JPS62181468A - Flip-flop composed of resonant tunneling transistor - Google Patents

Flip-flop composed of resonant tunneling transistor

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JPS62181468A
JPS62181468A JP61239209A JP23920986A JPS62181468A JP S62181468 A JPS62181468 A JP S62181468A JP 61239209 A JP61239209 A JP 61239209A JP 23920986 A JP23920986 A JP 23920986A JP S62181468 A JPS62181468 A JP S62181468A
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    • G11C2211/561Multilevel memory cell aspects
    • G11C2211/5614Multilevel memory cell comprising negative resistance, quantum tunneling or resonance tunneling elements

Abstract

PURPOSE:To enable the high-speed operation by simplifying a constitution by providing a current source inserted between a base and an emitter of an active element and a means for selectively giving signals to said active element. CONSTITUTION:This device comprises an active element QR, a resistor RB connected between base and emitter in order to cause the base of said active element QR to obtain two stable states, a power source for supplying a positive side power source level VCC1, and a static element QS for selectively giving signals in order to cause said active element QR to obtain either of two stable states. Consequently, the resonant tunneling effect generated in an RHET as an active element becomes to be able to realize two stable states of the base and these two stable states can be transferred arbitrarily by signals from the base side or the collector side. Accordingly, the constitution by use of a small number of active elements is possible and it is effective for attaining high integration and high speed of a flip-flop.

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は、フリップ・フロップに於いて、エミッタ層と
ベース層との間に形成された超格子層をキャリヤが共鳴
トンネリングする形式の能動素子と、その能動素子のベ
ース・エミッタ間に挿入された電流源と、同じくその能
動素子に信号を選択的に与える手段とを備えてなる構成
を採ることに依り、前記能動素子に於ける二つの安定状
態の何れか一方を任意に選択できるようにし、構成が簡
単で且つ高速の動作が可能であるようにした。
Detailed Description of the Invention [Summary] The present invention provides an active element in which carriers resonantly tunnel through a superlattice layer formed between an emitter layer and a base layer in a flip-flop; By adopting a configuration comprising a current source inserted between the base and emitter of the element and means for selectively applying a signal to the active element, it is possible to determine which of the two stable states the active element is in. Either one can be selected arbitrarily, and the configuration is simple and high-speed operation is possible.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本発明は、共鳴トンネリング効果を利用するホット・エ
レクトロン・トランジスタ(resonant−tun
neltng  hot  electron  tr
ansistor:RHET)或いは共鳴トンネリング
効果を利用するバイポーラ・トランジスタ(reson
ant−tunneling  bipolar  t
ransist。
The present invention describes a hot electron transistor (resonant-tunnel) that utilizes the resonant tunneling effect.
neltng hot electron tr
bipolar transistor (RHET) or bipolar transistor (reson transistor) that utilizes resonant tunneling effect.
ant-tunneling bipolar t
ransist.

r:RBT)など共鳴トンネリング・トランジスタを能
動素子とするフリップ・フロップに関する。
The present invention relates to a flip-flop whose active element is a resonant tunneling transistor such as r:RBT).

〔従来の技術〕[Conventional technology]

現在まで、数多くの種類のフリップ・フロップを用いた
半導体記憶装置が実用化されてきたが、その高速化と高
集積化に対する要求は止まることを知らない。
To date, semiconductor memory devices using many types of flip-flops have been put into practical use, but there is no end to the demand for faster speeds and higher integration.

然しなから、微細加工に於ける技術的限界、配線容量増
大に起因する遅延時間の増加などが理由となり、前記要
求への対応は次第に頭打ちの状態になりつつある。
However, due to technical limitations in microfabrication and an increase in delay time due to increased wiring capacity, the ability to meet the above requirements is gradually reaching a plateau.

これを打開するには、能動素子の構造自体を改善して性
能を向上し、半導体記憶装置としての機能を損なうこと
なく、素子数を低減し且つ高速となるようにしなければ
ならない。
In order to overcome this problem, it is necessary to improve the structure of the active element itself to improve performance, reduce the number of elements, and increase the speed without impairing the function as a semiconductor memory device.

因に、実用的なスタティック・メモリ・セルを構成する
には、通常、2個の記tt用トランジスタと2個のトラ
ンスファ・ゲート用トランジスタが必要である。
Incidentally, to construct a practical static memory cell, two transistors for register tt and two transistors for transfer gate are normally required.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

前記したように、今後、半導体記憶装置などに用いられ
るフリップ・フロップの在るべき一つの姿として、高速
であることは勿論のこと、構成素。
As mentioned above, in the future, flip-flops that will be used in semiconductor storage devices and the like will not only be high-speed, but also have high-speed components.

子数を少なくしたものが挙げられる。Examples include those with fewer children.

然しなから、そのようなフリップ・フロップが実現され
ていないのは、それを構成するのに適した能動素子が存
在しないことが原因になっていると考えられる。
However, it is believed that the reason why such flip-flops have not been realized is that suitable active devices for constructing them do not exist.

本発明は、RHE T或いはRBTなどの共鳴トンネリ
ング・トランジスタを用いることに依り、構成が筒車で
動作が高速であるフリップ・フロップを得ようとするも
のである。
The present invention attempts to obtain a flip-flop with hour wheel configuration and high speed operation by using a resonant tunneling transistor such as RHE T or RBT.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明者は、さきに、共鳴トンネリング・トランジスタ
の一つとしてRHETを提供した(要すれば、特願昭6
0−160314号参照)。
The present inventor previously provided the RHET as one of the resonant tunneling transistors (if necessary, the patent application
0-160314).

第8図は該RHETを説明する為の図であり、(A)は
要部切断側面図、(B)は図(A)に対応させたエネル
ギ・バンド・ダイヤグラムをそれぞれ表している。
FIG. 8 is a diagram for explaining the RHET, in which (A) is a cutaway side view of the main part, and (B) is an energy band diagram corresponding to FIG. 8 (A).

第8図(A)に於いて、■はn+型GaAsコレクタ層
、2はAl、Ga+−y A3:Iレクタ側ポテンシャ
ル・バリヤ層、3はn”型GaAsベース層、4は超格
子層、5はn+型GaAsエミッタ層、6はエミッタ電
極、7はベース電極、8はコレクタ電極をそれぞれ示し
、第8図(B)に於いて、ECは伝導帯の底、EFはフ
ェルミ・レベル、EXはサブ・バンドのエネルギ・レベ
ルをそれぞれ示している。
In FIG. 8(A), ■ is an n+ type GaAs collector layer, 2 is an Al, Ga+-y A3:I collector side potential barrier layer, 3 is an n'' type GaAs base layer, 4 is a superlattice layer, 5 is an n+ type GaAs emitter layer, 6 is an emitter electrode, 7 is a base electrode, and 8 is a collector electrode. In FIG. 8(B), EC is the bottom of the conduction band, EF is the Fermi level, and EX is the bottom of the conduction band. indicate the energy level of each sub-band.

尚、超格子層4はA lx G a +−x A Sバ
リヤ層4AとGaAsウェル層4Bとからなっていて、
図示例では二つのバリヤ層と−っのウェル層で構成され
ているが、必要あれば複数のウェル層及びそれを形成す
る為のバリヤ層を用いて良い。
Incidentally, the superlattice layer 4 consists of an A lx Ga +-x A S barrier layer 4A and a GaAs well layer 4B,
Although the illustrated example is composed of two barrier layers and a well layer, a plurality of well layers and barrier layers for forming the well layers may be used if necessary.

第9図(A)乃至(C)はRHETの動作原理を説明す
る為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、第8図
に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同
じ意味を持つものとする。
Figures 9 (A) to (C) represent energy band diagrams for explaining the operating principle of RHET, and the same symbols as those used in Figure 8 indicate the same parts or have the same meaning. shall have it.

図に於いて、qはキャリヤ(電子)の電荷量、φCはコ
レクタ側ポテンシャル・バリヤ層2とベース層3との間
に於ける伝導帯底不連続値(c。
In the figure, q is the charge amount of carriers (electrons), and φC is the conduction band bottom discontinuity value (c) between the collector side potential barrier layer 2 and the base layer 3.

nduction  band  discontin
uity)、Vatはベース・エミッタ間電圧をそれぞ
れ示している。尚、qφ。をバリヤ高さとする。
production band discontin
ity) and Vat indicate the base-emitter voltage, respectively. Furthermore, qφ. Let be the barrier height.

第9図(A)はベース・エミッタ間電圧VilEが0か
或いは0に近い場合に於けるエネルギ・バンド・ダイヤ
グラムである。
FIG. 9(A) is an energy band diagram when the base-emitter voltage VilE is 0 or close to 0.

図示の状態では、コレクタ・エミッタ間に電圧vciが
印加されているが、ベース・エミッタ間電圧v[l!が
殆ど0であるので、エミッタ層5に於けるエネルギ・レ
ベルがウェル層4Bに於けるサブ・バンドのエネルギ・
レベルEXと相違している為、エミッタ層5に於ける電
子は超格子層4をトンネリングしてベース層3に抜ける
ことは不可能であり、従って、RHETには電流が流れ
ていない。
In the illustrated state, a voltage vci is applied between the collector and emitter, but a voltage v[l! is almost 0, so the energy level in the emitter layer 5 is equal to the energy level of the sub-band in the well layer 4B.
Since the level is different from the level EX, it is impossible for electrons in the emitter layer 5 to tunnel through the superlattice layer 4 and escape to the base layer 3, and therefore no current flows through the RHET.

第9図(B)はベース・エミッタ間電圧■、が2 EX
 / qに殆ど等しい場合に於けるエネルギ・バンド・
ダイヤグラムである。
Figure 9 (B) shows the base-emitter voltage ■, which is 2 EX
/ Energy band when almost equal to q
This is a diagram.

図示の状態では、エミッタ層5に於けるエネルギ・レベ
ルがウェル層4Bに於けるサブ・バンドのエネルギ・レ
ベルExと整合する為、エミッタ層5に於ける電子は共
鳴トンネリング効果で超格子N4を抜けてベース層3に
注入され、そこでポテンシャル・エネルギ(= 2 E
X )が運動エネルギに変換されるので、電子は所謂ホ
ットな状態となり、ベース層3をバリステインクに通過
し、そして、この際に於けるホット・エレクトロンの運
動エネルギがバリヤ高さqφ。に比較して大きい場合に
はコレクタ層1に到達してコレクタ電流となり、小さい
場合にはコレクタ層1に到達することはできずにベース
電流となる。
In the illustrated state, the energy level in the emitter layer 5 matches the sub-band energy level Ex in the well layer 4B, so electrons in the emitter layer 5 cross the superlattice N4 due to the resonance tunneling effect. and is injected into the base layer 3, where potential energy (= 2 E
X ) is converted into kinetic energy, so the electrons are in a so-called hot state and pass through the base layer 3 to the barrier ink, and the kinetic energy of the hot electrons at this time increases the barrier height qφ. If the current is large compared to , it reaches the collector layer 1 and becomes a collector current, and if it is small, it cannot reach the collector layer 1 and becomes a base current.

第9図(C)はベース・エミッタ間電圧Vll!が2 
EX / qより大きい場合に於けるエネルギ・バンド
・ダイヤグラムである。
FIG. 9(C) shows the base-emitter voltage Vll! is 2
This is an energy band diagram in the case where EX/q is larger.

図示の状態では、エミッタ層5に於けるエネルギ・レベ
ルがウェル層4Bに於けるサブ・バンドのエネルギ・レ
ベルExより高くなってしまうので共鳴トンネリング効
果は発生せず、再びエミッタ層5からベース層3に抜け
る電子はなくなり、前記したコレクタ電流或いはベース
電流は低減される。
In the illustrated state, the energy level in the emitter layer 5 is higher than the sub-band energy level Ex in the well layer 4B, so no resonant tunneling effect occurs, and the energy level from the emitter layer 5 to the base layer is increased again. There are no more electrons that escape to 3, and the collector current or base current described above is reduced.

第10図は試作されたRHETをコレクタ開放で測定し
たベース・エミッタ間電圧V、とエミッタ電流IEとの
関係を説明する線図であり、第8図及び第9図に於いて
用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を
持つものとする。
FIG. 10 is a diagram explaining the relationship between the base-emitter voltage V and the emitter current IE measured with the collector open of the prototype RHET, and the symbols used in FIGS. 8 and 9 are used. Identical symbols indicate the same parts or have the same meaning.

図では、横軸にベース・エミッタ間電圧VB!を、また
、縦軸にエミッタ電流■6をそれぞれ採っである。尚、
このデータは温度77(K)で得られたものである。
In the figure, the horizontal axis represents the base-emitter voltage VB! , and the emitter current (6) is plotted on the vertical axis. still,
This data was obtained at a temperature of 77 (K).

図から明らかなように、RHETに於けるVB!対1E
の関係に於いて、所謂、共鳴トンネリング効果に依る微
分負性抵抗領域が存在している。
As is clear from the figure, VB! in RHET! vs. 1E
In this relationship, there exists a differential negative resistance region due to the so-called resonance tunneling effect.

さて、前記説明した各事項を踏まえた上で本発明の詳細
な説明する。
Now, the present invention will be explained in detail based on the above-mentioned matters.

第1図は本発明に依るフリップ・フロップの原理を説明
する為の要部回路図を表している。
FIG. 1 shows a circuit diagram of essential parts for explaining the principle of a flip-flop according to the present invention.

図に於いて、QRはRHETである能動素子、RCは負
荷抵抗、RBは電流源抵抗、N1及びN2は接続点、V
CCI及びv cczは正側電源レベルをそれぞれ示し
ている。
In the figure, QR is an active element that is RHET, RC is a load resistance, RB is a current source resistance, N1 and N2 are connection points, and V
CCI and v ccz each indicate the positive power supply level.

図示のように、能動素子QRのベースに電流源抵抗RB
を介して正側電源レベルVealを供給する電源に接続
するとベース・エミッタ間には一種の定電流源が挿入さ
れたことと等価になり、その際のベース・エミッタ間電
圧VIIEとベース電流■。
As shown, the current source resistor RB is connected to the base of the active element QR.
When connected to a power supply that supplies the positive power supply level Veal via , it is equivalent to inserting a kind of constant current source between the base and emitter, and the base-emitter voltage VIIE and base current ■.

との関係及びベース・エミッタ間電圧VIIEとコレク
タ電流■、との関係は第2図(A)及び(B)に見られ
る通りである。
The relationship between the base-emitter voltage VIIE and the collector current 2 is as shown in FIGS. 2(A) and 2(B).

斯かる関係は特にコレクタ側ポテンシャル・バリヤ層の
バリヤ高さqφ0に比較してホット・エレクトロンの運
動エネルギが小さい場合に生ずるものである。
Such a relationship occurs particularly when the kinetic energy of the hot electrons is small compared to the barrier height qφ0 of the collector side potential barrier layer.

第2図(A)に於いては、横軸にベース・エミッタ間電
圧VIIEを、また、縦軸にベース電流l。
In FIG. 2(A), the horizontal axis represents the base-emitter voltage VIIE, and the vertical axis represents the base current l.

をそれぞれ採ってあり、そして、第2図(B)に於いて
は横軸にベース・エミッタ間電圧V0を、また、縦軸に
コレクタ電流ICをそれぞれ採っである。
In FIG. 2(B), the horizontal axis represents the base-emitter voltage V0, and the vertical axis represents the collector current IC.

図に於いて、CLIは特性線、LLは負荷線、A及びB
は安定点、RPは共鳴ピーク点、C及びDは安定点A及
びBに対応する点をそれぞれ示している。
In the figure, CLI is the characteristic line, LL is the load line, A and B
indicates a stable point, RP indicates a resonance peak point, and C and D indicate points corresponding to stable points A and B, respectively.

ところで、第1図に見られる回路に於いては、接続点N
1に信号を入力して接続点N2から信号を出力させる動
作、また、接続点N2に信号を入力して同じく接続点N
2から信号を出力させる動作の何れも実現することがで
きる。
By the way, in the circuit shown in Figure 1, the connection point N
The operation of inputting a signal to connection point N2 and outputting a signal from connection point N2, and the operation of inputting a signal to connection point N2 and outputting a signal from connection point N2.
Any operation of outputting a signal from 2 can be realized.

第2図(A)及び(B)を参照しながら第1図に見られ
る回路の動作を説明する。
The operation of the circuit shown in FIG. 1 will be explained with reference to FIGS. 2(A) and 2(B).

図から明らかであるが、能動素子QRは安定点A及びB
に見られるように二つの安定状態を維持することができ
る。
As is clear from the figure, the active element QR has stable points A and B.
Two stable states can be maintained as shown in .

まず、接続点N1に信号を入力して接続点N2から信号
を出力させる場合について説明する。
First, a case will be described in which a signal is input to the connection point N1 and a signal is output from the connection point N2.

今、何らかの手段に依り、接続点N1にハイ・レベル(
“H”レベル)のパルス信号が人力されたとすると、能
動素子QRの動作点は安定点Aから安定点Bに遷移する
か、若しくは、安定点Bに存在したままである。
Now, by some means, a high level (
If a pulse signal of "H" level) is input manually, the operating point of the active element QR transitions from stable point A to stable point B, or remains at stable point B.

また、同じく何らかの手段に依り、接続点N1にロー・
レベル(“し”レベル)のパルス信号が人力されたとす
ると、能動素子QRの動作点は安定点へに存在したまま
であるか、若しくは、安定点Bから安定点Aに遷移する
Similarly, by some means, a low
If a pulse signal of a level (“S” level) is input manually, the operating point of the active element QR remains at a stable point, or transitions from a stable point B to a stable point A.

前記説明から判るように、能動素子QRの動作点は、接
続点N1に於けるレベルの如何によって、二つの安定点
A及びBの何れか一方を採ることになる。
As can be seen from the above description, the operating point of the active element QR takes one of the two stable points A and B depending on the level at the connection point N1.

このような動作点に対応し、コレクタ電流1cの値が変
わることは当然であり、第2図(B)にその様子が示さ
れている。
It goes without saying that the value of the collector current 1c changes in response to such an operating point, and this is shown in FIG. 2(B).

図から明らかなように、安定点Bに対応する点りに於い
ては、大きなコレクタ電流が流れるから負荷抵抗RCに
依る電圧降下も大であり、接続点N2から出力される信
号は“L″レベルあり、そして、安定点Aに対応する点
Cに於いては、小さなコレクタ電流しか流れないから負
荷抵抗RCに依る電圧降下は小であり、接続点N2から
出力される信号は“H”レベルとなる。
As is clear from the figure, since a large collector current flows at the point corresponding to stable point B, the voltage drop due to the load resistance RC is also large, and the signal output from the connection point N2 is "L". At point C, which corresponds to stable point A, only a small collector current flows, so the voltage drop due to the load resistance RC is small, and the signal output from connection point N2 is at the "H" level. becomes.

このように、能動素子QRの動作点が二つの安定点A及
びBを採ることができれば、半導体記憶装置として書き
込み動作及び読み出し動作を行わせ得ることは当然であ
って、その動作に関しては〔実施例〕の項で詳細に説明
されている。
In this way, if the operating point of the active element QR can take two stable points A and B, it is natural that the semiconductor memory device can perform write and read operations. This is explained in detail in the Example section.

次に、接続点N2に信号を入力して同じく接続点N2か
ら信号を出力させる場合について説明する。
Next, a case will be described in which a signal is input to the connection point N2 and a signal is also output from the connection point N2.

この場合は、コレクタ電流1゜を変化させることで実質
的にベース電流1.を変化させ、前記説明したように接
続点N1に信号を入力して接続点N2から信号を出力さ
せる場合と同様な動作をさせているものである。
In this case, by changing the collector current by 1°, the base current can be changed to 1°. The operation is similar to that in which a signal is input to the connection point N1 and a signal is output from the connection point N2 as described above.

第3図(A)及び(B)は第2図に対応する能動素子Q
Rの動作を説明する為のエネルギ・ハンド・ダイヤグラ
ムを表し、第9図に於いて用いた記号と同記号は同部分
を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
Figures 3 (A) and (B) are active elements Q corresponding to Figure 2.
This represents an energy hand diagram for explaining the operation of R, and the same symbols as those used in FIG. 9 represent the same parts or have the same meaning.

第3図(A)に見られる状態は第2図に示されている安
定点Aに対応し、また、第3図(B)に見られる状態は
第2図に示されている安定点Bに対応している。
The state seen in FIG. 3(A) corresponds to stable point A shown in FIG. 2, and the state seen in FIG. 3(B) corresponds to stable point B shown in FIG. It corresponds to

第3図(A)及び(B)の各状態に於いて、第2図に見
られる安定点A及びBが共鳴点RPからずれていること
を反映してウェル層内に生成されるサブ・ハンドのエネ
ルギ・レベルEXはエミッタ層5に於ける伝導帯の底E
cのエネルギ・レベルに比較して若干上下してはいるが
、何れの状態に於いても、エミッタ層5からベース層3
或いはコレクタ層1に相応の電流(電子流)を流すこと
ができる。即ち、第3図(A)の場合は、コレクタ側ポ
テンシャル・バリヤ層に於けるバリヤ高さが高い為、エ
ミッタ層5からベース層3に抜けた電子はベース電流と
なる。また、第3図(B)の場合は、ベース・エミッタ
間電圧v、Eが大であるから、エミッタ層5から直接ト
ンネリング或いは共鳴トンネリング(第2のサブ・ハン
ドが存在する場合)してベース層3に抜け、そのホット
・エレクトロンの運動エネルギが充分に大であることが
らコレクタ側ポテンシャル・バリヤ層2を越えてコレク
タ電流となる。
In each state of FIGS. 3(A) and 3(B), the sub-fields generated in the well layer reflect the fact that the stable points A and B seen in FIG. 2 are shifted from the resonance point RP. The energy level EX of the hand is the bottom E of the conduction band in the emitter layer 5.
Although the energy level is slightly higher or lower than that of c, in any state, the energy level from the emitter layer 5 to the base layer 3
Alternatively, a corresponding current (electron current) can be passed through the collector layer 1. That is, in the case of FIG. 3(A), since the barrier height in the collector side potential barrier layer is high, the electrons passing from the emitter layer 5 to the base layer 3 become a base current. In the case of FIG. 3(B), since the base-emitter voltages v and E are large, direct tunneling or resonant tunneling (if a second sub-hand exists) from the emitter layer 5 is performed to Since the kinetic energy of the hot electrons is sufficiently large, the hot electrons pass through the collector side potential barrier layer 2 and become a collector current.

第4図(A)及び(B)は能動素子QRに於けるコレク
タ・エミッタ間電圧VCEの如何に対応するフリップ・
フロップの動作を説明する為のエネルギ・バンド・ダイ
ヤグラムを表し、第3図及び第9図に於いて用いた記号
と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものと
する。
FIGS. 4(A) and 4(B) show the flip curve corresponding to the collector-emitter voltage VCE in the active element QR.
This represents an energy band diagram for explaining the operation of a flop, and the same symbols as those used in FIGS. 3 and 9 indicate the same parts or have the same meaning.

この場合は、前記した接続点N2に信号を入力し、同じ
く接続点N2から出力を得る場合に相当する。
This case corresponds to the case where a signal is input to the connection point N2 described above and an output is similarly obtained from the connection point N2.

第4図(A)は接続点N2にI(”レベルの信号が人力
された場合、従って、コレクタ・エミッタ間電圧■。が
正側に大きく振られた場合に於けるエネルギ・バンド・
ダイヤグラムである。
Fig. 4 (A) shows the energy band when a signal of level I (") is inputted to the connection point N2, and therefore when the collector-emitter voltage ■ is greatly swung to the positive side.
This is a diagram.

図から判るように、コレクタ側ポテンシャル・バリヤ層
2に於ける伝導帯の底E、の傾斜は破線で示しであるよ
うに急になり、従って、それまでは、そのバリヤでコレ
クタ層lに到達できなかった電子も矢印eに見られるよ
うにトンネリングして流れることが可能となる。このよ
うになると、ベース電流■、は少なくなるので、ベース
・エミッタ間電圧■、は上昇する。即ち、第2図に見ら
れる安定点Bの状態となって、大きなコレクタ電流が流
れ、その結果、負荷抵抗RCに依る電圧降下も大となる
から接続点N2から出力される信号としては“L″レベ
ルなる。
As can be seen from the figure, the slope of the bottom E of the conduction band in the potential barrier layer 2 on the collector side becomes steep as shown by the dashed line, so that until then the barrier reaches the collector layer l. The electrons that were not able to do so can also tunnel and flow as shown by arrow e. In this case, the base current (2) decreases, so the base-emitter voltage (2) increases. In other words, the state of stable point B shown in Fig. 2 is reached, and a large collector current flows.As a result, the voltage drop due to the load resistance RC also becomes large, so the signal output from the connection point N2 is "L". ``It's a level.

第4図(B)は接続点N2に″L″レベルの信号が入力
された場合、従って、コレクタ・エミッタ間電圧■。が
殆ど0 (V)である場合に於けるエネルギ・バンド・
ダイヤグラムである。
FIG. 4(B) shows that when a "L" level signal is input to the connection point N2, the collector-emitter voltage . The energy band when is almost 0 (V)
This is a diagram.

この場合、コレクタ側ポテンシャル・バリヤ層2に於け
る伝導帯の底Ecの傾斜は破線で示しであるように逆方
向になり、従って、それまでは、バリヤを越えてコレク
タ層1に到達していた電子も矢印eに見られるように反
射されてしまう。このようになると、ベース電流■、は
増加するので、ベース・エミッタ間電圧VIIKは低下
する。即ち、第2図に見られる安定点Aの状態となって
、小さなコレクタ電流しか流れないから負荷抵抗RCに
依る電圧降下は小であり、接続点N2から出力される信
号としては“H”レベルになる。
In this case, the slope of the bottom Ec of the conduction band in the potential barrier layer 2 on the collector side is in the opposite direction as shown by the broken line, so that until then it has not reached the collector layer 1 beyond the barrier. Also, the electrons are reflected as shown by arrow e. In this case, the base current (1) increases, so that the base-emitter voltage VIIK decreases. In other words, the state is at the stable point A shown in Figure 2, and only a small collector current flows, so the voltage drop due to the load resistance RC is small, and the signal output from the connection point N2 is at the "H" level. become.

このように、第1図に見られるフリップ・フロップでは
、ベース側或いはコレクタ側の電位の如何に依り、能動
素子QRのベースに電流を流したり、引き抜いたりして
ベース電位を変化させ、二つの安定状態を制御すること
ができる。
In this way, in the flip-flop shown in Figure 1, depending on the potential on the base side or the collector side, the base potential is changed by flowing or drawing current to the base of the active element QR, and the two Steady state can be controlled.

因に、本発明に似通った技術としては、負性抵抗を有す
るダイオードを能動素子として利用することが考えられ
る。
Incidentally, as a technique similar to the present invention, it is possible to use a diode having negative resistance as an active element.

第11図は負性抵抗を有するダイオードを用いた半導体
記憶装置の要部回路図を表し、第1図に於いて用いた記
号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持つもの
とする。
Figure 11 shows a circuit diagram of the main parts of a semiconductor memory device using a diode with negative resistance, and the same symbols as those used in Figure 1 indicate the same parts or have the same meaning. .

図に於いて、DNは負性抵抗を有するダイオードを示し
ている。
In the figure, DN indicates a diode having negative resistance.

この半導体記憶装置も、勿論、メモリ動作が可能である
が、読み出し時にダイオードDN自体から電流が引き抜
かれたり、流入したりすることから、記憶情報は不安定
になる。然しなから、第1図に関して説明したフリップ
・フロップでは、読み出し時に、記憶維持用の電流回路
から独立したコレクタ側の電源から電流が供給されるよ
うになっているから、記憶状態を安定に維持したまま、
読み出しを行うことができる。
Although this semiconductor memory device is of course capable of memory operation, the stored information becomes unstable because current is drawn from or flowed into the diode DN itself during reading. However, in the flip-flop explained with reference to FIG. 1, when reading, current is supplied from a power supply on the collector side that is independent from the current circuit for maintaining memory, so the memory state can be maintained stably. Leave it there,
Can be read.

前記したところから、本発明のフリップ・フロップでは
、エミッタ層(例えばn+型GaAsエミッタ層5)と
ベースN(例えばn+型GaAsベース層3)との間に
形成された超格子層からなるエミッタ側ポテンシャル・
バリヤ層(例えば超格子層4)及びベース層とコレクタ
層(例えばn+型GaAsコレクタ層1)との間に形成
されたコレクタ側ポテンシャル・バリヤ層(例えば/l
From the above, in the flip-flop of the present invention, the emitter side consists of a superlattice layer formed between the emitter layer (for example, the n+ type GaAs emitter layer 5) and the base N (for example, the n+ type GaAs base layer 3). potential·
A barrier layer (for example, superlattice layer 4) and a collector side potential barrier layer (for example, /l) formed between the base layer and the collector layer (for example, n+ type GaAs collector layer 1)
.

Ga1−アAsコレクタ側ポテンシャル・バリヤ層2)
を有してなる能動素子(例えば能動素子QR)と、該能
動素子のベースに二つの安定状態をとらせる為にベース
・エミッタ間に接続された電流源(例えば抵抗RB並び
に正側電源レベルVCCIを供給する電源)と、前記能
動素子に前記二つの安定状態の何れか一方を採らせる為
に信号を選択的に与える手段(例えばスタティック素子
QS)とを備えてなる構成を採っている。
Ga1-As collector side potential barrier layer 2)
(e.g., active element QR), and a current source (e.g., resistor RB and positive power supply level VCCI) connected between the base and emitter to allow the base of the active element to take two stable states. (a power source for supplying the active element) and means (for example, a static element QS) for selectively applying a signal to the active element to make it adopt one of the two stable states.

尚、本発明のフリップ・フロップに関する説明は主とし
て半導体記憶装置に適用した場合を対象として行われて
いるが、これに限定されることなく、論理回路に適用で
きることは勿論であり、また、能動素子としては、RH
ETのみならず、第8図の(A)及び(B)に於けるコ
レクタ側ポテンシャル・バリヤがpn接合になっている
共鳴トンネリング・トランジスタ、即ち、RBTを用い
ることもできる。
Although the flip-flop of the present invention has been mainly described with reference to its application to semiconductor memory devices, it is of course applicable to logic circuits without being limited thereto, and can also be applied to active elements. As, RH
In addition to the ET, it is also possible to use a resonant tunneling transistor, ie, an RBT, in which the collector side potential barrier in FIGS. 8A and 8B is a pn junction.

〔作用〕[Effect]

前記手段を採ると、能動素子であるRHETに於いて発
生する共鳴トンネリング効果はそのベースに二つの安定
状態を現出させることが可能であり、この二つの安定状
態をベース側或いはコレクタ側からの信号で任意に遷移
させることができ、これを利用して半導体記憶装置を構
成すれば、従来、最低2個のトランジスタで構成されて
いたフリップ・フロップのセルを半分の数、即ち、1個
のトランジスタを用いるのみで実現することができ、し
かも、その動作は安定である。
By adopting the above method, the resonance tunneling effect generated in the RHET, which is an active element, can cause two stable states to appear at its base, and these two stable states can be changed from the base side or the collector side. Arbitrary transitions can be made using signals, and if this is used to configure a semiconductor memory device, the number of cells in a flip-flop, which conventionally consisted of at least two transistors, can be reduced to half, that is, one. This can be realized only by using transistors, and its operation is stable.

〔実施例〕〔Example〕

第5図は接続点Nlに信号を入力して接続点N2から信
号を出力させる実施例を説明する為の要部回路図を表し
、第1図に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか
或いは同じ意味を持つものとする。
FIG. 5 shows a main circuit diagram for explaining an embodiment in which a signal is input to the connection point Nl and a signal is output from the connection point N2, and the same symbols as those used in FIG. 1 refer to the same parts. or have the same meaning.

図に於いて、MCは単位記憶回路(メモリ・セル)、Q
Sはスイッチング素子、CCはカップリング・コンデン
サ、WLはワード線、BLWは書き込みビット線、BL
Rは読み出しピッH,51をそれぞれ示している。
In the figure, MC is a unit memory circuit (memory cell), Q
S is a switching element, CC is a coupling capacitor, WL is a word line, BLW is a write bit line, BL
R indicates the read pitch H, 51, respectively.

この実施例に於いては、ワードIWLが′L”レベル、
即ち、アドレス信号が加わっていない場合にはスイッチ
ング素子QSはオフであり、能動素子QRは安定点A及
びBの何れかの状態にある。
In this embodiment, the word IWL is at the 'L' level,
That is, when no address signal is applied, switching element QS is off, and active element QR is in either stable point A or B.

また、ワード線WLが一時的にH”レベル、即ち、アド
レス信号が加わった場合にはスイッチング素子QSはオ
フ状態からオン状態を経て再びオフ状態となり、その際
、書き込みビット線BLWが“H”レベルであれば、能
動素子QRの動作点は安定点Bに遷移するか、若しくは
、安定点Bに存在したままである。更にまた、前記同様
、ワード線WLにアドレス信号が加わって、スイッチン
グ素子QSがオフ状態からオン状態を経て再びオーツ状
態になったとし、その際、書き込みビット線BLWがL
”レベルであれば、能動素子QRの動作点は安定点Aに
存在したままであるか、若しくは、安定点Bから安定点
Aに遷移する。
Further, when the word line WL is temporarily at the "H" level, that is, when an address signal is applied, the switching element QS changes from the off state to the on state and then to the off state again, and at this time, the write bit line BLW goes to "H" level. level, the operating point of the active element QR transitions to the stable point B or remains at the stable point B.Furthermore, as above, when the address signal is applied to the word line WL, the switching element Assume that QS goes from off state to on state and then goes back to auto state, and at that time, write bit line BLW goes low.
``level, the operating point of the active element QR remains at the stable point A, or transitions from the stable point B to the stable point A.

前記説明から判るように、スイッチング素子QSのオン
・オフ及び書き込みビット線BLWに於けるレベルの如
何に依って、能動素子QRは二つの安定点A及びBの何
れかの状態を採ることができる。
As can be seen from the above description, the active element QR can take one of the two stable points A and B depending on the on/off state of the switching element QS and the level of the write bit line BLW. .

前記説明した動作が可能であることから、書き込みは、
特定のメモリ・セルに接続したワード線WLと読み取り
ビットvABLRを“H”レベルとし、そして、書き込
みビット線BLWを“H”レベル或いは“L”レベルと
することに依り実行される。また、読み取りは、ワード
線WLを“H”レベルにしてスイッチング素子QSをオ
ンとし、書き込みビット綿BLWのレベルを能動素子Q
Rの動作点が遷移しない範囲で変化させ、その際の能動
素子QRのコレクタ、即ち、接続点N2に於ける電位変
化をカップリング・コンデンサCC及び読み取りビット
vABLRを介して読み取れば良い。尚、第5図に見ら
れる実施例に於けるカップリング・コンデンサCCをト
ランジスタに変更し、そのオン・オフ制御をワード線W
Lのレベルで行うこともできるが、その場合であっても
、記憶用のトランジスタは1個で足りるので、従来より
も少ない能動素子数で構成可能である。
Since the operation described above is possible, writing is
This is executed by setting the word line WL connected to a specific memory cell and the read bit vABLR to "H" level, and then setting the write bit line BLW to "H" level or "L" level. Also, for reading, the word line WL is set to "H" level, the switching element QS is turned on, and the level of the write bit line BLW is set to the active element Q.
It is sufficient to change the operating point of R within a range that does not cause a transition, and read the potential change at the collector of the active element QR, that is, the connection point N2, through the coupling capacitor CC and the read bit vABLR. Note that the coupling capacitor CC in the embodiment shown in FIG. 5 is changed to a transistor, and its on/off control is controlled by the word line
It can also be performed at the L level, but even in that case, only one memory transistor is sufficient, so it can be configured with a smaller number of active elements than in the past.

第6図は接続点N2に信号を入力して同じく接続点N2
から信号を出力させる実施例を説明する為の要部回路図
を表し、第1図及び第5図に於いて用いた記号と同記号
は同部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。尚
、BLはビット線を示している。
Figure 6 shows that a signal is input to the connection point N2 and the signal is input to the connection point N2.
This is a circuit diagram of a main part for explaining an embodiment in which a signal is output from a circuit, and the same symbols as those used in FIGS. 1 and 5 indicate the same parts or have the same meanings. Note that BL indicates a bit line.

この実施例では、能動素子QRのベースに信号は入力さ
れず、スイッチング素子QSがコレクタとビット線BL
の間に介在し、該スイッチング素子QSのベースはワー
ド線WLのアドレス信号で制御されるようになっている
In this embodiment, no signal is input to the base of the active element QR, and the switching element QS connects the collector to the bit line BL.
The base of the switching element QS is controlled by the address signal of the word line WL.

第7図は第6図に示されているビット線BL、ワード線
WL、接続点N2に於ける電位のタイミング・チャート
を表し、第6図に於いて用いた記号と同記号は同部分を
示すか或いは同じ意味を持つものとする。
FIG. 7 shows a timing chart of the potentials at the bit line BL, word line WL, and connection point N2 shown in FIG. 6, and the same symbols as those used in FIG. 6 refer to the same parts. or have the same meaning.

第7図に見られるデータは、第6図に見られる実施例に
於ける諸要素に対して、次に例示するような定数を与え
てメモリ動作をさせ、接続点N2からプローブで出力を
取り出して観測して得たものである。
The data shown in FIG. 7 is obtained by giving constants as shown in the following example to the various elements in the embodiment shown in FIG. This was obtained through observation.

RB: 1.5 (KΩ〕 RC:10(KΩ〕 Vcc+  : 1  (V) VCC2: 1  (V) 第7図に於いては、横軸に時間tを、縦軸に電圧■をそ
れぞれ採ってあり、時間■に於いては、ヒツト綿BLに
は0.5 (V)が、ワード′!fAWLには1.0 
(V)がそれぞれ印加されてスイッチング素子QSがオ
ンの状態になり、接続点N2に於ける電位は0.4 [
V)程度となり、コレクタ・エミッタ間電圧VCEを正
側に大きく振った状態になり、また、時間■に於いては
、ビット線BLには0〔V〕が、ワードWLには1.O
(V)が印加されてスイッチング素子QSはオンの状態
になるが、ビット綿BLの・;i位が40(V)である
から、接続点N2の電位はo、1  (V)程度となり
、コレクタ・エミッタ間電圧■。、が略0 (V)にな
った状態を実現することができる。
RB: 1.5 (KΩ) RC: 10 (KΩ) Vcc+: 1 (V) VCC2: 1 (V) In Figure 7, time t is plotted on the horizontal axis and voltage ■ is plotted on the vertical axis. Yes, at time ■, 0.5 (V) for human cotton BL and 1.0 for word'!fAWL.
(V) is applied to turn on the switching element QS, and the potential at the connection point N2 becomes 0.4 [
V), and the collector-emitter voltage VCE is greatly swung to the positive side.At time (3), the bit line BL is at 0 [V] and the word WL is at 1. O
(V) is applied and the switching element QS turns on, but since the i position of the bit cotton BL is 40 (V), the potential of the connection point N2 is about o,1 (V), Collector-emitter voltage ■. , is approximately 0 (V).

図示の電位波形から、能動素子QRが間違いなくメモリ
動作をしていることが看取される。
From the illustrated potential waveform, it can be seen that the active element QR is definitely performing a memory operation.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明に依るフリップ・フロップに於いては、エミッタ
層とベース層との間に形成された超格子層をキャリヤが
共鳴トンネリングする形式の能動素子と、その能動素子
のベース・エミッタ間に挿入された電流源と、同じくそ
の能動素子に信号を選択的に与える手段とを備えてなる
構成になっている。
The flip-flop according to the present invention includes an active element in which carriers resonantly tunnel through a superlattice layer formed between an emitter layer and a base layer, and an active element inserted between the base and emitter of the active element. The active element is configured to include a current source and means for selectively applying a signal to the active element.

この構成に依ると、RHET或いはRBTなど共鳴トン
ネリング・トランジスタである能動素子が、その共鳴ト
ンネリング効果に依って、ベースに二つの安定状態を実
現させることができ、そして、この二つの安定状態はベ
ース側からの信号或いはコレクタ側からの信号の何れに
ても任意に選択することが可能であり、少ない数の能動
素子を用いて構成されたものでありながら、例えば安定
なスタティック・メモリ・セルとして動作させることが
でき、フリップ・フロップの高集積化並びに高速化に有
効である。
According to this configuration, the active element, which is a resonant tunneling transistor such as RHET or RBT, can realize two stable states at the base by its resonant tunneling effect, and these two stable states are at the base. It is possible to arbitrarily select either the signal from the side or the collector side, and even though it is configured using a small number of active elements, it can be used as a stable static memory cell, for example. It is effective for increasing the integration and speed of flip-flops.

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

第1図は本発明に依るフリップ・フロップの原理を説明
する為の要部回路図、第2図(A)及びCB)は理想化
されたRHETのベース・エミッタ間電圧■□とベース
電流II+との関係及びベース・エミッタ間電圧V[l
Kとコレクタ電流Icとの関係を示す線図、第3図(A
)及び(B)は第2図に対応する能動素子の動作を説明
する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラム、第4図(A
)及び(B)はコレクタ・エミッタ間電圧VCEの如何
に対応する半導体記憶装置としてのフリップ・フロップ
の動作を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラム
、第5図は本発明一実施例の要部回路図、第6図は他の
実施例の要部回路図1.第7図は半導体記憶装置のメモ
リ動作を説明する為のタイミング・チャート、第8図(
A)及び(B)はRHETを説明する為の要部切断側面
図及びエネルギ・バンド・ダイヤグラム、第9図(A)
乃至(C)はRHETの動作原理を説明する為のエネル
ギ・バンド・ダイヤグラム、第10図はRHETに於け
るベース・エミッタ間電圧■、とエミッタ電流IEとの
関係を説明する為の線図、第11図は負性抵抗ダイオー
ドを用いた回路を例示する要部回路図をそれぞれ表して
いる。 図に於いて、QRはRHETである能動素子、QSはス
イッチング素子、RCは負荷抵抗、RBは電流源抵抗、
WLはワード線、BLはビット線、BLWは書き込みビ
ット線、BLRは読み取りビット線、N1及びN2は接
読点、■60.及びV CC2は正側電源レベルをそれ
ぞれ示している。 特許出願人   富士通株式会社 代理人弁理士  相 谷 昭 司 代理人弁理士  渡 邊 弘 − 第3図 実施例を説明する為の要部回路図 第5図 本発明実施例を説明する為の要部回路図第6図 第7図 ψ      ψ く    く x〒 RHETの動作を説明する、為の エネルギ・バンド・タイヤクラム 第9図 Ic(mA) 第11図
Fig. 1 is a main circuit diagram for explaining the principle of a flip-flop according to the present invention, and Fig. 2 (A) and CB) are idealized RHET base-emitter voltage ■□ and base current II+ and the base-emitter voltage V[l
A diagram showing the relationship between K and collector current Ic, Figure 3 (A
) and (B) are energy band diagrams for explaining the operation of the active element corresponding to FIG. 2, and FIG. 4 (A
) and (B) are energy band diagrams for explaining the operation of a flip-flop as a semiconductor memory device depending on the collector-emitter voltage VCE, and FIG. 5 is a main part of an embodiment of the present invention. Circuit diagram, FIG. 6 is a main part circuit diagram of another embodiment 1. FIG. 7 is a timing chart for explaining the memory operation of a semiconductor storage device, and FIG. 8 (
A) and (B) are main part cutaway side views and energy band diagrams for explaining RHET, Figure 9 (A)
to (C) are energy band diagrams for explaining the operating principle of the RHET, and FIG. 10 is a diagram for explaining the relationship between the base-emitter voltage ■ and the emitter current IE in the RHET. FIG. 11 shows main part circuit diagrams illustrating a circuit using a negative resistance diode. In the figure, QR is an active element which is RHET, QS is a switching element, RC is a load resistance, RB is a current source resistance,
WL is a word line, BL is a bit line, BLW is a write bit line, BLR is a read bit line, N1 and N2 are contact points, ■60. and VCC2 respectively indicate the positive power supply level. Patent Applicant Fujitsu Ltd. Representative Patent Attorney Akira Aitani Representative Patent Attorney Hiroshi Watanabe - Figure 3 Main part circuit diagram for explaining the embodiment Figure 5 Essential part for explaining the embodiment of the present invention Circuit diagram Fig. 6 Fig. 7 ψ ψ kukux〒 Energy band tire crumm to explain the operation of RHET Fig. 9 Ic (mA) Fig. 11

Claims (1)

【特許請求の範囲】 エミッタ層とベース層との間に形成された超格子層から
なるエミッタ側ポテンシャル・バリヤ層並びにベース層
とコレクタ層との間に形成されたコレクタ側ポテンシャ
ル・バリヤ層を有してなる能動素子と、 該能動素子に於けるベースに二つの安定状態をとらせる
為にベース・エミッタ間に接続された電流源と、 前記能動素子に前記二つの安定状態の何れか一方を採ら
せる為に信号を選択的に与える手段とを備えてなること
を特徴とする共鳴トンネリング・トランジスタで構成さ
れたフリップ・フロップ。
[Claims] It has an emitter-side potential barrier layer made of a superlattice layer formed between an emitter layer and a base layer, and a collector-side potential barrier layer formed between a base layer and a collector layer. a current source connected between the base and emitter of the active element to cause the base of the active element to assume two stable states; A flip-flop comprising a resonant tunneling transistor, characterized in that the flip-flop comprises means for selectively applying a signal to cause the resonant tunneling transistor to be picked up.
JP61239209A 1985-10-12 1986-10-09 Flip-flop composed of resonant tunneling transistor Granted JPS62181468A (en)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0352193A2 (en) * 1988-07-20 1990-01-24 Fujitsu Limited Semiconductor memory device
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