JPH02113494A - Multistage variable conductance circuit, neurochip using the circuit, read/write method for the chip, and semiconductor device - Google Patents

Multistage variable conductance circuit, neurochip using the circuit, read/write method for the chip, and semiconductor device

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JPH02113494A
JPH02113494A JP63263892A JP26389288A JPH02113494A JP H02113494 A JPH02113494 A JP H02113494A JP 63263892 A JP63263892 A JP 63263892A JP 26389288 A JP26389288 A JP 26389288A JP H02113494 A JPH02113494 A JP H02113494A
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Abstract

PURPOSE:To obtain a multistage variable conductance circuit which has a high reliability and is easy to integrate by connecting a variable conductance element to the connection point between a multidifferential negative resistance element and a load element in a series circuit consisting of them. CONSTITUTION:An FET 2 as the variable conductance element is connected to the connection point between a multidifferential negative resistance element 1 and a load resistance 3. Then, a multistage variable conductance circuit is constituted. That is, a multilevel stabilizing circuit consists of the element 1, and the conductance of the element 2 is controlled stepwise by its output. That is, the state which the conductance of the element 2 can take is limited to several discontinuous values. Thus, the reproducibility and the set precision of the output are improved. Integration is facilitated because the number of elements is smaller.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は神経回路モデルを構築するに好適な多段階可変
コンダクタンス回路、及びそれを用いたニューロチップ
と呼ばれる集積回路、及びその読み出し、書き込み方法
、及び上記回路を実現する半導体装置に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to a multi-stage variable conductance circuit suitable for constructing a neural circuit model, an integrated circuit called a neurochip using the same, and a method for reading and writing the same. , and a semiconductor device that implements the above circuit.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来の神経回路モデルによる演算素子,すなわちニュー
ロチップとその回路については,例えば、“日経マイク
ロデバイス” 1988年7月号第53頁から第65頁
において論じられている。
Arithmetic elements based on conventional neural circuit models, that is, neurochips and their circuits are discussed, for example, in "Nikkei Microdevices", July 1988 issue, pages 53 to 65.

上記のごときニューロチップにおいて、その重要な構成
要素となるシナプスは,例えば、可変コンダクタンス回
路で構成される。
In the neurochip described above, the synapse, which is an important component thereof, is composed of, for example, a variable conductance circuit.

従来,可変コンダクタンス回路を実現する方法としては
,例えば、第5図(、)に示すように。
Conventionally, a method for realizing a variable conductance circuit is as shown in FIG. 5 (,), for example.

MOSFET8のゲート7に蓄積する電荷量を変える方
法と、同図(b)に示すように、FETを多数並列に接
続して導通状態にあるFETの数を変える方法とがあっ
た。
There is a method of changing the amount of charge accumulated in the gate 7 of the MOSFET 8, and a method of connecting a large number of FETs in parallel and changing the number of FETs in a conductive state, as shown in FIG. 8(b).

ところが、一ヒ記(a)の方法では、蓄積電荷の量が電
流リークの存在によって時間的に変化してしまうので,
精度、再現性及び信頼性の面で問題があり、また、(b
)の方法では,並列接続する素子数が多くなり、その結
果集積化を図る際に密度が上げられないという問題があ
った。
However, in method (a), the amount of accumulated charge changes over time due to the presence of current leak.
There are problems in terms of accuracy, reproducibility and reliability, and (b
) method has the problem that the number of elements connected in parallel increases, and as a result, density cannot be increased when attempting to integrate the device.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

上記のように従来技術においては、リーク電流によって
結合定数が変化してしまうか、或いは、結合定数を変化
させるために多数の素子を必要とするなど、信頼性およ
び集積化の容易さの点に問題があった。
As mentioned above, in the conventional technology, the coupling constant changes due to leakage current, or a large number of elements are required to change the coupling constant, so there are problems in terms of reliability and ease of integration. There was a problem.

本発明の目的は、上記のごとき従来技術の問題を解決し
,信頼性が高く、かつ集積化の容易な多段階可変コンダ
クタンス回路を提供し、また、それを用いたニューロチ
ップを提供することにある。
The purpose of the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, to provide a multi-stage variable conductance circuit that is highly reliable and easy to integrate, and to provide a neurochip using the same. be.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記目的を達成するため、第1請求項に記載の発明にお
いては、電流・電圧特性に2箇所以上の微分負性抵抗特
性を有する多重微分負性抵抗素子と、その負荷素子と、
該多重微分負性抵抗素子と負荷素子との直列回路におけ
る両者の接続点に接続された可変コンダクタンス素子と
によって多段階可変コンダクタンス回路を構成している
In order to achieve the above object, the invention according to the first claim includes: a multiple differential negative resistance element having two or more differential negative resistance characteristics in current/voltage characteristics; and a load element thereof;
A multi-stage variable conductance circuit is constituted by the multiple differential negative resistance element and the variable conductance element connected to the connection point between the two in the series circuit with the load element.

すなわち、この発明においては、多重微分負性抵抗素子
によって多値安定回路を構成し,その出力によって可変
コンダクタンス素子のコンダクタンスを段階的に制御す
るように構成したものである。
That is, in the present invention, a multi-value stable circuit is constructed by multiple differential negative resistance elements, and the conductance of the variable conductance element is controlled in stages according to the output thereof.

なお、上記多重微分負性抵抗素子は、例えば、後記第1
〜3図の実施例における多重微分負性抵抗素子1に相当
し、負荷素子は,同じく負荷抵抗3またはFET4,5
に相当し,可変コンダクタンス素子は、同じ<FET2
に相当する。
Note that the above-mentioned multiple differential negative resistance element is, for example, the first
This corresponds to the multiple differential negative resistance element 1 in the embodiment shown in Figure 3, and the load element is also the load resistor 3 or FETs 4 and 5.
, and the variable conductance element has the same <FET2
corresponds to

また、第2請求項に記載の発明においては、前記第1請
求項に記載の多段階可変コンダクタンス回路において、
上記直列回路の接続点または上記負荷素子に外部入力を
与えて、コンダクタンスを或る段階から他の段階に切り
換えるように構成したものである。上記の外部入力を与
える接続点は、例えば、後記第1〜3図の実施例におけ
る制御電圧入力端子7に相当する。
Further, in the invention according to the second claim, in the multi-stage variable conductance circuit according to the first claim,
The device is configured to switch the conductance from one stage to another by applying an external input to the connection point of the series circuit or the load element. The connection point for providing the above-mentioned external input corresponds to, for example, the control voltage input terminal 7 in the embodiments shown in FIGS. 1 to 3 described later.

また、第3請求項に記載の発明においては、ニューロチ
ップにおけるシナプスに相当する手段を前記第1または
第2請求項に記載の多段階可変コンダクタンス回路で構
成したものである。このシナプスを用いたニューロチッ
プは,例えば、後記第11図の実施例に相当する。
Furthermore, in the invention set forth in claim 3, means corresponding to synapses in the neurochip are constituted by the multi-stage variable conductance circuit set forth in claim 1 or 2. A neurochip using this synapse corresponds to, for example, the embodiment shown in FIG. 11 described later.

また、第4諸求項に記載の発明は、上記のごときシナプ
スを用いた二ニーロチツブにおける読み出し方法の発明
であり、上記シナプスとなる多段階可変コンダクタンス
回路の、多重微分負性抵抗素子と負荷素子との直列回路
における両者の接続点(すなわち可変コンダクタンス素
子の入力点)の電位を外部に取り出すことにより、シナ
プスの結合状態を読み出すように構成したものである。
In addition, the invention described in the fourth claim is an invention of a readout method in a double rotator using the synapse as described above, and includes a multiple differential negative resistance element and a load element of a multi-stage variable conductance circuit serving as the synapse. The connection state of the synapse is read out by extracting the potential at the connection point between the two in a series circuit (that is, the input point of the variable conductance element) to the outside.

この方法は、例えば、後記第12図の実施例で説明する
方法に相当する。
This method corresponds, for example, to the method described in the embodiment shown in FIG. 12 below.

また、第5rJI求項に記載の発明は、上記のごときシ
ナプスを用いた二ニーロチツブにおける書き込み方法の
発明であり、上記シナプスとなる多段階可変コンダクタ
ンス回路の、多重微分負性抵抗素子と負荷素子との直列
回路における両者の接続点または負荷素子に、外部から
パルス状の電圧信号を与え、上記多段階可変コンダクタ
ンス回路の動作点を切り換えることにより、シナプスの
結合状態を切り換えるように構成したものである。この
方法は、例えば、後記第3図の回路と第4図の特性図で
説明する方法に相当する。
In addition, the invention stated in the 5th rJI claim is an invention of a writing method in a double rotor chip using the synapse as described above, and includes a multiple differential negative resistance element and a load element of a multi-stage variable conductance circuit serving as the synapse. The connection state of the synapse is switched by applying a pulsed voltage signal from the outside to the connection point or load element of the series circuit, and switching the operating point of the multi-stage variable conductance circuit. . This method corresponds to, for example, the method explained later using the circuit of FIG. 3 and the characteristic diagram of FIG. 4.

また、第6請求項に記載の発明は、前記のごとき多段階
可変コンダクタンス回路を構成した半導体装置であり、
電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、ホト
ダイオード、発光ダイオードおよびレーザのうちの少な
くとも一つと、電流・電圧特性に複数の微分負性抵抗を
有する素子とを同一基板上に集積化したものである。こ
の半導体装置は、例えば、後記第7〜lO図の実施例に
相当する。
Further, the invention according to claim 6 is a semiconductor device comprising a multi-stage variable conductance circuit as described above,
At least one of a field effect transistor, a bipolar transistor, a photodiode, a light emitting diode, and a laser, and an element having a plurality of differential negative resistances in current/voltage characteristics are integrated on the same substrate. This semiconductor device corresponds to, for example, the embodiments shown in FIGS. 7 to 10 below.

また、第7請求項に記載の発明は、上記第6請求項に記
載の半導体装置の具体的な構成を示す発明であり、上記
複数の微分負性抵抗を有する素子を、少なくとも三層の
ポテンシャル障壁層を有する共鳴トンネル構造で形成す
るように構成したものである。この発明は、例えば、後
記第7〜9図の実施例に相当する 〔作  用〕 多重微分負性抵抗素子で構成した回路、すなわち多値安
定回路は、2つの素子を用いて、出力の状態すなわち可
変コンダクタンス素子のコンダクタンスの取り得る状態
をいくつかの不連続な値に限定する。それによって出力
の再現性、設定精度が高まる。また、それによって出力
の状態を正確に読み出すことも可能になる。また、素子
数が少ないので集積化も容易になる。
Further, the invention as set forth in claim 7 is an invention showing a specific configuration of the semiconductor device as set forth in claim 6, wherein the element having the plurality of differential negative resistances is connected to a potential of at least three layers. It is configured to form a resonant tunnel structure having a barrier layer. This invention corresponds to, for example, the embodiments shown in FIGS. 7 to 9 below. That is, the possible states of the conductance of the variable conductance element are limited to several discontinuous values. This increases output reproducibility and setting accuracy. This also makes it possible to read out the output state accurately. Furthermore, since the number of elements is small, integration becomes easy.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施例1) 第1図は本発明の第1の実施例の回路図である。(Example 1) FIG. 1 is a circuit diagram of a first embodiment of the present invention.

第1図において、1は多重微分負性抵抗素子、2はFE
T、3は負荷抵抗、6は電源端子、7は制御電圧入力端
子である。
In Fig. 1, 1 is a multiple differential negative resistance element, 2 is an FE
T, 3 is a load resistance, 6 is a power supply terminal, and 7 is a control voltage input terminal.

上記の多重微分負性抵抗素子1は、第4図(a)の曲線
100で示されるような電流電圧特性を有する。なお、
第4図(a)の曲線100の特性は二重負性抵抗特性で
あるが、三重あるいはそれ以上の負性抵抗特性を有する
素子においても本質的な回路動作は二重負性抵抗の場合
と大きく異なるところはないので、以下では二重負性抵
抗特性、すなわち第4図(a)の曲線100を用いて動
作を説明する。また、第4図(a)の曲線100に示す
様な特性は、通常の負性抵抗素子を直列接続することに
よって実現することが出来る。
The above-described multiple differential negative resistance element 1 has current-voltage characteristics as shown by a curve 100 in FIG. 4(a). In addition,
Although the characteristic of curve 100 in FIG. 4(a) is a double negative resistance characteristic, the essential circuit operation of an element having triple or more negative resistance characteristics is significantly different from that in the case of double negative resistance. Therefore, the operation will be explained below using the double negative resistance characteristic, that is, the curve 100 in FIG. 4(a). Furthermore, the characteristics shown by the curve 100 in FIG. 4(a) can be realized by connecting ordinary negative resistance elements in series.

第1図の回路において、電源電圧をV。、多重微分負性
抵抗素子1(以下、素子1と略記する)にかかる電圧を
Vとすると、負荷抵抗3にかかる電圧はV。−■となる
。モしてFET2のゲートに流れる電流は無視できるの
で、素子1と負荷抵抗3に流れる電流は等しく、これを
工とする。また、負荷抵抗3の抵抗値Rと電流Iの積が
負荷抵抗における電圧降下であるので、 V、−V=R・工         (1)となる。こ
れを書き替えて V=V、−R−I          (1)’となる
In the circuit of FIG. 1, the power supply voltage is V. , when the voltage applied to the multiple differential negative resistance element 1 (hereinafter abbreviated as element 1) is V, the voltage applied to the load resistor 3 is V. −■ becomes. Since the current flowing through the gate of FET 2 can be ignored, the current flowing through element 1 and load resistor 3 are equal, and this is considered as a work. Further, since the product of the resistance value R of the load resistor 3 and the current I is the voltage drop in the load resistor, V, -V=R·min (1). Rewriting this, it becomes V=V, -RI (1)'.

上記(1)′の特性を第4図(a)に示したのが直線1
01である。
The characteristic of (1)' above is shown in Figure 4 (a) by straight line 1.
It is 01.

上記から明らかな様に、直線101と曲線100の交点
がこの回路の動作点であるが、そのうち安定であるのは
110.111.112の3点である。すなわち、FE
T2のゲート電位は110,111,112の電位のい
ずれかになる。それらの電位の切り換えは、制御電圧入
力端子7を適当な抵抗を介して接地することで可能であ
る。
As is clear from the above, the intersections of the straight line 101 and the curve 100 are the operating points of this circuit, but the three points 110, 111, and 112 are stable. That is, F.E.
The gate potential of T2 is one of the potentials 110, 111, and 112. These potentials can be switched by grounding the control voltage input terminal 7 via a suitable resistor.

ここで、第1図のFET2で表わされるFETを入力コ
ンダクタンスとして有する演算増幅回路を考えると第6
図に示す様になる。なお、第1図の回路の代わりに後記
第2.3図の回路も同様に適用可能である。
Here, considering an operational amplifier circuit having an FET represented by FET2 in FIG. 1 as an input conductance, the sixth
The result will be as shown in the figure. Note that the circuit shown in FIG. 2.3 described later can be similarly applied instead of the circuit shown in FIG. 1.

第6図において、入力コンダクタンス回路9が第1図の
回路に相当し、第1図のFET2が図示のごとく入力コ
ンダクタンスとして接続される。
In FIG. 6, an input conductance circuit 9 corresponds to the circuit in FIG. 1, and the FET 2 in FIG. 1 is connected as an input conductance as shown.

この回路では、演算増幅器10の入力端子は仮想接地電
位であるから、入力コンダクタンスを構成するFET2
のソース・ゲート間電圧は、素子1にかかる電圧Vと等
しくなる。従って、前記のごとく電圧■が多段階に変わ
ることによってFET2のコンダクタンスも多段階に変
わる。そして第6図に示した演算増幅1路では、入力コ
ンダクタンスの値と帰還抵抗11の抵抗値との積が増幅
率になるので、この演算増幅回路の増幅率を変えること
が可能になる。
In this circuit, since the input terminal of the operational amplifier 10 is at the virtual ground potential, the FET 2 constituting the input conductance
The source-gate voltage of is equal to the voltage V applied to the element 1. Therefore, as the voltage (2) changes in multiple steps as described above, the conductance of FET 2 also changes in multiple steps. In the single operational amplifier circuit shown in FIG. 6, the amplification factor is the product of the input conductance value and the resistance value of the feedback resistor 11, so it is possible to change the amplification factor of this operational amplifier circuit.

従来のコンダクタンスを変える方法としては、前記従来
例の説明の欄に記載したように、第5図(a) 、(b
)に示すような方法があるが、(a)においては蓄積電
荷の量が電流リークの存在によって時間的に変化してし
まうので、精度、再現性及び信頼性の面で問題があり、
また(b)のような素子の並列接続においては、素子数
が多くなり、その結果集積化を図る際に密度が上げられ
ないという問題があった。これに対して、本発明によれ
ば、少ない素子数で、高精度に再現性良く且つ信頼性高
く多段階にコンダクタンスを変えることが可能となる。
As described in the explanation section of the conventional example, the conventional method of changing the conductance is as shown in FIGS. 5(a) and 5(b).
), but in (a), the amount of accumulated charge changes over time due to the presence of current leakage, so there are problems in terms of accuracy, reproducibility, and reliability.
Furthermore, in the parallel connection of elements as shown in (b), the number of elements increases, and as a result, there is a problem that the density cannot be increased when integrating the elements. In contrast, according to the present invention, it is possible to change the conductance in multiple stages with high precision, good reproducibility, and high reliability using a small number of elements.

(実施例2) 第2図は、本発明の第2の実施例の回路図である。(Example 2) FIG. 2 is a circuit diagram of a second embodiment of the invention.

この実施例は、前記第1図の負荷抵抗3をノーマリオン
型の負荷FET4で置き替えた回路になっている。
This embodiment has a circuit in which the load resistor 3 shown in FIG. 1 is replaced with a normally-on type load FET 4.

負荷が抵抗である場合とFETである場合とでは、電流
・電圧特性に差があり、その結果、実施例1における負
荷線、すなわち第4図(a)の直線101に対応するの
は1本実施例では第4図(a)の曲線104となる。そ
の結果、動作点は122.124゜126となる。
There is a difference in current/voltage characteristics when the load is a resistor and when it is an FET, and as a result, only one load line corresponds to the load line in Example 1, that is, the straight line 101 in FIG. 4(a). In the example, the curve 104 is shown in FIG. 4(a). As a result, the operating point becomes 122.124°126.

本実施例は、前記実施例1の場合に比べて抵抗素子を必
要とせず、FETと負性抵抗素子の二種類の素子のみで
構成することが出来るので、集積化の際に有利となる。
This embodiment does not require a resistive element as compared to the first embodiment, and can be constructed with only two types of elements, an FET and a negative resistance element, which is advantageous in integration.

(実施例3) 第3図は、本発明の第3の実施例の回路図である。(Example 3) FIG. 3 is a circuit diagram of a third embodiment of the present invention.

この実施例において第2図と異なる点は、制御電圧入力
端子7が負荷FE’r5のゲート端子となっている点で
ある。そのために、負荷曲線はゲート電圧、すなわち第
3図の制御電圧入力端子7の電位によって変化し、第4
図(a)の曲線102〜106のようになる。例えば、
負荷曲線が106である場合には、動作点は120であ
る。次に制御電圧入力端子7の′電位を変化させて負荷
曲線を105.104へと変化させると、動作点は12
1,122へと変化し、更に負荷曲線が103となった
ときには動作点の飛びが生じて動作点は125となる。
This embodiment differs from FIG. 2 in that the control voltage input terminal 7 is the gate terminal of the load FE'r5. Therefore, the load curve changes depending on the gate voltage, that is, the potential of the control voltage input terminal 7 in FIG.
The curves are as shown in curves 102 to 106 in Figure (a). for example,
If the load curve is 106, the operating point is 120. Next, when the potential of the control voltage input terminal 7 is changed to change the load curve to 105.104, the operating point becomes 12.
1,122, and when the load curve further reaches 103, the operating point jumps and becomes 125.

ここで制御電圧を変えて負荷曲線を104に戻すと動作
点は124になる。
If the control voltage is changed to return the load curve to 104, the operating point becomes 124.

上記の動作を、縦軸を動作点電圧、横軸を制御電圧にと
って図示したのが第4図(b)である。
FIG. 4(b) illustrates the above operation with the operating point voltage on the vertical axis and the control voltage on the horizontal axis.

図中には第4図(、)に示した動作点の電圧も示しであ
る。また、図中の矢印は動作点の飛びの生じる方向であ
る。例えば、動作点122.124.126は同じ負荷
曲線上の点であるが、それら相互の間の切り換えは、制
御端子電圧を短時間パルス状に変化させ、その後元に戻
すことによって可能であることは(b)図から容易に理
解できよう。すなわち、この場合には外部からのパルス
状の電圧信号によって動作点を切り換えることが可能で
あり、外部回路を簡素化できる利点がある。
The figure also shows the voltage at the operating point shown in FIG. 4 (,). Further, the arrows in the figure indicate the direction in which the operating points jump. For example, operating points 122, 124, and 126 are points on the same load curve, but switching between them is possible by pulsing the control terminal voltage for a short time and then returning it. can be easily understood from figure (b). That is, in this case, it is possible to switch the operating point using a pulse-like voltage signal from the outside, and there is an advantage that the external circuit can be simplified.

なお、上記実施例1.2.3において、FETを用いた
部分はバイポーラトランジスタを用いても同様の動作を
させることができる。
In addition, in the above-mentioned embodiment 1.2.3, the same operation can be performed even if bipolar transistors are used for the portions using FETs.

(実施例4) 第7図は、本発明の第4の実施例図であり、前記のごと
き多段階可変コンダクタンス回路の多重微分負性抵抗素
子と負荷素子との部分を実現した半導体装置の断面構造
図を示す。
(Embodiment 4) FIG. 7 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention, and is a cross section of a semiconductor device that realizes the multiple differential negative resistance elements and load elements of the multi-stage variable conductance circuit as described above. A structural diagram is shown.

第7図において、半絶縁性GaAs基板201上に、n
型GaAsチャネル層202 (n : 2 XIO”
/ad、厚さ2000人)と、多重負性抵抗ダイオード
203(多重微分負性抵抗素子)と、オーミック電極2
04゜205.207と、ショットキーゲート電極20
6とが形成されている。
In FIG. 7, on a semi-insulating GaAs substrate 201, n
type GaAs channel layer 202 (n: 2XIO”
/ad, thickness 2000), multiple negative resistance diode 203 (multiple differential negative resistance element), and ohmic electrode 2
04°205.207 and Schottky gate electrode 20
6 is formed.

上記のオーミック電極204.205および207には
A u G e合金を用い、ショットキーゲート電極2
06にはAQを用いているが、これらは各々オーミック
接触、ショットキー接触を得られる材料であれば他の材
料を用いることも可能である。
The above ohmic electrodes 204, 205 and 207 are made of AuGe alloy, and the Schottky gate electrode 2
Although AQ is used for 06, other materials can be used as long as they can obtain ohmic contact and Schottky contact, respectively.

また、多重負性抵抗ダイオード203は、厚さ20人の
A Q As層、厚さ50人のG a A s層および
厚さ20人のAQAs層からなる量子井戸層(二重障壁
構造、す入でアンドープ)と、厚さ500人のn型Ga
As (n : I XIO”101?)とを交互に二
重ずつ積層し、その上下を厚さ2000人のn型GaA
s (n :1 xlO”/a()で挾んだ構造となっ
ている。なお。
In addition, the multiple negative resistance diode 203 has a quantum well layer (double barrier structure, all undoped) and 500mm thick n-type Ga
As (n: I
It has a structure sandwiched by s (n : 1 xlO"/a().

この実施例では二重負性抵抗特性を実現するために二層
の量子井戸層を用いたが、三重、四重あるいはそれ以上
の負性抵抗特性を実現するには量子井戸層の積層回数を
それに対応して増加させればよい。
In this example, two quantum well layers were used to achieve double negative resistance characteristics, but to achieve triple, quadruple, or more negative resistance characteristics, the number of stacked quantum well layers could be changed accordingly. It can be increased accordingly.

上記第7図の構造の等価回路は第10図(a)に示すよ
うになる。
An equivalent circuit of the structure shown in FIG. 7 is shown in FIG. 10(a).

第7図と第10図の対応関係を示すと、203は306
に、204は303に5205は304に、206は3
02に、207は301に各々対応している。
Showing the correspondence between Figures 7 and 10, 203 is 306
, 204 is 303, 5205 is 304, 206 is 3
02 and 207 correspond to 301, respectively.

上記のごとき第10図(a)に示した回路の端子303
を別のFETのゲートに接続すれば、前記第3図に示し
た回路を構成することが出来る。すなわち、本実施例に
よれば前記第3図の実施例3に示した回路を容易に同一
基板上に形成することが出来、実施例3に示した可変コ
ンダクタンス回路を容易に多数集積化することが出来る
Terminal 303 of the circuit shown in FIG. 10(a) as above
By connecting this to the gate of another FET, the circuit shown in FIG. 3 can be constructed. That is, according to this embodiment, the circuit shown in the third embodiment of FIG. 3 can be easily formed on the same substrate, and a large number of the variable conductance circuits shown in the third embodiment can be easily integrated. I can do it.

なお、ここで用いたチャネル層の厚み、キャリア濃度、
あるいは量子井戸層の膜厚等の数値は絶対的なものでな
く、また材料もG a A sには限られるものではな
く、InGaAs、AQGaAs等を用いてもよい。要
するに、FET構造上に多重障壁ダイオードを集積化し
であることが本実施例の要点である。また、電極配置も
必ずしも第7図の通りである必要は無く、例えば、出力
電極204の位置は、グー1〜電極206と多重負性抵
抗ダイオード203との間のチャネル層202上、ある
いはダイオードの側壁に設けてもよい。
Note that the thickness of the channel layer used here, the carrier concentration,
Alternatively, the values such as the thickness of the quantum well layer are not absolute, and the material is not limited to GaAs, but InGaAs, AQGaAs, etc. may also be used. In short, the key point of this embodiment is to integrate multiple barrier diodes on the FET structure. Furthermore, the electrode arrangement does not necessarily have to be as shown in FIG. It may also be provided on the side wall.

(実施例5) 第8図は、本発明の第5の実施例図であり、前記のごと
き多段階可変コンダクタンス回路の多重微分負性抵抗素
子と負荷素子との部分を実現した半導体装置の断面構造
図を示す。
(Embodiment 5) FIG. 8 is a diagram showing a fifth embodiment of the present invention, in which a cross section of a semiconductor device realizing the multiple differential negative resistance element and load element portion of the multi-stage variable conductance circuit as described above is shown. A structural diagram is shown.

第8図において、半絶縁性G a A s基板201上
に、n型GaAs層211、多重負性抵抗ダイオード層
203゜r1型Ga A sコレクタWJ210 (n
 : 5 xlO”/i、厚さ4000人)、p型Ga
Asベース層209(p:LXlo” / cd 、厚
さ1000人)、n型A Q 0.、 Gao、7As
エミツタ/H2O3(n : I XIO”/a&、厚
さ2000人)が形成され、それらの上にオーミック電
極212.213.214.215が形成されている。
In FIG. 8, on a semi-insulating GaAs substrate 201, an n-type GaAs layer 211, a multiple negative resistance diode layer 203°r1-type GaAs collector WJ210 (n
: 5 xlO"/i, thickness 4000), p-type Ga
As base layer 209 (p:LXlo"/cd, thickness 1000), n-type A Q 0., Gao, 7As
Emitters /H2O3 (n: IXIO''/a&, thickness 2000) are formed, and ohmic electrodes 212, 213, 214, 215 are formed on them.

上記の電極213はA u Z n合金を用い、他の電
極はA u G cを用いて、各々P型、n型のJvに
対してオーミック接触を得ている。
The above electrode 213 uses an A u Z n alloy, and the other electrodes use A u G c to obtain ohmic contact with the P-type and n-type Jv, respectively.

本実施例の等価回路は第10図(b)に示すようになる
。すなわち、この実施例においては、208゜209.
210の各層をエミッタ・ベース・コレクタとするバイ
ポーラトランジスタ307が負荷素子となり、それと多
重負性抵抗ダイオード306との直列接続となっている
The equivalent circuit of this embodiment is shown in FIG. 10(b). That is, in this example, 208°209.
A bipolar transistor 307 having each layer of 210 as an emitter, base, and collector serves as a load element, and a multiple negative resistance diode 306 is connected in series with the bipolar transistor 307 .

この実施例においては、バイポーラトランジスタ307
のベースに適当なバイアスを加えることにより、前記実
施例4と同様の効果を得ることが出来る。
In this embodiment, bipolar transistor 307
By applying an appropriate bias to the base of , the same effect as in the fourth embodiment can be obtained.

なお、この実施例では、GaAs/AQGaAsへテロ
接合バイポーラトランジスタを用いたが、これは、ホモ
接合トランジスタでもよく、また他の材料1例えば、I
nGaP/GaAs、InAQAs/InGaAs等の
へテロ接合、あるいは、これらのホモ接合を用いても同
様の効果が得られるのは勿論である。
Although a GaAs/AQGaAs heterojunction bipolar transistor was used in this example, it may also be a homojunction transistor, or other materials such as I
Of course, similar effects can be obtained by using heterojunctions such as nGaP/GaAs and InAQAs/InGaAs, or homozygotes thereof.

(実施例6) 第9図は1本発明の第6の実施例図であり、前記第8図
おけるエミッタ208およびベース209の部分のみを
示した部分断面図である。
(Embodiment 6) FIG. 9 is a diagram showing a sixth embodiment of the present invention, and is a partial sectional view showing only the emitter 208 and base 209 in FIG. 8.

この実施例においては、エミッタ電極212の部分を2
図示のように窓を開けた構造とし、外部の光がエミッタ
表面に入射できる様にすることにより、バイポーラトラ
ンジスタをホトトランジスタとして作用するようにした
ものである。
In this embodiment, the portion of the emitter electrode 212 is
As shown in the figure, the bipolar transistor is made to function as a phototransistor by having a structure with an open window to allow external light to enter the emitter surface.

本実施例の等価回路が第10図(C)である。The equivalent circuit of this example is shown in FIG. 10(C).

本実施例においては、コンダクタンスの切り換えに際し
て、外部からの電圧あるいは電流パルスを用いる代わり
に、光パルスを用いることが可能となる。
In this embodiment, when switching the conductance, it is possible to use a light pulse instead of using an external voltage or current pulse.

なお、本実施例におけるエミッタ電極212は。Note that the emitter electrode 212 in this embodiment is as follows.

実施例5と同様にA u G c合金を用いたが、その
代わりに、透明電極、例えばIn、O,、SnO2等を
用いれば、必ずしも窓を開けなくても光を入射させるこ
とが出来る。また、図において横方向あるいは斜方向か
ら光を入射させれば、やはり、窓を開けなくても同様の
効果が得られる。
As in Example 5, an A u G c alloy was used, but if a transparent electrode such as In, O, SnO2, etc. is used instead, light can be made to enter without necessarily opening the window. Furthermore, if light is incident from the side or oblique direction in the figure, the same effect can be obtained even without opening the window.

(実施例7) 第11図は、本発明の多段可変コンダクタンス回路を用
いたニューロチップの一実施例の回路構成図である。
(Embodiment 7) FIG. 11 is a circuit diagram of an embodiment of a neurochip using the multi-stage variable conductance circuit of the present invention.

第11図において、i nl〜i n−1in1〜in
Jは入力信号とその反転入力信号である。また、WI」
(i、jは自然数)で示される部分は所謂シナプスであ
り、それを構成する結合素子401(円形の記号で示す
)が前記実施例3の多段階可変コンダクタンス回路であ
る。ただし、この場合はコンダクタンスが8段階可変の
ものを用いている。
In FIG. 11, i nl~i n-1in1~in
J is an input signal and its inverted input signal. Also, W.I.”
The part indicated by (i, j are natural numbers) is a so-called synapse, and the coupling element 401 (indicated by a circular symbol) constituting it is the multi-stage variable conductance circuit of the third embodiment. However, in this case, one with variable conductance in eight steps is used.

なお、結合素子401では、可変コンダクタンス回路に
おける制御電圧入力端子等は図示を省略しており、結合
素子401の二つの端子は、第3図のFET2の両端子
に対応する。
Note that in the coupling element 401, control voltage input terminals in the variable conductance circuit and the like are not shown, and the two terminals of the coupling element 401 correspond to both terminals of the FET 2 in FIG. 3.

また入力線はシナプスを介して各増幅器AP、あるいは
軸索Si、Si等に接続される。また、各増幅器APの
入力には、各種入力及び軸索からの信号がシナプスを通
じて重み付けされて入力される。そしてその増幅器の出
力信号は再び軸索に出力される。すなわち、人力信号は
増幅器−軸索−シナプスー増幅器という帰還回路を有し
ており。
Further, the input line is connected to each amplifier AP or axon Si, Si, etc. via a synapse. Furthermore, signals from various inputs and axons are weighted and input to the input of each amplifier AP through synapses. The output signal of the amplifier is then outputted to the axon again. That is, the human input signal has a feedback circuit called an amplifier-axon-synapse amplifier.

その帰還の作用によって各軸索の電位は入力信号とシナ
プスの結合強度に応じて或る安定点に落ち着く。これが
いわゆるニューロコンピユーテイングであり、安定点に
おける軸索電位、すなわちSi、SL (iは自然数)
の電位が演算結果である。
Due to the feedback action, the potential of each axon settles down to a certain stable point depending on the strength of the connection between the input signal and the synapse. This is so-called neurocomputing, and the axonal potential at a stable point, i.e., Si, SL (i is a natural number)
The potential of is the calculation result.

本実施例では増幅器数を6、シナプス数を30としてチ
ップを作製(第11図ではその一部のみを図示)した。
In this example, a chip was fabricated with 6 amplifiers and 30 synapses (only a part of which is shown in FIG. 11).

このとき必要とされた素子数は、増幅器1個当りFET
5個、シナプス1個当り素子12個であり1合計390
個であった。それに対して。
The number of elements required at this time is FET per amplifier.
5 elements, 12 elements per synapse, 1 total 390
It was. On the other hand.

前記第5図(b)示した従来例の可変コンダクタンス回
路を用いた場合には、シナプス1個当りFETが36素
子必要となり、本実施例と同じ機能を実現するのに合計
1110個のFETが必要となる。
When the conventional variable conductance circuit shown in FIG. 5(b) is used, 36 FETs are required per synapse, and a total of 1110 FETs are required to achieve the same function as in this embodiment. It becomes necessary.

したがって本実施例によれば、素子数を大幅に減少する
ことが出来、チップ面積を著しく縮少することが出来る
。さらに、第5図(b)の可変コンダクタンス回路を用
いた場合には、各シナプスの結合素子のコンダクタンス
を決めるのに、コンダクタンスが8段階可変の場合で1
結合素子当り8本の入力線が必要であるが、本実施例で
は、コンダクタンス可変の段階数に拘りなく、1結合素
子当り1本でよいので、配線本数も大幅に減少させるこ
とが出来る。
Therefore, according to this embodiment, the number of elements can be significantly reduced, and the chip area can be significantly reduced. Furthermore, when using the variable conductance circuit shown in FIG.
Eight input lines are required for each coupling element, but in this embodiment, one input line is required for each coupling element regardless of the number of conductance variable stages, so the number of wiring lines can be significantly reduced.

(実施例8) 第12図は、本発明の第8の実施例図であり、実施例3
に示した回路に読み出し用FET501、判別回路50
2、参照人力503を加えた回路を示す。
(Example 8) FIG. 12 is a diagram showing the eighth example of the present invention, and Example 3
A readout FET 501 and a discrimination circuit 50 are added to the circuit shown in FIG.
2. A circuit with reference human power 503 is shown.

第12図の回路において、読み出し用F E T501
は通常時オフであり、読み出し時にのみゲート電圧を加
えることによって導通状態となる。また。
In the circuit of FIG. 12, the read FET501
is normally off, and becomes conductive by applying a gate voltage only during reading. Also.

判別回路502は、読み出し用トランジスタ501から
の信号、すなわち可変コンダクタンス素子となるFET
2のゲート電位(多重微分負性抵抗素子1と負荷素子5
との接続点の電位)と参照人力503とを比較し、その
差と符号を信号として出力する。
The discrimination circuit 502 receives the signal from the readout transistor 501, that is, the FET serving as a variable conductance element.
2 gate potential (multiple differential negative resistance element 1 and load element 5
The electric potential at the connection point) is compared with the reference human power 503, and the difference and sign are output as a signal.

こうすることによって可変コンダクタンス素子2のコン
ダクタンスの大きさを非破壊的に読み出すことが可能に
なる。
By doing so, it becomes possible to read out the magnitude of the conductance of the variable conductance element 2 non-destructively.

この回路の使用例としては、例えば、実施例7のニュー
ロチップの結合素子401として用いることが出来る。
This circuit can be used, for example, as the coupling element 401 of the neurochip of the seventh embodiment.

そしてこの回路を用いた場合には次のことが可能になる
When this circuit is used, the following becomes possible.

まず、第1にシナプス中の結合状態を読み出すことが可
能となるので、一つのニューロチップの結合状態を他の
チップに完全に複写することが可能となる。複写は次の
様に行なわれる。まず、複写元のチップ上の或る一つの
シナプスで参照人力503をゼロ電位として結合状態を
読み出し、その信号を複写先のチップの対応するシナプ
スの参照信号とする。次に、その複写先のシナプスの制
御電圧入力端子7に信号パルスを入力し、判別回路50
2の出力がゼロになるようにする。これを全てのシナプ
スについて繰り返すことにより、チップ間で結合状態の
複写が可能となる。
First, since it becomes possible to read out the connection state in a synapse, it becomes possible to completely copy the connection state of one neurochip to another chip. Copying is performed as follows. First, the connection state is read out at a certain synapse on the copy source chip by setting the reference human power 503 to zero potential, and that signal is used as the reference signal of the corresponding synapse on the copy destination chip. Next, a signal pulse is input to the control voltage input terminal 7 of the synapse to be copied, and the discrimination circuit 50
Make the output of 2 become zero. By repeating this for all synapses, it becomes possible to copy the connection state between chips.

第2に、複写の場合と同様の方法を用いて、結合状態を
他の媒体、例えば磁気記録材料等に記録することが出来
る。或る一定の入力に対するニューロチップの出力を、
本来要求される出力と一致させるようにシナプスの結合
強度を変えることを学習と呼んでいるが、本実施例によ
れば学習結果を記録および複写することが出来る。
Second, the bond state can be recorded on another medium, such as a magnetic recording material, using methods similar to those used for copying. The output of the neurochip for a certain input is
Changing the connection strength of synapses so as to match the originally required output is called learning, and according to this embodiment, the learning results can be recorded and copied.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、少ない素子数で安定に精度・再現性の
良い多段階可変コンダクタンス回路を実現すること出来
る。また1本発明の回路は容易に集積化出来る効果もあ
り、さらに精度良く結合状態を記録・複写可能なニュー
ロチップを実現することが出来る1等の多くの優れた効
果が得られる。
According to the present invention, it is possible to stably realize a multi-stage variable conductance circuit with good accuracy and reproducibility with a small number of elements. Furthermore, the circuit of the present invention has the advantage that it can be easily integrated, and has many other excellent effects such as being able to realize a neurochip that can record and copy connection states with higher accuracy.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の実施例1の回路図、第2図は本発明の
実施例2の回路図、第3図は本発明の実施例3の回路図
、第4図(a)は本発明の実施例1.2.及び3の動作
特性図、第4図(b)は実施例3の入出力特性図、第5
図は従来例の回路図、第6図は本発明の実施例1.2、
及び3の応用回路図、第7図は本発明の実施例4の断面
構造図、第8図は本発明の実施例5の断面構造図、第9
図は本発明の実施例6の一部の断面構造図、第10図(
a)、(b)、(c)は各々本発明の実施例4.5゜6
の等価回路図、第11図は本発明の実施例7の回路構成
図、第12図は本発明の実施例8の回路図である。 く符号の説明〉 1・・・多重微分負性抵抗素子 2・・・FET (可変コンダクタンス素子)3・・・
負荷抵抗       4・・・負荷F E T5・・
・負荷FET       6・・・fIl、源端子7
・・・制御電圧入力端子   8・・・MO8FET9
・・・入力コンダクタンス 10・・・演算増幅器      11・・・帰還抵抗
100・・・多重負性抵抗特性 101・・・抵抗負荷特性直線 102〜106・・・FET負荷特性曲線110〜11
2・・・抵抗負荷時の動作点120〜128・・・FE
T負荷時の動作点201−=GaAs基板 202・・・n型GaAsチャネル層 203・・・多重負性抵抗ダイオード 204・・・出力電極 205・・・ダイオード接地電極 20G・・・ゲート電極    207・・・ドレイン
電極208・・・エミツタ層    209・・ベース
層210・・・コレクタ層    211・・・電極取
り出し層212・・・エミッタ電極  213・・・ベ
ース電極214・・・コレクタ電極 215・・・ダイオード接地電極 301・・・電源端子    302・・・制御電圧入
力端子303・・・出力端子    304・・・接地
端子305・・・負荷FET    306・・・多重
負性抵抗索子307・・・負荷バイポーラトランジスタ
308・・・ホトトランジスタ 401・・・結合素子 501・・・読み出し用トランジスタ 502・・・判別回路 503・・・参照入力
1 is a circuit diagram of Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a circuit diagram of Embodiment 2 of the present invention, FIG. 3 is a circuit diagram of Embodiment 3 of the present invention, and FIG. 4(a) is a circuit diagram of Embodiment 3 of the present invention. Example 1.2 of the invention. and 3, FIG. 4(b) is an input/output characteristic diagram of Example 3, and FIG.
The figure is a circuit diagram of a conventional example, and FIG. 6 is an embodiment 1.2 of the present invention.
and 3, FIG. 7 is a cross-sectional structural diagram of the fourth embodiment of the present invention, FIG. 8 is a cross-sectional structural diagram of the fifth embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional structural diagram of the fifth embodiment of the present invention.
The figure is a cross-sectional structural diagram of a part of Embodiment 6 of the present invention, and FIG. 10 (
a), (b), and (c) are each Example 4.5゜6 of the present invention.
FIG. 11 is a circuit diagram of the seventh embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a circuit diagram of the eighth embodiment of the present invention. Explanation of symbols> 1...Multiple differential negative resistance element 2...FET (variable conductance element) 3...
Load resistance 4...Load F E T5...
・Load FET 6...fIl, source terminal 7
...Control voltage input terminal 8...MO8FET9
...Input conductance 10...Operation amplifier 11...Feedback resistance 100...Multiple negative resistance characteristics 101...Resistive load characteristic straight lines 102-106...FET load characteristic curves 110-11
2...Operating point at resistive load 120-128...FE
Operating point at T load 201-=GaAs substrate 202...n-type GaAs channel layer 203...multiple negative resistance diode 204...output electrode 205...diode ground electrode 20G...gate electrode 207. ...Drain electrode 208...Emitter layer 209...Base layer 210...Collector layer 211...Electrode extraction layer 212...Emitter electrode 213...Base electrode 214...Collector electrode 215... Diode ground electrode 301...power supply terminal 302...control voltage input terminal 303...output terminal 304...ground terminal 305...load FET 306...multiple negative resistance cord 307...load Bipolar transistor 308...Phototransistor 401...Coupling element 501...Reading transistor 502...Discrimination circuit 503...Reference input

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、電流・電圧特性に2箇所以上の微分負性抵抗特性を
有する多重微分負性抵抗素子と、その負荷素子と、該多
重微分負性抵抗素子と負荷素子との直列回路における両
者の接続点に接続された可変コンダクタンス素子とを備
えたことを特徴とする多段階可変コンダクタンス回路。 2、上記直列回路の接続点または上記負荷素子に外部入
力を与えてコンダクタンスを或る段階から他の段階に切
り換えるように構成したことを特徴とする第1請求項に
記載の多段階可変コンダクタンス回路。 3、ニューロン内あるいはニューロン間の入出力インタ
ーフェースとなるシナプスに相当する手段を備えたニュ
ーロチップにおいて、上記シナプスに相当する手段を第
1または第2請求項に記載の多段階可変コンダクタンス
回路で構成したことを特徴とするニューロチップ。 4、第3請求項に記載のニューロチップにおいて、上記
シナプスとなる多段階可変コンダクタンス回路の、多重
微分負性抵抗素子と負荷素子との直列回路における両者
の接続点の電位を外部に取り出すことにより、シナプス
の結合状態を読み出すことを特徴とするニューロチップ
の読み出し方法。 5、第3請求項に記載のニューロチップにおいて、上記
シナプスとなる多段階可変コンダクタンス回路の、多重
微分負性抵抗素子と負荷素子との直列回路における両者
の接続点または負荷素子に、外部からパルス状の電圧信
号を与え、上記多段階可変コンダクタンス回路の動作点
を切り換えることにより、シナプスの結合状態を切り換
えることを特徴とするニューロチップの書き込み方法。 6、電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、
ホトダイオード、発光ダイオードおよびレーザのうちの
少なくとも一つと、電流・電圧特性に複数の微分負性抵
抗を有する素子とを同一基板上に集積化したことを特徴
とする半導体装置。 7、上記複数の微分負性抵抗を有する素子が、少なくと
も三層のポテンシャル障壁層を有する共鳴トンネル構造
で形成されたものであることを特徴とする第6請求項に
記載の半導体装置。
[Claims] 1. A multiple differential negative resistance element having two or more differential negative resistance characteristics in current/voltage characteristics, a load element thereof, and a series connection of the multiple differential negative resistance element and the load element. A multi-stage variable conductance circuit comprising: a variable conductance element connected to a connection point between the two in the circuit. 2. The multi-stage variable conductance circuit according to claim 1, wherein the multi-stage variable conductance circuit is configured to switch the conductance from one stage to another by applying an external input to the connection point of the series circuit or the load element. . 3. In a neurochip equipped with means corresponding to a synapse serving as an input/output interface within or between neurons, the means corresponding to the synapse is constituted by the multi-stage variable conductance circuit according to the first or second claim. A neurochip characterized by: 4. In the neurochip according to claim 3, by extracting the potential at the connection point between the multiple differential negative resistance element and the load element in the series circuit of the multi-stage variable conductance circuit serving as the synapse to the outside. , a neurochip readout method characterized by reading out the connection state of synapses. 5. In the neurochip according to claim 3, a pulse is applied from the outside to a connection point between the multiple differential negative resistance element and the load element in a series circuit of the multi-differential negative resistance element and the load element in the multi-stage variable conductance circuit serving as the synapse. 1. A method for writing a neurochip, characterized in that a synaptic connection state is switched by applying a voltage signal of the form and switching the operating point of the multi-stage variable conductance circuit. 6. Field effect transistor, bipolar transistor,
1. A semiconductor device comprising at least one of a photodiode, a light emitting diode, and a laser, and an element having a plurality of differential negative resistances in current/voltage characteristics, integrated on the same substrate. 7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the plurality of elements having differential negative resistance are formed in a resonant tunnel structure having at least three potential barrier layers.
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