
入力分圧回路31はアナログ入力電圧V1を入力コンデンサ32を介して一端を接地GNDに接続された直列分圧コンデンサ33A−33B−33Cに入力する。 Input divider 31 is input to the serial partial pressure condenser 33A-33B-33C which is connected to ground GND at one end through an input capacitor 32 to the analog input voltage V 1.
第1段分圧コンデンサ33Aは容量値2Cを有し、容量値Cを有しかつ接地GNDに接続された第1段並列分圧コンデンサ34Aに接続され、この接続端に得られる分圧入力V1Aを第1段変換素子1Aの信号入力端子25に入力する。 The first-stage voltage dividing capacitor 33A has a capacitance value 2C, is connected to a first-stage parallel voltage dividing capacitor 34A having a capacitance value C and connected to the ground GND, and a divided voltage input V obtained at this connection end. 1A is input to the signal input terminal 25 of the first stage conversion element 1A.
第2段直列分圧コンデンサ33Bは容量値2Cを有し、第1段直列分圧コンデンサ33Aとの接続端を、静電容量Cを有しかつ接地GNDに接続された第2段並列分圧コンデンサ34Bに接続し、その接続端に得られる分圧入力V1Bを第2段変換素子1Bの信号入力端子25に与える。 The second-stage series voltage dividing capacitor 33B has a capacitance value of 2C, and the second-stage parallel voltage divider having the capacitance C and connected to the ground GND is connected to the first-stage series voltage dividing capacitor 33A. Connected to the capacitor 34B, the divided input V 1B obtained at the connection end is applied to the signal input terminal 25 of the second stage conversion element 1B.
第3段直列分圧コンデンサ33Cは静電容量Cを有し、その第2段分圧コンデンサ33Bとの接続端を静電容量Cを有しかつ接地GNDに接続された第3段並列分圧コンデンサ34Cに接続し、その接続端に得られる電圧入力V1Cを第3段変換素子1Cの信号入力端子25に与える。 The third-stage series voltage dividing capacitor 33C has a capacitance C, and a third-stage parallel voltage division having the capacitance C at the connection end to the second-stage voltage dividing capacitor 33B and connected to the ground GND. The voltage input V 1C obtained at the connection end is applied to the signal input terminal 25 of the third stage conversion element 1C.
第1段、2段及び第3段変換素子1A、1B及び1Cは離散的な出力電流Ioutを電圧変換してなる出力電圧V2A、V2B及びV2Cをディジタル出力Doutの3ビット分のビット出力として送出する。 The first-stage, second-stage and third-stage conversion elements 1A, 1B and 1C are output bits V 2A , V 2B and V 2C obtained by converting the discrete output current Iout into 3 bits of the digital output Dout. Send as output.
図10の構成において、入力コンデンサ32を介して入力されたアナログ入力V1は、直接電圧入力V1Aとして第1段変換素子1Aに入力され、これにより図11(A)に示すように、図7において単一電子トランジスタ部に出力電流Ioutが流れる入力電圧V1の範囲V11〜V13、V15〜V17……の間の論理「1」レベルに立ち上がるのに対し、出力電流Ioutが流れない入力電圧V1の範囲V10〜V11、V13〜V15、V17〜V18……の間論理「0」レベルに立ち上がる出力電圧V2Aを得る。 In the configuration of FIG. 10, the analog input V 1 input via the input capacitor 32 is directly input to the first stage conversion element 1A as the voltage input V 1A . As a result, as shown in FIG. 7, the output current Iout rises to a logic “1” level in the range of V 11 to V 13 , V 15 to V 17 ... Of the input voltage V 1 through which the output current Iout flows in the single electron transistor unit. An output voltage V 2A that rises to a logic “0” level is obtained in the range V 10 to V 11 , V 13 to V 15 , V 17 to V 18 ... Of the input voltage V 1 that does not flow.
アナログ入力V1によって入力コンデンサ32に蓄積された電荷が直列分圧コンデンサ33Aの容量値2C及び分圧コンデンサ34Aの容量値Cにその比率に応じて分配されることにより、直列分圧コンデンサ33Aにはアナログ入力電圧V1の1/2の分圧入力V1Bが得られ、これが変換素子1Bに供給される。 By the charge stored on input capacitor 32 by the analog input V 1 it is being distributed in accordance with the ratio to the capacitance value C of the capacitance values 2C and dividing capacitors 34A series partial pressure capacitor 33A, in series partial pressure condenser 33A Obtains a divided input V 1B that is ½ of the analog input voltage V 1 , and supplies this to the conversion element 1B.
かくして変換素子1Bは信号入力端子25に入力される分圧入力がアナログ入力V1の1/2の電圧値をもつことになるので、図11(B)に示すように、図7において出力電流が流れる入力電圧V1の範囲V12〜V16……と出力電流が流れない入力電圧V1の範囲V10〜V12、V16〜V18……とがアナログ入力電圧V1の2倍の変化に対応することになる。 Thus since minute pressure input transducer 1B is inputted to the signal input terminal 25 will have a voltage value of 1/2 of the analog input V 1, as shown in FIG. 11 (B), the output current 7 range V 10 input voltages V 1 to range V 12 ~V 16 ...... and the output current of the input voltage V 1 is not flow flowing ~V 12, V 16 ~V 18 ...... and twice the analog input voltages V 1 Will respond to changes.
従って第2段変換素子1Bの出力電圧V2B(図11(B))は、第1段の出力電圧V2A(図11(A))と比較して2倍のアナログ入力V1の変化幅で論理「1」及び「0」の区間を発生する。 Therefore, the output voltage V 2B (FIG. 11B) of the second stage conversion element 1B is twice as large as the change width of the analog input V 1 compared to the first stage output voltage V 2A (FIG. 11A). To generate logical “1” and “0” intervals.
第2段分圧入力V1Bは直列分圧コンデンサ33B及び第2段並列分圧コンデンサ34Bに対してその容量値2C及びCの比率で電荷量を分配する。 The second stage of press-fitting force V 1B to share charge amount at a ratio of the capacitance values 2C and C to the series partial pressure condenser 33B and the second-stage parallel partial pressure condenser 34B.
その結果第3段分圧入力V1Cは分圧入力V1Bの1/2(従ってアナログ入力電圧V1の1/4の電圧値として第3段変換素子1Cの信号入力端子25に与えられる。 As a result, the third stage divided input V 1C is applied to the signal input terminal 25 of the third stage conversion element 1C as a voltage value that is ½ of the divided input V 1B (thus, ¼ of the analog input voltage V 1 ).
これによって第3段変換素子1Cは、図11(C)に示すように、入力電圧V1Cが第1段変換素子1Aの入力電圧V1Aと比較して1/4になることにより、図7の出力電流が流れる入力電圧V1の範囲V14〜V18……及び出力電圧が流れない電圧の範囲V10〜V14……が第1段変換素子1Aの場合と比較して4倍に広がることになる。 As a result, as shown in FIG. 11C, the third stage conversion element 1C causes the input voltage V 1C to become ¼ compared to the input voltage V 1A of the first stage conversion element 1A, thereby The input voltage V 1 range V 14 to V 18 ... In which the output current flows and the voltage range V 10 to V 14 ... In which the output voltage does not flow are quadrupled compared to the case of the first stage conversion element 1A. Will spread.
かくして変換素子1A、1B及び1Cの出力電圧V2A、V2B及びV2Cの論理レベルの組み合わせでなるディジタル出力Voutは、図11(E)に示すように、3ビットのグレイ出力として得られる。 Thus, a digital output Vout composed of a combination of logic levels of the output voltages V2A, V2B and V2C of the conversion elements 1A, 1B and 1C is obtained as a 3-bit gray output as shown in FIG.
以上の構成によれば、電子1個の振る舞いに基づいて動作する単一電子トランジスタ部2が量子化器部3のトンネル動作に基づいて離散的な出力を生成することを利用して、アナログ入力V1をディジタル出力Voutに精度良く変換できるアナログ−ディジタル変換回路30を実現できる。 According to the above configuration, the single-electron transistor unit 2 that operates based on the behavior of one electron generates a discrete output based on the tunneling operation of the quantizer unit 3, thereby providing an analog input. analog can accurately convert V 1 to a digital output Vout - digital conversion circuit 30 can be realized.
なお、図10では、アナログ−ディジタル変換素子1又は1Xを用いて、容量ラダーでフラッシュ型のアナログ−ディジタル変換回路を実現した例を示したが、抵抗ラダーで実現することも可能である。 Although FIG. 10 shows an example in which a flash type analog-digital conversion circuit is realized with a capacitive ladder using the analog-digital conversion element 1 or 1X, it can also be realized with a resistance ladder.
本発明は電子1個の挙動に基づいて離散的な電気出力を得る電子回路素子に利用できる。 The present invention can be applied to an electronic circuit element that obtains a discrete electrical output based on the behavior of one electron.
1、1A〜1C……アナログ−ディジタル変換素子、2……単一電子トランジスタ部、3……量子化器部、11……ドレイン電極側接合部、11A……微小絶縁層、11B、11C……導電層、12……ソース電極側接合部、12A……微小絶縁層、12B、12C……導電層、13……伝導島、14、15……バイアス電源、21……ゲート電極側接合部、21A……微小絶縁層、21B、21C……導電層、23……結合用コンデンサ、24……伝導島、25……入力側容量、25……信号入力端子、31……ゲート用コンデンサ、32……入力コンデンサ、33A、33B、33C……第1段、第2段、第3段直列分圧コンデンサ、34A、34B、34C……並列分圧コンデンサ、30……アナログ−ディジタル変換回路。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1A-1C ... Analog-digital conversion element, 2 ... Single electron transistor part, 3 ... Quantizer part, 11 ... Drain electrode side junction part, 11A ... Micro insulation layer, 11B, 11C ... ... conductive layer, 12 ... source electrode side junction, 12A ... micro-insulating layer, 12B, 12C ... conductive layer, 13 ... conduction island, 14, 15 ... bias power supply, 21 ... gate electrode side junction , 21A: Micro insulating layer, 21B, 21C: Conductive layer, 23: Coupling capacitor, 24: Conduction island, 25: Input side capacitance, 25: Signal input terminal, 31: Capacitor for gate, 32... Input capacitor, 33 A, 33 B, 33 C... First stage, second stage, third stage series voltage dividing capacitor, 34 A, 34 B, 34 C. Parallel voltage dividing capacitor, 30.
Claims (1)
微小絶縁層を挟むように一対の導電層を接合したゲート電極側接合部を有し、上記一対の導電層の一方に入力電圧を受けると共に他方を第2の伝導島に接続してなる量子化器部と、
上記量子化器部の上記第2の伝導島と上記単一電子トランジスタ部の上記第1の伝導島とを結合する結合用コンデンサと
を具え、
上記量子化器部の上記第2の伝導島の浮遊容量により形成された入力側容量の容量値と、上記結合用コンデンサの容量値とを等しい値に選定した
ことを特徴とするアナログ−ディジタル変換素子。 A single-electron transistor portion formed by forming a first conductive island at a connection portion between the drain electrode side junction and the source electrode side junction;
Quantization comprising a gate electrode side junction where a pair of conductive layers are joined so as to sandwich a minute insulating layer, one of the pair of conductive layers receiving an input voltage and the other connected to a second conductive island The vessel,
A coupling capacitor for coupling the second conduction island of the quantizer section and the first conduction island of the single-electron transistor section ;
An analog-digital conversion characterized in that the capacitance value of the input-side capacitance formed by the stray capacitance of the second conduction island of the quantizer section and the capacitance value of the coupling capacitor are selected to be equal. element.
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