JPH03290958A - Optical information processor - Google Patents

Optical information processor

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JPH03290958A
JPH03290958A JP2091816A JP9181690A JPH03290958A JP H03290958 A JPH03290958 A JP H03290958A JP 2091816 A JP2091816 A JP 2091816A JP 9181690 A JP9181690 A JP 9181690A JP H03290958 A JPH03290958 A JP H03290958A
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gate
voltage
drain
photocurrent
sensitivity
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JP2091816A
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Yoshikazu Nitta
嘉一 新田
Atsushi Ota
淳 太田
Kazuo Hisama
和生 久間
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

PURPOSE:To realize an optical neurocomputer, e.g. an integrated dynamic neurochip, by providing a floating gate under a control gate of a variable- sensitivity photodetector and by adding a memory function thereto. CONSTITUTION:A floating gate 2 is provided under a control gate 1, and when an incident light is made to enter a depletion layer region 7 through transparent electrodes of the gates 1 and 2 by a metal electrode 6, a photocurrent is generated. In the case of writing, a positive high voltage is applied to the gate 1 and an N-type drain 4 and moreover the amplitude of the voltage applied to the drain 4 is varied. Thereby the amount of storage of a charge on the gate 2, i.e., a gate voltage, is varied and also execution of a multistage control is enabled. In the case of erasure, electrons are extracted by applying a high voltage between the drain 4 and the gate 1 and further a higher voltage is applied after the erasure. Then the photocurrent flows through the gate 2 in accordance with the amount of the stored charge and thereby a state of 1 is brought forth. By such a process as stated above, electric adjustment of sensitivity is enabled and an optical neurocomputer can be realized.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、光ニューロコンピユーテイングに適したメ
モリ機能を有する感度可変の光検出器に関するものであ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a variable sensitivity photodetector having a memory function suitable for optical neurocomputing.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

第3図は例えば、 Quantum Electron
ics誌、1989年、第25巻、第5号、896頁〜
903頁に示された感度可変光検出器の構成図であり。
Figure 3 shows, for example, Quantum Electron.
ics magazine, 1989, Vol. 25, No. 5, p. 896~
903 is a configuration diagram of the variable sensitivity photodetector shown on page 903. FIG.

図において、 (la)はポリシリコン透明電極、 (
3a)は酸化シリコン絶縁膜、(6)は金属電極、 (
4a)はP−8,、(5a)はn  81基板である。
In the figure, (la) is a polysilicon transparent electrode, (
3a) is a silicon oxide insulating film, (6) is a metal electrode, (
4a) is a P-8, and (5a) is an N81 substrate.

第4図はTransactions on Elect
ron Devices誌、1986年、第ED−33
巻、第6号、835頁〜844頁に示されたEEPRO
Mの構成図であり1図において(1b)はコントロール
・ゲート(2b)はフローティング・ゲート、 (3b
)はフィールド酸化膜、(4b)はn+−ドレイン、 
 (11)はn”−ソース、  (5b)はP−基板で
ある。
Figure 4 shows Transactions on Elect.
ron Devices magazine, 1986, No. ED-33
EEPRO shown in Vol. 6, pp. 835-844.
This is a configuration diagram of M, and in Figure 1, (1b) is a control gate, (2b) is a floating gate, and (3b) is a floating gate.
) is the field oxide film, (4b) is the n+-drain,
(11) is an n''-source, and (5b) is a P-substrate.

次に動作について説明する。Next, the operation will be explained.

第3図において1 ンリコン電極(1a3.酸化シリコ
ン絶縁膜(3a)、  n型ドープS1基板(5a)と
でMIs構造(Metal −In5ulator −
Sem1conductor)となっている。電極(1
a)に負のバイアス電圧を印加した場合、絶縁膜(3a
)と半導体(5a)界面近傍に空乏層が生ずる。入射光
は、垂直方向から、ポリシリコンの透明電極(1a)を
透過して空乏層に入射する。入射光の波長が、半導体(
5a)材料の吸収端の波長より短い場合、空乏層内で光
電流(電子−ホ−ル対)が発生する。発生した電子はn
型(5a)。
In Fig. 3, an MIs structure (Metal-In5ulator-
Sem1conductor). Electrode (1
When a negative bias voltage is applied to a), the insulating film (3a
) and the semiconductor (5a), a depletion layer is generated near the interface. Incident light passes through the polysilicon transparent electrode (1a) and enters the depletion layer from the vertical direction. The wavelength of the incident light is
5a) If the wavelength is shorter than the absorption edge wavelength of the material, a photocurrent (electron-hole pair) is generated in the depletion layer. The generated electrons are n
Type (5a).

P型(4a)半導体のP−n接合により集められ、電極
(6)から取り出される。この素子から発生する光電流
の大きさは、空乏層の厚さに比例し、厚さが増加するに
従い光電流が増加する。また、空乏層の厚さは、電極(
1a)に加えるバイアス電圧の大きさに比例する。従っ
て第3図に示される素子は。
It is collected by the P-n junction of the P-type (4a) semiconductor and taken out from the electrode (6). The magnitude of the photocurrent generated from this element is proportional to the thickness of the depletion layer, and the photocurrent increases as the thickness increases. In addition, the thickness of the depletion layer is determined by the electrode (
It is proportional to the magnitude of the bias voltage applied to 1a). Therefore, the element shown in FIG.

電極(1a)に加えるバイアス電圧により、素子に流れ
る光電流、すなわち入射光に対する感度を可変にするこ
とができる。
By applying a bias voltage to the electrode (1a), the photocurrent flowing through the element, that is, the sensitivity to incident light can be varied.

第4図は9代表的なE E P ROM (elect
rically erasable and prog
rammable ROll)の構成例を示している。
Figure 4 shows nine representative EEPROMs (elect
rically erasable and prog
A configuration example of rammable ROll) is shown.

任意のアドレスに任意の順序でアクセスすることを許す
ものの、読出しを、主な、あるいは唯一の動作とするメ
モリをROM (read 。
ROM (read) is a memory that allows access to any address in any order, but whose main or only operation is reading.

11y meIIory)と呼ぶ。さらに電気的に消去
も書き込みも可能なROMをEEPROMと呼ぶ。書き
込みは、コントロール・ゲート(16)とドレイン(4
b)に正の高電圧を加え、ドレインにホット・エレクト
ロンを発生させ、ドレイン側からフローティング・ゲー
ト(2b)に注入する。この結果、コントロールゲート
から見たしきい値電圧が高い状態(″0′状態)となる
。ゲート電圧がしきい値電圧以下のとき、ドレイン電流
は流れにくくなる。消去はソース(5b)側からF −
N (Flower−Nordheim)トンネリング
で電子を引き抜き、しきい値電圧の低い″1″状態にす
る。読み出しは、コントロール・ゲート(1b)に電圧
を加えてセルを選択して、ドレインにはホットエレクト
ロンを発生させないよう十分低い電圧を印加して、セル
のしきい値電圧の差に応じて’1’/’0’を読みとる
11y meIIory). Further, a ROM that can be electrically erased and written is called an EEPROM. Writing is performed on the control gate (16) and drain (4).
A high positive voltage is applied to b) to generate hot electrons in the drain, which are injected into the floating gate (2b) from the drain side. As a result, the threshold voltage seen from the control gate becomes a high state ("0' state). When the gate voltage is less than the threshold voltage, the drain current becomes difficult to flow. Erasing starts from the source (5b) side. F-
Electrons are extracted by N (Flower-Nordheim) tunneling to create a "1" state with a low threshold voltage. For reading, a voltage is applied to the control gate (1b) to select a cell, and a sufficiently low voltage is applied to the drain so as not to generate hot electrons. '/'0' is read.

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

第3図に示した従来の感度可変型の光検出装置は1以上
のように構成されているので、装置自身にメモリ機能を
もたないため、感度を変調する場合、コントロールゲー
トに電圧を加え続けなければならず、アレイ化する際に
書き込みが困難であるという問題点があった。
The conventional variable-sensitivity photodetector shown in Figure 3 is configured with one or more elements, so the device itself does not have a memory function, so when modulating the sensitivity, a voltage is applied to the control gate. There was a problem in that it was difficult to write data when forming an array.

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、感度可変型の光検出器にメモリ機能を付加す
るとともに、光コンピユーテイングに適した光集積回路
を得ることを目的とする。
This invention was made to solve the above problems, and aims to add a memory function to a variable sensitivity photodetector and to obtain an optical integrated circuit suitable for optical computing. do.

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

この発明に係る光情報処理装置は、Mis構造を有する
感度可変の光検出器に、コントロール・ゲートの下にフ
ローティングゲートを設けることにより、EEPROM
と類似の構造としたものである。
The optical information processing device according to the present invention has a variable sensitivity photodetector having a Mis structure, and a floating gate is provided below the control gate.
It has a similar structure.

〔作用〕[Effect]

この発明における光情報処理装置は、EEFROM構造
によりフローティング・ゲートに蓄積された電荷量に応
じて、その感度が変調され、かつ不揮発性のメモリ機能
が付加される。
In the optical information processing device according to the present invention, the sensitivity is modulated according to the amount of charge accumulated in the floating gate by the EEFROM structure, and a nonvolatile memory function is added.

〔実施例〕〔Example〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第1
図において、(1)はポリ・シリコンの透明電極からな
るコントロール・ゲートで、ゲート電圧V6を印加する
。(2)はポリシリコンの透明電極からなるフローティ
ングゲート電極で、シリコン酸化膜の絶縁膜(3)中に
浮いた状態で付けられている。シリコン酸化膜(3)の
下に、n型にドーピングされたシリコン半導体(4)が
形成されている。(4)にはドレイン電圧VI)が印加
される。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1st
In the figure, (1) is a control gate made of a transparent polysilicon electrode to which a gate voltage V6 is applied. (2) is a floating gate electrode made of a transparent polysilicon electrode, which is attached in a floating state in an insulating film (3) of silicon oxide film. An n-type doped silicon semiconductor (4) is formed under the silicon oxide film (3). A drain voltage VI) is applied to (4).

(5)はP型にドーピングされたシリコン半導体基板で
ある。(6)はn型シリコン(4)の上に酸化膜(3)
を介して取付られた金属電極である。
(5) is a P-type doped silicon semiconductor substrate. (6) is an oxide film (3) on n-type silicon (4)
It is a metal electrode attached through the.

次に動作について説明する。Next, the operation will be explained.

第1図に示すように、入力光は本装置に対して垂直方向
から入射する。図に示すように金属電極(6)により、
入射光が透明電極を透過して、P型基板上にのみ入射す
る。第1図に示される空乏層領域(7)に光が入射する
と、光電流T phが発生する。この電流の生成の割合
Rは空乏層厚dに対して比例関係が成り立つ。また空乏
層厚dは、フローティング・ゲート電極(2)の電圧V
 p c、に比例する。VFo<Oの場合、P型半導体
(5)と絶縁膜(3)界面では、空乏層は存在せず(d
=o)となり光電流1.hの生成率R1t、  R=−
oとなる。VFG>0の場合、空乏層厚dはV Fcに
比例して増加し、RCx−vFGの関係が成り立つ。フ
ローティング・ゲートへの電圧の印加方法について1次
に説明する。
As shown in FIG. 1, input light enters the device from a vertical direction. As shown in the figure, the metal electrode (6)
Incident light passes through the transparent electrode and is incident only on the P-type substrate. When light enters the depletion layer region (7) shown in FIG. 1, a photocurrent T ph is generated. The current generation rate R is proportional to the depletion layer thickness d. Moreover, the depletion layer thickness d is the voltage V of the floating gate electrode (2)
It is proportional to p c. When VFo<O, there is no depletion layer at the interface between the P-type semiconductor (5) and the insulating film (3) (d
=o) and the photocurrent is 1. Production rate R1t of h, R=-
It becomes o. When VFG>0, the depletion layer thickness d increases in proportion to V Fc, and the relationship RCx-vFG holds true. First, a method of applying voltage to the floating gate will be explained.

基本動作は、先述のEEPROMの原理と同様である。The basic operation is similar to the principle of the EEPROM described above.

書き込みは、コントロール・ゲート(])とn型ドレイ
ン(4)に正の高電圧を加え、ホットエレクトロンを発
生させ、フローティング・ゲートに注入する。このとき
ドレインに加える電圧VGの大きさを変えることで、フ
ローティング・ゲートへの電荷の蓄積量すなわちゲート
電圧VFGを変化させる。また、■oを一定のパルス列
として加えることで+  VFGを多段階で制御するこ
とができる。この結果v p c < Oのとき、光電
流1 phの流れない状態(″O″状態)となる。消去
は、書き込みを行ったドレイン(4)とコントロール・
ゲート(1)間に高電圧を加え、F−Nl−ンネリング
により電子を引き抜く。消去が終了した後、さらに大き
な電圧を加えるとフローティング・ゲート(2)に正孔
が注入されVpc>0となり、蓄積された電荷量に応し
て光電流1.hが流れ、21′状態になる。以上の書き
込み、消去のプロセスにより、第1図の装置は、電気的
に感度が調節可能となり、またEEPROMは不揮発性
メモリであるため、−度書き込むと、その情報を長期間
保持することができる。
For writing, a high positive voltage is applied to the control gate (]) and the n-type drain (4) to generate hot electrons and inject them into the floating gate. At this time, by changing the magnitude of the voltage VG applied to the drain, the amount of charge accumulated in the floating gate, that is, the gate voltage VFG is changed. Furthermore, +VFG can be controlled in multiple stages by adding o as a constant pulse train. As a result, when v p c <O, a state in which no photocurrent of 1 ph flows (“O” state) is achieved. Erasing is done by connecting the drain (4) where writing was performed and the control
A high voltage is applied between the gates (1) and electrons are extracted by F-Nl- tunneling. After erasing is completed, when a larger voltage is applied, holes are injected into the floating gate (2) and Vpc>0, resulting in a photocurrent of 1. h flows and the state becomes 21'. Through the above writing and erasing processes, the sensitivity of the device shown in Figure 1 can be adjusted electrically, and since EEPROM is a non-volatile memory, it is possible to retain the information for a long period of time after it has been written. .

なお、上記の実施例では、(4)にn型ドレイン(5)
にP型基板を設けたものを示したが、(4)にP型ドレ
イン(5)にn型基板を用いても同様の効果が期待でき
る。但しその場合、V、、、V、の電圧は逆バイアスと
なり、電流の向きが逆になる。
Note that in the above embodiment, (4) is an n-type drain (5).
Although a P-type substrate is shown in (4), the same effect can be expected even if an n-type substrate is used for the P-type drain (5). However, in that case, the voltages of V, , V, will be reverse biased, and the direction of the current will be reversed.

また、上記実施例ではn型チャネル7及びP型チャネル
単体の場合について説明したが、第2図に示すようにP
型とn型チャネルを隣り合せに集積化した場合、CMO
8構造の上記実施例とは異なった効果を実現できる。第
2図では、まずn型基板(5)に、P型チャネル(4)
を形成し、PMO8構造を設ける。基板(5)上にP型
ウェル層(10)を形成し、さらにn型チャネルを形成
することで。
Furthermore, in the above embodiment, the case of a single n-type channel 7 and a p-type channel was explained, but as shown in FIG.
When the type and n-type channels are integrated next to each other, the CMO
Effects different from those of the above-mentioned embodiment of the 8-structure can be achieved. In Figure 2, first a P-type channel (4) is placed on an n-type substrate (5).
and provide a PMO8 structure. By forming a P-type well layer (10) on a substrate (5) and further forming an n-type channel.

ウェル内でNMO5構造を設ける。上記の2枚のゲート
を設定し、P型、n型のチャネル(4)、 (9)を 
さらにPMO5NMO3のコントロール・ゲート(1)
を電気的に共通にする。
A NMO5 structure is provided within the well. Set the above two gates and connect P-type and n-type channels (4) and (9).
Furthermore, the control gate (1) of PMO5NMO3
be electrically common.

この装置に、光を一様に入射した場合、がっV。とv6
に正の高電圧を加えた場合、NMO3は書き込み、すな
わち#0″状態、PMO3は消去。
When light is uniformly incident on this device, V. and v6
When a high positive voltage is applied to , NMO3 is written, ie, in the #0'' state, and PMO3 is erased.

21″状態となる。このときはPMO5側でのみ光か検
出され、ドレイン(4)から正の電流が流れる。
21'' state. At this time, light is detected only on the PMO 5 side, and a positive current flows from the drain (4).

負の電圧を加えた場合、まったく反対の状態となり、ド
レイン(9)から負の電流が流れ込む。
When a negative voltage is applied, the exact opposite situation occurs and a negative current flows from the drain (9).

従って、この装置を使用するとゲート電圧によって光の
信号を正負の光電流に変換することができる。
Therefore, when this device is used, optical signals can be converted into positive and negative photocurrents by the gate voltage.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上のように、この発明によれば光検出器に感度可変機
能及びメモリ機能をもたせるように構成したので、光ニ
ューロコンピュータを実現するデバイス、例えば集積化
されたダイナミックニュロチップが実現できる効果があ
る。
As described above, according to the present invention, since the photodetector is configured to have a variable sensitivity function and a memory function, it is possible to realize a device that realizes an optical neurocomputer, for example, an integrated dynamic neurochip. .

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

第1図はこの発明の一実施例による光検出器を示す断面
図、第2図は他の実施例を示す断面図。 第3図、第4図は従来例をそれぞれ示す断面図である。 (1) 、 (2)はゲーh、(3)は絶縁膜である。 なお1図中、同一符号は同一、又は相当部分をホす。
FIG. 1 is a sectional view showing a photodetector according to one embodiment of the invention, and FIG. 2 is a sectional view showing another embodiment. FIGS. 3 and 4 are sectional views showing conventional examples, respectively. (1) and (2) are the gate h, and (3) is the insulating film. In Figure 1, the same reference numerals refer to the same or corresponding parts.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)二層のゲートを有し、電気的に消去及び書き込み
が可能なEEPROM構造を備え、上記ゲートに加える
電圧により光検出感度を可変にしたことを特徴とする光
情報処理装置。
(1) An optical information processing device comprising an EEPROM structure having a two-layer gate and electrically erasable and writable, and having a photodetection sensitivity variable by a voltage applied to the gate.
(2)電気的に絶縁されたゲートに加える電荷量を可変
とし、その電荷を上記ゲートに蓄積させることを特徴と
する請求項1記載の光情報処理装置。
(2) The optical information processing device according to claim 1, wherein the amount of charge applied to the electrically insulated gate is made variable, and the charge is accumulated in the gate.
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