JPS63238721A

JPS63238721A - 超格子ダイオ−ド論理回路

Info

Publication number: JPS63238721A
Application number: JP62073244A
Authority: JP
Inventors: Toshishige Yamada; 山田　俊茂
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1987-03-26
Filing date: 1987-03-26
Publication date: 1988-10-04
Also published as: JPH0559613B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は超格子ダイオードを用いた論理回路に関し、特
に入出力分離のとれた論理回路に関する。

（従来の技術）超格子を用いたダイオードが、雑誌「アイ・ビー−エム
・ジャーナル・オブーリサーチ・アンド・デ４　’７　
ｘ　Ｃｌ　ップメ：ｙ　）　（ＩＢＭ　Ｊｏｎｒｎａｌ
　　ｏｆＲｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ＤｅｖＪｏｐｍｅ
ｎｔ　）Ｊの１９７０年１４巻６１頁に掲載された江崎
、ツッー（Ｔｓｕ）らによる論文に報告されている。こ
の論文によると、電子親和力の異なる２種類の半導体全
エピタキシャル成長法を用いて交互に層構造を構成する
ことにより、特異な電流・電圧特性を持つ素子が得られ
ることが示されている。

第３図は、この超格子ダイオードの構造を説明するため
の模式断面図で、１０〜１２＃：ｔある電子親和力を持
つ第１の半導体層、１３．１４は異なる電子親和力を持
つ第２の半導体層、１５．１６はこのダイオードの端子
を表わす。前記文献では、第１の半導体にＧ　ａＡ　ｓ
　ｓ第２の半導体にＧａＡｌＡｓが用いられているが、
他にも様々な組み合わせが可能である。

第４図はこの超格子ダイオードの電流−電圧特性図で、
横軸は電圧、縦軸は電流を表わし、Ａ〜Ｇはその動作点
を表わす。ダイオードに与える電流を零から徐々に増加
させると、零の動作点Ａから動作点Ｂへと変化する。電
流が更に増えると動作点はＣからＤを経てＥに移動し、
ダイオードの両端に高電圧ＶＷが現われる。続いて、電
流を徐々に減少させると、動作点はＥからＦへ変化する
が、依然として高電圧ＶＦが現われたままである。

更に、電流を減少させると動作点はＦからＧへと跳び、
ダイオード両端に低電圧ＶＧが現われる。

ここで電流を０とするとその動作点はＡに戻る。

この超格子ダイオードに通常の論理動作をさせるには、
例えば第５図（ａ）に示すように、電気回路構成をとる
ことができる。すなわち、超格子ダイイオード１にバイ
アス線６、入力線４から入力し、出力線５から出力をと
り出す。

第６図は第５図（ａ）に示された回路の入出力特性図で
、横軸はバイアス線６及び入力線４より注入される電流
の和、縦軸は接続点Ｎの電圧全示し、その動作点Ａ−Ｇ
を示している。

第５図（ｂ）は第５図（ａ）の回路を組み合わせて論理
動作［を行なわせる場合の回路図であり、１゜２は超格
子ダイオード、６．７はバイアス線、４゜２１．２２は
入力線、５．２３は出力線を表わす。

まず、回路単体の動作を説明する。第５図（ａ）におい
て、バイアス線６から常々動作点Ｂに対応する電流Ｉｎ
が供給されており、入力電流が印加されていない場合に
は、接続点Ｎの電圧はＶＢである。入力線４からＩｃ−
ＩＢ　より大きい電流が矢印方向に注入されると、接続
点Ｎには、電圧ＶＤ以上の大きさの電圧が発生し、出カ
フｍ５に高電流出力が出力される。一方、入力線４から
Ｉｃ−ｌ５より小さい電流が矢印方向に注入されると、
接続点Ｎには、電圧Ｖｃ以下の大きさの電圧しか発生せ
ず、出力線５に低電流出力がなされる。

この回路は、例えば第５図（ｂ）の様に接続されて用い
られる。入力線４から高電流が注入されると、超格子ダ
イオード１が高電圧状態となり、続いて高電流が出力線
２３を通じて注入され、超格子ダイオード２が高電圧状
態となる。即ち超格子ダイオード１は和の論理を行なう
論理回路として動作する。

この回路で、始めに入力線２２から高″ｔＩＬ流が注入
さｎたとする。超格子ダイオード２が高電圧状態となり
、高電流が出力線５に流れるが、出力線２３を逆行して
、超格子ダイオード１にも注入され、このダイオード１
を高電圧状態にすることも同時に起こる。この動作は誤
動作であり、第５図（ａ）の回路の入出力分離がとられ
ていないために起こる。

（発明が解決しようとする問題点）この様に、従来の超格子ダイオードは、２端子素子であ
り、入出力分離がなされておらず、この技術分野では、
これまで、超格子ダイオードを組み合わせた入出力分離
のとられている論理回路がなかった。

本発明の目的は、このような問題点を解決し、入出力分
離を可能とした超格子ダイオード論理回路を提供するこ
とにある。

（問題を解決するための手段）本発明の構成は、電子親和力の異なる２種類の半導体を
交互に積層した構造の超格子ダイオードを２端子素子と
して用いた超格子ダイオード論理回路において、第１の
超格子ダイオードの一端が、入力線と、第１のバイアス
線と、一端を第１の電圧レベルに固定した抵抗とに接続
され、その第１の超格子ダイオードの他端が、第２のバ
イアス線と、出力線と、一端を第２の電圧レベルに固定
した第２の超格子ダイオードとに接続されたことを特徴
とする。

（作用）本発明の入出力分離型超格子論理回路では、２個の超格
子ダイオードを用いて、入力部と出力部とを分離し、入
力電流と出力電流とを電気的に分離できるようにしてい
る。

（実施例）次に本発明の実施例について、図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の一実施例を説明する回路図である。図
中、１．２は超格子ダイオード、３．８は抵抗、４は入
力線、５は出力線、６．７はバイアス線を表わす。Ｖｓ
は超格子ダイオードの電圧、Ｉｃｘ、Ｉｃｚは超格子ダ
イオード１，２の臨界電流値で、ダイオード１．２の動
作点Ｃに対応する電流値、ｒは抵抗３の抵抗値、ＲＬは
抵抗８の抵抗値である。バイアス線７より電流ｌ５７ｆ
ｒ注入し、バイアス線６より電流ＩＯを引き出す様にし
ておく、また、Ｉ　１ｎ（Ｌ）　、　Ｉ　１ｎ（Ｈ）は
それぞれ論理ｒＯｊ　、　ｒｌＪに対応する入力電流値
、Ｉｏｕｔ（Ｌ）、Ｉｏｕｔ（Ｈ）はそれぞれ調理ｒＯ
Ｊ　、　ｒｌＪ　に対応する出力電流値を表わす。

次に、この回路の動作を説明する。超格子ダイオードの
電流−電圧特性は、第６図に示されており、これを次の
様にモデル化する。

但ｔ、、　Ｖｓ（Ｈ））ＩｃｉＲＬトＬ、ｉた、Ｉｃｉ
は動作点Ｃに対応する電流値であり、各超格子ダイオー
ドで異なる値とすることができるが、Ｒ５１（ｔ、）　
−Ｉｃｉは一定とする。

ここで回路パラメータを次式の様に選び、Ｋを後に動作
領域が最大になる様に決める定数とする。

ＩＣ２＝ＫＩＣ１・・・・・（１）ＲＬ　）　ｒ　＞Ｒ５１（ｔ、）　　　　−−−・・ｆ
２１ここで想定する動作は次の通りである。入力線５か
らｌ１ｎ（し）　　が入力された場合には、超格された
場合には、超格子ダイオード１が高電圧状態となり、続
いて超格子ダイオード２が高電圧状態となり、高出力電
流Ｉｏｕｔ（ｕ）が出力される。

この動作領域が最も広くなる様にＫを定める。

まず、Ｉ　ｉ　ｎ　（ｔ、）が入力されても、超格子ダ
イオード１．２が低電圧状態であるために次式が成立す
る。

ｌ１ｎ（ｔ、）＋ｌ５−Ｉｏ（Ｉｅｔ　　　−−−−−
（３）次にＩ　ｉ　ｎ　（Ｈ）が入力されて超格子ダイ
オード１が高電圧状態となり、超格子ダイオード２が低
電圧状態であるためには次式が成立する。

ｌ１ｎ（Ｈ）＋ｌ５−ＩＯ＜ＩＣＩ　　−−−−−（４
）ｔＩｏ−Ｉｉｎｌ　＜ＫＩｃｌ−・−（５）超格子ダ
イオード１が高電圧状態になった後、超格子ダイオード
２が高電圧状態となるには、次式が成立する。

ＩＢ　＞　Ｋ　ＩＣＩ　　　　　　　・・・・・（６）
第２図（ａ）Ｖｉこの動作をするための条件（４）〜（
６）式の示す領域を表わしたグラフで、横軸はＩｉｎ／
Ｉｃｘ。

縦軸はＩＢ／ＩＣＩ　　を表わす。

正常動作するためには次式のようになる動作領域の広さ
に関係せず、論理ｒＯＪ　、　ｒｌＪを表わすＩ　１ｎ
（ｔ、）　、　Ｉ　１ｎ（Ｈ）　　の値に関係するので
、本第２図中）はに＝　−、Ｉｏ／Ｉｃ１＝７　に選ん
だ場合、論理回路が高電流出力Ｉｏｕｔ（Ｈ）を出力す
る領域ｆ、説明したグラフで、横軸はＩｉｎ／Ｉｃｌ、
縦軸はＩａ／Ｉｃｌ　を表わす。斜線部が高電流出力Ｉ
　ｏ　ｕ　＄）を出力する領域、その他が低電流出力Ｉ
ｏｕｔ（Ｌ）　ｆ。

出力する領域である。ここでバイアス電流値ＩｓはＩｓ
／Ｉｃｔ　＝　１に設定する。入力電流Ｉｉｎの大、１きさかΣＩｃ１より小、大が論理「ＯＪ　、　ｒｌＪに
対応する。

この回路より出力される電流の大きさは次のようになる〜０これらのパラメータ設定により、本論理回路が論理「１
」に対応する高出力電流Ｉ□ｕｔ（Ｈ）を出力する場合
には、超格子ダイオード１．２が高電圧状態となり、入
力電流は抵抗３を通って接地へ流れ、バイアス電流工３
は出力電流となり、負荷ＲＬへ流れる。従って、入力部
と出力部が眠気的に分離された構成となる。

以上の動作を行なうには、式＋３）ｌの条件を実現する
ことが２ｉ要である。実用的には次式の範凹が望ましい
。

ＲＬ　　≧３　ｒ　　　　　　　−・−・（１２）ｒ　
’：　３Ｒｓｔ（ｔ、）　　　　　　−−・・（１３）
なお、これら（１２）、（１３）の条件を実現するには
、超格子ダイオード素子の電流−電圧特性においてＶｃ
とＶＦの比を十分に大きくとる必要がある。

これに関しては、ンユーチャック（Ｔ、Ｊ。

Ｓｈｅｗｃｈｕｋ）らにより雑誌「アプライド・フィジ
ックスーレターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　ＰｈｙｓｉｃａＬ
ｅｔｔｅｒｓ）Ｊ　、　４６巻５０８頁（１９８５年）
に掲載されている論文に発表されている。すなわち、層
構造の層の数ｆｔ増やしたり、各々の半導体に混晶を採
用して′電子親和力全空間的に変化させたりする工夫に
より、回路設計者の所望する比の値を、７７’に〆〜室
温で実現させることができる。

また、ＶＣ，ＶＦの電圧の絶対値も、前述の江崎らの文
献に述べられている様に、半導体材料、及び超格子ダイ
オードの層構造の層の厚さを制御することにより、所望
の値に設計することが可能で、他の半導体論理回路と組
み合わせて用いる際、入出力電圧の大きさを所望の値と
することができる。

（発明の効果）以上説明した様に、本発明によれば、入出力分離のなさ
れた超格子ダイオード論理回路が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す回路図と動作図、第２
図（ａ）　、　（ｂ）は第１図の動作を説明する特性図
、第３図は超格子ダイオードの構造を示す模式的断面図
、第４図は第３図の電流電圧特性を示す特性図、第５図
（ａ）　、　（ｂ）は超格子ダイオードを論理回路とし
て用いた従来例の回路図、第６図は第５図（ａ）の動作
を示す電流−電圧特性図である。１．２・・・−・・超格子ダイオード、３．８・・・・
・・抵抗（または導体）、４，２１．２２・・・・・・
入力線、５゜２３・・・・・・出力線、６．７・・・・
・・バイアス線、８・・・・・・負荷抵抗、１０，１１
．１２・・・・・・第１半導体層、１３．１４・・・・
・・第２半導体層、１５．１６・・・・・・端子、Ａ−
Ｇ・・・・・・動作点。、−゛＼、

Claims

【特許請求の範囲】

　電子親和力の異なる２種類の半導体を交互に積層した
構造の超格子ダイオードを２端子素子として用いた超格
子ダイオード論理回路上において、第１の超格子ダイオ
ードの一端が、入力線と、第１のバイアス線と、一端を
第１の電圧レベルに固定した第１の抵抗とに接続され、
その第１の超格子ダイオードの他端が、第２のバイアス
線と、出力線と、一端を第２の電圧レベルに固定した第
２の超格子ダイオードとに接続されたことを特徴とする
超格子ダイオード論理回路。