JP2018164139A - Imaging device and electronic equipment - Google Patents
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Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
- Thin Film Transistor (AREA)
Abstract
Description
本発明の一態様は、撮像装置に関する。 One embodiment of the present invention relates to an imaging device.
なお、本発明の一態様は、上記の技術分野に限定されない。本明細書等で開示する発明の一態様の技術分野は、物、方法、または、製造方法に関するものである。または、本発明の一態様は、プロセス、マシン、マニュファクチャ、または、組成物(コンポジション・オブ・マター)に関するものである。そのため、より具体的に本明細書で開示する本発明の一態様の技術分野としては、半導体装置、表示装置、液晶表示装置、発光装置、照明装置、蓄電装置、記憶装置、撮像装置、それらの駆動方法、または、それらの製造方法、を一例として挙げることができる。 Note that one embodiment of the present invention is not limited to the above technical field. The technical field of one embodiment of the invention disclosed in this specification and the like relates to an object, a method, or a manufacturing method. Alternatively, one embodiment of the present invention relates to a process, a machine, a manufacture, or a composition (composition of matter). Therefore, the technical field of one embodiment of the present invention disclosed in this specification more specifically includes a semiconductor device, a display device, a liquid crystal display device, a light-emitting device, a lighting device, a power storage device, a memory device, an imaging device, A driving method or a manufacturing method thereof can be given as an example.
なお、本明細書等において半導体装置とは、半導体特性を利用することで機能しうる装置全般を指す。トランジスタ、半導体回路は半導体装置の一態様である。また、記憶装置、表示装置、撮像装置、電子機器は、半導体装置を有する場合がある。 Note that in this specification and the like, a semiconductor device refers to any device that can function by utilizing semiconductor characteristics. A transistor and a semiconductor circuit are one embodiment of a semiconductor device. In addition, a memory device, a display device, an imaging device, and an electronic device may include a semiconductor device.
固体撮像素子を用いた撮像装置の性能が向上し、高感度の銀塩フィルムを用いる場合と同様に低照度環境でも十分な画質が得られるようになってきている。また、基板上に形成された酸化物半導体薄膜を用いてトランジスタを構成する技術が注目されている。例えば、酸化物半導体を有するオフ電流が極めて低いトランジスタを画素回路に用いる構成の撮像装置が特許文献1に開示されている。
The performance of an image pickup apparatus using a solid-state image pickup device has been improved, and sufficient image quality can be obtained even in a low illumination environment as in the case of using a high-sensitivity silver salt film. In addition, a technique for forming a transistor using an oxide semiconductor thin film formed over a substrate has attracted attention. For example,
しかしながら、撮像装置は特有の問題も抱えている。固体撮像素子の画素領域には画素数の数倍個のトランジスタが設けられるが、それらの全てが同一の電気特性を有するように作製することは極めて困難である。 However, the imaging device also has unique problems. Transistors several times as many as the number of pixels are provided in the pixel region of the solid-state imaging device, but it is extremely difficult to manufacture all of them having the same electrical characteristics.
例えば、構造の不完全性や材料の不均一性に起因して、基準値よりもわずかにリーク電流が高いトランジスタが点在することがある。このようなトランジスタが存在していても、明るい環境下における比較的露光時間の短い撮像には影響しない。しかし、夜景や星空などを撮像する場合においては、数秒から数十分間程度の露光を行うことがある。このような撮像条件では、前述したリーク電流が起因して、本来は黒レベルの画像となる領域に輝点が発生してしまう。 For example, transistors with slightly higher leakage current than the reference value may be scattered due to incomplete structure or non-uniform material. The presence of such a transistor does not affect imaging with a relatively short exposure time in a bright environment. However, when imaging a night view or a starry sky, exposure may be performed for several seconds to several tens of minutes. Under such an imaging condition, due to the above-described leakage current, a bright spot is generated in a region that is originally a black level image.
当該輝点は長時間ノイズとして知られており、撮像条件が同じであれば、同じレベルのノイズが同じ領域に発生する。したがって、長時間ノイズの補正方法として、元画像のデータから同条件で撮像した暗状態の画像データを減算処理する方法がとられている。ただし、暗状態のデータの取得は元画像の撮像が終了後に続けて行うため、撮像時間は二倍となり、撮像のスループットを妨げる問題がある。 The bright spot is known as long-time noise, and if the imaging conditions are the same, the same level of noise occurs in the same region. Therefore, as a long-time noise correction method, a method of subtracting dark image data captured under the same conditions from original image data is used. However, since acquisition of dark data is performed continuously after the original image has been captured, the imaging time is doubled, which hinders imaging throughput.
したがって、本発明の一態様では、長時間ノイズの補正時間を短縮することのできる撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、スループットの高い撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、低照度下での撮像が容易な撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、低消費電力の撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、信頼性の高い撮像装置を提供することを目的の一つとする。または、新規な撮像装置などを提供することを目的の一つとする。または、新規な半導体装置などを提供することを目的の一つとする。 Therefore, an object of one embodiment of the present invention is to provide an imaging device that can reduce the correction time of long-time noise. Another object is to provide an imaging device with high throughput. Another object is to provide an imaging device that can easily perform imaging under low illuminance. Another object is to provide an imaging device with low power consumption. Another object is to provide a highly reliable imaging device. Another object is to provide a novel imaging device or the like. Another object is to provide a novel semiconductor device or the like.
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。 Note that the description of these problems does not disturb the existence of other problems. Note that one embodiment of the present invention does not have to solve all of these problems. Issues other than these will be apparent from the description of the specification, drawings, claims, etc., and other issues can be extracted from the descriptions of the specification, drawings, claims, etc. It is.
本発明の一態様は、ニューラルネットワークを用いて、長時間ノイズを低減した画像を得る撮像装置に関する。 One embodiment of the present invention relates to an imaging device that obtains an image with reduced noise for a long time using a neural network.
本発明の一態様は、撮像部と、制御部と、温度センサと、画像処理部と、を有する撮像装置であって、撮像部は、第1の画像データを取得する機能を有し、制御部は、撮像部における露光時間を制御する機能を有し、温度センサは、撮像部の温度を取得する機能を有し、画像処理部は、ニューラルネットワークを有し、ニューラルネットワークは、第2の画像データを生成する機能を有し、画像処理部は、第1の画像データから第2の画像データを減算して、第3の画像データを生成する機能を有する撮像装置である。 One embodiment of the present invention is an imaging device including an imaging unit, a control unit, a temperature sensor, and an image processing unit, and the imaging unit has a function of acquiring first image data and performs control. The unit has a function of controlling the exposure time in the imaging unit, the temperature sensor has a function of acquiring the temperature of the imaging unit, the image processing unit has a neural network, and the neural network has a second The image processing unit is an imaging device having a function of generating image data, and the image processing unit has a function of generating third image data by subtracting the second image data from the first image data.
ニューラルネットワークは、第1の画像データを取得したときの露光時間および温度を入力データとして第2の画像データを生成する機能を有する。 The neural network has a function of generating second image data using the exposure time and temperature when the first image data is acquired as input data.
撮像装置は外部機器と接続するインターフェイスを有し、ニューラルネットワークの重み係数は、外部機器から入力された値を用いることができる。 The imaging apparatus has an interface connected to an external device, and a value input from the external device can be used as the weighting coefficient of the neural network.
撮像部は第4の画像データを取得する機能を有し、画像処理部は、第4の画像データを取得したときの露光時間および撮像部の温度を入力データとし、第4の画像データを教師データとしてニューラルネットワークの重み係数を補正する機能を有する。 The imaging unit has a function of acquiring the fourth image data, and the image processing unit uses the exposure time and the temperature of the imaging unit when the fourth image data is acquired as input data, and uses the fourth image data as a teacher. It has a function of correcting the weighting coefficient of the neural network as data.
ニューラルネットワークは、積和演算素子を有し、積和演算素子は、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、を有する記憶回路を有し、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、第2のトランジスタのゲートと電気的に接続され、第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、容量素子と電気的に接続され、第1のトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有することができる。 The neural network includes a product-sum operation element, and the product-sum operation element includes a memory circuit including a first transistor, a second transistor, and a capacitor, and the source or drain of the first transistor Is electrically connected to the gate of the second transistor, one of the source and drain of the first transistor is electrically connected to the capacitor, and the first transistor is metal-oxidized in the channel formation region. Can have things.
撮像部の画素は、チャネル形成領域に金属酸化物を有する第3のトランジスタと、セレンまたはセレン化合物を有する光電変換素子と、を有することができる。 A pixel in the imaging portion can include a third transistor including a metal oxide in a channel formation region and a photoelectric conversion element including selenium or a selenium compound.
本発明の一態様を用いることで、長時間ノイズの補正時間を短縮することのできる撮像装置を提供することができる。または、スループットの高い撮像装置を提供することができる。または、低照度下での撮像が容易な撮像装置を提供することができる。または、低消費電力の撮像装置を提供することができる。または、信頼性の高い撮像装置を提供することができる。または、新規な撮像装置などを提供することができる。または、新規な半導体装置などを提供することができる。 By using one embodiment of the present invention, an imaging device capable of reducing noise correction time for a long time can be provided. Alternatively, an imaging device with high throughput can be provided. Alternatively, an imaging device that can easily perform imaging under low illuminance can be provided. Alternatively, an imaging device with low power consumption can be provided. Alternatively, a highly reliable imaging device can be provided. Alternatively, a novel imaging device or the like can be provided. Alternatively, a novel semiconductor device or the like can be provided.
実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略することがある。なお、図を構成する同じ要素のハッチングを異なる図面間で適宜省略または変更する場合もある。 Embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following description, and it is easily understood by those skilled in the art that modes and details can be variously changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments below. Note that in the structures of the invention described below, the same portions or portions having similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and description thereof is not repeated. Note that hatching of the same elements constituting the drawings may be appropriately omitted or changed between different drawings.
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様である撮像装置について、図面を参照して説明する。本発明の一態様は、ニューラルネットワークを用いた画像生成機能を有する撮像装置である。
(Embodiment 1)
In this embodiment, an imaging device that is one embodiment of the present invention will be described with reference to drawings. One embodiment of the present invention is an imaging device having an image generation function using a neural network.
撮像装置では、長時間ノイズまたは固定パターンノイズと呼ばれる輝点が発生することがある。当該輝点は、トランジスタのリーク電流に起因し、画素の電荷保持部の電位が変化することにより発生する。 In an imaging device, bright spots called long-term noise or fixed pattern noise may occur. The bright spot is generated when the potential of the charge holding portion of the pixel is changed due to the leakage current of the transistor.
これまで、長時間ノイズの補正は、元画像である第1の画像データ取得後に同一の条件で撮像した暗状態の第2の画像データを取得し、第1の画像データから第2の画像データを減算することで行っていた。そのため、撮像時間が倍増することが問題となっていた。 Up to now, long-time noise correction has been performed by acquiring second image data in a dark state captured under the same conditions after acquiring the first image data as the original image, and then acquiring the second image data from the first image data. Was done by subtracting. Therefore, it has been a problem that the imaging time is doubled.
本発明の一態様では、第2の画像データを事前の機械学習によって重みづけされたニューラルネットワーク用いて生成する。したがって、第2の画像データの撮像動作を省くことができる。その効果として、第1の画像データが長時間露光で取得された場合であっても、短時間で第2の画像データを生成することができ、撮像のスループットを向上させることができる。 In one embodiment of the present invention, the second image data is generated using a neural network weighted by prior machine learning. Therefore, the imaging operation of the second image data can be omitted. As an effect, even when the first image data is acquired by long exposure, the second image data can be generated in a short time, and the imaging throughput can be improved.
図1は、本発明の一態様の撮像装置を説明するブロック図の一例である。撮像装置10は、撮像部11と、制御部12と、演算部13と、画像処理部14と、温度センサ15と、記憶部16と、記憶部17と、インターフェイス18を有する。これらの要素は互いに電気的に接続されていており、必要に応じて信号およびデータの授受を行うことができる。なお、いずれかの要素が他のいずれかの要素と電気的に接続していない場合もある。また、いずれかの要素の機能を他の要素が有する場合がある。また、一つの要素の機能を複数の要素に分散する場合もある。
FIG. 1 is an example of a block diagram illustrating an imaging device of one embodiment of the present invention. The
撮像部11は、画像データを撮像する機能を有し、具体的にはCMOSイメージセンサなどを用いることができる。制御部12は、撮像にかかわる動作を制御する機能を有する。演算部13は、撮像装置全体の動作に関わる演算を行う機能を有し、例えば中央演算処理装置(CPU:Central Processing Unit)などを用いることができる。画像処理部14は、画像に関するデータ処理を行う機能を有し、例えば画像処理装置(GPU:Graphics Processing Unit)などを用いることができる。また、画像処理部14は、画像データを生成するためのニューラルネットワーク19を有する。温度センサ15は、撮像部の温度を取得する機能を有する。
The
記憶部16は、撮像装置10に動作にかかわるプログラムや設定項目を保存する機能を有し、少なくとも一部は書き換え可能なメモリであることが好ましい。記憶部17は、撮像した画像等のデータを保存するためメモリであり、取り外し可能な記憶媒体であってもよい。インターフェイス18は、外部機器20を接続する機能を有する。
The
外部機器20は、制御部21、画像処理部22、記憶部23などを有し、画像処理部22はニューラルネットワーク19と同等の構成のニューラルネットワーク24を有する。なお、ニューラルネットワーク19、24はソフトウェアで構成してもよい。
The
ここで、前述した長時間ノイズの補正について説明する。図2(A)は、長時間の露光で撮像したビルおよび空を含む夜景の画像30の一例である。例えば、露光時間を数秒以上などの長時間としたとき、本来ならば黒レベルとなるべき空の領域に不自然な輝点31、32が発生することがある。輝点31、32は長時間ノイズと呼ばれ、多くの場合、隣り合う複数の画素が異常値を出力することで認識される。なお、長時間ノイズが出現する位置および出現の条件は、製品によって異なる。
Here, the above-described long-time noise correction will be described. FIG. 2A is an example of an
同一の製品で撮像した画像において、長時間ノイズは基本的に同じ領域に発生するが、原因が特定のトランジスタのリーク電流であるため、画像に現れるノイズの状態(明暗)は露光時間および温度に依存する。特に温度が高いとリーク電流が増加し、さらにそのリーク電流によって発熱するなどの悪循環が起こる。したがって、従来においては、機械式シャッタ等を用いて画像30と同条件で撮像した暗状態の画像35(図2(B)参照)を取得し、画像30のデータから画像35のデータを減算することにより、長時間ノイズを低減した画像37を取得する方法を用いていた(図2(C)参照)。
In images taken with the same product, noise for a long time basically occurs in the same region, but because the cause is the leakage current of a specific transistor, the noise state (brightness and darkness) that appears in the image depends on the exposure time and temperature. Dependent. In particular, when the temperature is high, the leakage current increases, and a vicious cycle occurs such that heat is generated by the leakage current. Therefore, conventionally, a dark image 35 (see FIG. 2B) captured under the same conditions as the
しかしながら、この方法では、画像30を撮像した後に画像30と同じ露光時間で画像35の撮像を行うため、露光時間が倍増してしまう。また、画像30と画像35の撮像条件において、露光時間は同じとすることができるが、温度は環境により変化するため、続けて撮像を行っても温度は異なってしまうことがある。したがって、本発明の一態様では、画像35を撮像動作で取得するのではなく、ニューラルネットワークを用いて生成する手段を用いる。
However, in this method, since the
次に、ニューラルネットワークの機械学習について説明する。当該機械学習は、図1に示す撮像装置10および外部機器20を用いて行うことができる。撮像装置10および外部機器20はインターフェイス18を介して接続される。このとき、撮像装置10は、外部機器20で撮像動作が行えるようになる。
Next, machine learning of the neural network will be described. The machine learning can be performed using the
まず、外部機器20の制御部21で撮像装置10を制御し、露光時間および温度をパラメータとした暗状態の画像データを複数取得する。ここで取得した画像データは、教師データとして外部機器20の記憶部23に格納する。そして、記憶部23に格納した教師データを読み出し、対応する露光時間および温度を入力データとして画像処理部22内のニューラルネットワーク24で学習を行う。
First, the
なお、長時間ノイズが発生する領域は比較的容易に特定することができるが、長時間ノイズの明暗の情報を得るための撮像データは膨大となり、教師データの取得に時間を要する。そのため、複数の画像データの情報から外挿によって生成した画像データを教師データとして用いてもよい。 An area where noise occurs for a long time can be identified relatively easily, but the amount of imaging data for obtaining long-time noise brightness information becomes enormous, and it takes time to acquire teacher data. For this reason, image data generated by extrapolation from information of a plurality of image data may be used as teacher data.
画像全体に対して長時間ノイズにより輝点が発生する領域はわずかである。図3(A)は暗状態の画像36を再帰的に分割し、長時間ノイズが発生する領域を特定した図である。つまり、詳細な学習は、領域31bおよび領域32bに絞って行えばよいことになる。
There are only a few regions where bright spots occur due to long-term noise over the entire image. FIG. 3A is a diagram in which a
また、図3(B)は領域32bを拡大した図であり、長時間ノイズの有無が画素レベルに分別された様子を示している。さらに図3(C)乃至(E)に示すように画像の分割を行い、長時間ノイズが発生する可能性のある画素を輝点が発生している画素およびその周辺の画素に絞ることができる。最終的に一つの画素単位になるまで画像を分割してもよい。
FIG. 3B is an enlarged view of the
複数の教師データを用いて、上述したように画像を分割して長時間ノイズの発生する可能性のある画素およびその明暗を学習し、露光時間および温度を入力データとして長時間ノイズが再現された画像がニューラルネットワーク24で生成できるようにする。
Using multiple teacher data, the image is divided as described above to learn the pixels that may generate noise for a long time and their brightness, and the noise is reproduced for a long time using the exposure time and temperature as input data. An image can be generated by the
図4は、ニューラルネットワーク24で長時間ノイズを再現した画像を得る動作の流れを説明する図である。入力情報40a、40bは、それぞれ撮像装置10で長時間ノイズを除去する対象となる画像を取得したときの露光時間および温度に対応する。なお、入力情報として、さらにISO感度を追加してもよい。
FIG. 4 is a diagram for explaining the flow of operations for obtaining an image in which noise is reproduced for a long time by the
入力情報40a、40bは、入力層41、42にそれぞれ入力され、重みづけされた情報が中間層43の第1の層に入力される。ここで、中間層43は任意のノード数および層数を有する。そして、中間層の最終層から出力された情報が出力層44に入力され、出力層44は、長時間ノイズを再現した画像37を構成する情報を出力する。
The
なお、ニューラルネットワーク24で生成する画像は、図4(A)に示す画像37のような全体画像とするほか、図4(B)に示す画像38、39のような局部的な画像、さらに画像38、39を分割した画像の一部であってもよい。なお、画像38、39のような局部的な画像の場合は、全体画像に対する位置を示すアドレス情報も付与される。元画像から減算処理を行う場合は、同じアドレスの領域のみを対象として行えばよい。
The image generated by the
また、ニューラルネットワーク24に画像を選択する動作を学習させてもよい。例えば、図3(B)乃至図3(E)に示すような画像を教師データから抽出し、露光時間および温度を入力データとして推定される長時間ノイズの画像を選択して出力できるようにする。この場合、限られた数の画像の中から選択が行われるため、長時間ノイズの再現性が劣る場合もあるが、画像を生成する動作が簡略化されるため、高速に動作させることができる。
Further, the
ニューラルネットワーク24での学習が終了した後、確定した重み係数をニューラルネットワーク19に格納する。したがって、学習済みのニューラルネットワーク24と同じ動作をニューラルネットワーク19で行えるようになる。なお、重み係数を記憶部16に格納し、ニューラルネットワーク19を動作させる前に記憶部16から読み出してもよい。また、前述した画像を選択する動作を行う場合は、教師データから抽出した複数の画像を記憶部16に格納する。
After the learning in the
ここまでの外部機器20を用いた学習動作および撮像装置10への重み係数の格納は、撮像装置10の工場出荷前に行うことが好ましく、ユーザ側での作業は不要である。ただし、より厳密に長時間ノイズを低減したい場合は、ユーザ側で暗状態の画像を撮像し、露光時間および温度を入力データとし、当該画像を教師データとしてニューラルネットワーク19の重み係数の補正を行ってもよい。この場合、撮像装置10には暗状態の撮像を行うための機械式シャッタを設けることが好ましい。
The learning operation using the
次に、撮像装置10における長時間ノイズ除去の動作の流れを図5に示すフローチャートを用いて説明する。
Next, the flow of the long-term noise removal operation in the
まず、撮像部11で第1の画像の撮像を行う(S1)。ここで第1の画像とは、撮像条件を問わず、ユーザが撮像した画像である。このとき、第1の画像のデータは、画像処理部14または記憶部16に一時的に格納される。
First, the first image is picked up by the image pickup unit 11 (S1). Here, the first image is an image captured by the user regardless of the imaging conditions. At this time, the data of the first image is temporarily stored in the
次に、第1の画像を撮像した条件(露光時間、温度)が長時間ノイズの発生する条件であるか否かの判断を行う(S2)。長時間ノイズの発生しない条件(露光時間が短い、温度が低いなど)である場合は、画像処理部14にて予め指定された画像フォーマットへの変換などが行われ(S6)、記憶部17に保存される(S7)。
Next, it is determined whether or not the conditions (exposure time, temperature) for capturing the first image are conditions for generating noise for a long time (S2). When the conditions are such that noise does not occur for a long time (exposure time is short, temperature is low, etc.), the
第1の画像を撮像した条件が長時間ノイズの発生する条件(露光時間が長い、温度が高いいなど)である場合は、長時間ノイズの除去動作を行う設定になっているか否かの確認を行う(S3)。 If the first image is captured for a long time (such as a long exposure time or high temperature), check whether it is set to remove noise for a long time. (S3).
事前にユーザが長時間ノイズの除去動作を行わない設定にしている場合は、S6に進む。長時間ノイズの除去を行う場合は、第1の画像データの撮像条件(露光時間、温度)を入力データとしてニューラルネットワーク19で第2の画像の生成を行う(S4)。このとき、第2の画像のデータは、画像処理部14または記憶部16に一時的に格納される。
If the user has set in advance that the noise removal operation is not performed for a long time, the process proceeds to S6. When noise is removed for a long time, the second image is generated by the
次に、画像処理部14で第1の画像のデータから第2の画像のデータを減算する処理を行い、長時間ノイズを除去した第3の画像データを生成する。
Next, the
そして、第3の画像データを画像処理部14で予め指定された画像フォーマットに変換し(S6)、記憶部17に保存する(S7)。 Then, the third image data is converted into an image format designated in advance by the image processing unit 14 (S6) and stored in the storage unit 17 (S7).
以上の動作により、第1の画像から長時間ノイズを除去した画像の取得が完了する。 With the above operation, acquisition of an image obtained by removing noise from the first image for a long time is completed.
なお、図5のフローチャートにおいて、S2とS3の順序を入れ替えてもよい。また、S2の判定がYesである場合は、S3を省略してS4に進んでもよい。 In the flowchart of FIG. 5, the order of S2 and S3 may be switched. If the determination in S2 is Yes, S3 may be omitted and the process may proceed to S4.
また、温度変化がない前提で、S1で同じ露光時間で複数の第1の画像を取得した後にS2に進み、S4で生成した一つの第2の画像を用いて複数の第1の画像の長時間ノイズを除去する動作を行ってもよい。 On the assumption that there is no temperature change, the process proceeds to S2 after acquiring a plurality of first images with the same exposure time in S1, and the length of the plurality of first images using one second image generated in S4. You may perform the operation | movement which removes a time noise.
次に、ニューラルネットワークの構成例について、図6(A)乃至(C)を用いて説明する。ニューラルネットワークNNは、ニューロン回路と、ニューロン回路間に設けられたシナプス回路によって構成される。 Next, a configuration example of the neural network will be described with reference to FIGS. The neural network NN includes a neuron circuit and a synapse circuit provided between the neuron circuits.
図6(A)は、ニューラルネットワークNNを構成するニューロン回路NCとシナプス回路SCの構成例である。シナプス回路SCには、入力データx1乃至xL(Lは自然数)が入力される。また、シナプス回路SCは、重み係数wk(kは1以上L以下の整数)を記憶する機能を有する。重み係数wkは、ニューロン回路NC間の結合の強さに対応する。 FIG. 6A shows a configuration example of the neuron circuit NC and the synapse circuit SC that constitute the neural network NN. Input data x 1 to x L (L is a natural number) is input to the synapse circuit SC. The synapse circuit SC has a function of storing a weight coefficient w k (k is an integer of 1 or more and L or less). The weighting factor w k corresponds to the strength of the connection between the neuron circuits NC.
シナプス回路SCに入力データx1乃至xL入力されると、ニューロン回路NCには、シナプス回路CNに入力された入力データxkと、シナプス回路CNに記憶された重み係数wkとの積(xkwk)を、k=1乃至Lについて足し合わせた値(x1w1+x2w2+…+xLwL)、すなわち、xkとwkを用いた積和演算によって得られた値が供給される。この値がニューロン回路NCのしきい値θOを超えた場合、ニューロン回路NCはハイレベルの信号を出力する。この現象をニューロン回路NCの発火と呼ぶ。 When the input data x 1 to x L are input to the synapse circuit SC, the neuron circuit NC has a product of the input data x k input to the synapse circuit CN and the weight coefficient w k stored in the synapse circuit CN ( x k w k ) obtained by adding up k = 1 to L (x 1 w 1 + x 2 w 2 +... + x L w L ), that is, obtained by a product-sum operation using x k and w k Values are supplied. When this value exceeds the threshold value θ O of the neuron circuit NC, the neuron circuit NC outputs a high level signal. This phenomenon is called firing of the neuron circuit NC.
図6(B)にニューラルネットワークNNのモデルの一例を示す。ニューラルネットワークNNは、ニューロン回路NCとシナプス回路SCを用いた階層型パーセプトロンの構成を有し、入力層IL、隠れ層(中間層)HL、出力層OLを有する。 FIG. 6B shows an example of a model of the neural network NN. The neural network NN has a hierarchical perceptron configuration using a neuron circuit NC and a synapse circuit SC, and has an input layer IL, a hidden layer (intermediate layer) HL, and an output layer OL.
入力層ILは隠れ層HLに対して、入力データx1乃至xLを出力することができる。隠れ層HLは、隠れシナプス回路HS、隠れニューロン回路HNを有する。出力層OLは、出力シナプス回路OS、出力ニューロン回路ONを有する。 Input layer IL can be output to the hidden layer HL, the input data x 1 to x L. The hidden layer HL has a hidden synapse circuit HS and a hidden neuron circuit HN. The output layer OL has an output synapse circuit OS and an output neuron circuit ON.
隠れニューロン回路HNには、入力データxkと、隠れシナプス回路HSに保持された重み係数wkと、を用いた積和演算によって得られた値が供給される。そして、出力ニューロン回路ONには、隠れニューロン回路HNの出力と、出力シナプス回路OSに保持された重み係数wkを用いた積和演算によって得られた値が供給される。そして、出力ニューロン回路ONから、出力データy1乃至ynが出力される。 The hidden neuron circuit HN is supplied with a value obtained by a product-sum operation using the input data x k and the weighting coefficient w k held in the hidden synapse circuit HS. The output neuron circuit ON is supplied with the value obtained by the product-sum operation using the output of the hidden neuron circuit HN and the weighting coefficient w k held in the output synapse circuit OS. Then, the output neuron circuit ON, the output data y 1 to y n are output.
このように、所定の入力データが与えられたニューラルネットワークNNは、シナプス回路SCに保持された重み係数と、ニューロン回路のしきい値θに応じた値を、出力データとして出力する機能を有する。 As described above, the neural network NN given predetermined input data has a function of outputting, as output data, a weight coefficient held in the synapse circuit SC and a value corresponding to the threshold value θ of the neuron circuit.
また、ニューラルネットワークNNは、教師データの入力によって教師あり学習を行うことができる。図6(C)に、誤差逆伝播法を利用して教師あり学習を行うニューラルネットワークNNのモデルを示す。 The neural network NN can perform supervised learning by inputting teacher data. FIG. 6C shows a model of the neural network NN that performs supervised learning using the error back propagation method.
誤差逆伝播法は、ニューラルネットワークの出力データと教師信号の誤差が小さくなるように、シナプス回路の重み係数wkを変更する方式である。具体的には、出力データy1乃至ynと教師データt1乃至tLに基づいて決定される誤差δOに応じて、隠れシナプス回路HSの重み係数wkが変更される。また、隠れシナプス回路HSの重み係数wkの変更量に応じて、さらに前段のシナプス回路SCの重み係数wkが変更される。このように、教師データt1乃至tLに基づいて、シナプス回路SCの重み係数を順次変更することにより、ニューラルネットワークNNの学習を行うことができる。 The error back propagation method is a method of changing the weight coefficient w k of the synapse circuit so that the error between the output data of the neural network and the teacher signal becomes small. Specifically, according to the error [delta] O, which is determined on the basis of the output data y 1 to y n and teacher data t 1 to t L, the weighting factor w k hidden synapse circuit HS is changed. Further, in accordance with the change amount of the weighting coefficient w k of the hidden synapse circuit HS, further weighting factor w k of the preceding stage of the synapse circuit SC is changed. As described above, the neural network NN can be learned by sequentially changing the weighting coefficient of the synapse circuit SC based on the teacher data t 1 to t L.
図6に示すニューラルネットワークの構成は、図1におけるニューラルネットワーク19、24に用いることができる。また、ニューラルネットワーク24の学習には、上記の誤差逆伝播法を用いることができる。その場合、入力データx1乃至xLとして露光時間および温度が用いられ、教師データには予め撮像された暗状態の画像が用いられる。
The configuration of the neural network shown in FIG. 6 can be used for the
なお、図6(B)、(C)には1層の隠れ層HLを示しているが、隠れ層HLの層数は2以上とすることができる。隠れ層HLを2層以上有するニューラルネットワーク(ディープニューラルネットワーク(DNN))を用いることにより、深層学習を行うことができる。これにより、画像生成の精度を高めることができる。 6B and 6C show one hidden layer HL, the number of hidden layers HL can be two or more. Deep learning can be performed by using a neural network having two or more hidden layers HL (deep neural network (DNN)). Thereby, the precision of image generation can be improved.
以上の説明の通り、本発明の一態様を用いることで長時間ノイズを含む第2の画像を生成することができ、元画像である第1の画像から第2の画像を減算処理することにより長時間ノイズを低減した第3の画像を得ることができる。したがって、第2の画像を撮像動作で取得する動作を省くことができ、撮像のスループットを向上させることができる。 As described above, a second image including noise for a long time can be generated by using one embodiment of the present invention, and the second image is subtracted from the first image that is the original image. A third image with reduced noise for a long time can be obtained. Therefore, the operation of acquiring the second image by the imaging operation can be omitted, and the imaging throughput can be improved.
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.
(実施の形態2)
本実施の形態では、上記実施の形態で説明したニューラルネットワークに用いることができる半導体装置の構成例について説明する。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a structure example of a semiconductor device that can be used for the neural network described in the above embodiment will be described.
ニューラルネットワークがハードウェアによって構成される場合、ニューラルネットワークにおける積和演算は、積和演算素子を用いて行うことができる。本実施の形態では、ニューラルネットワーク19またはニューラルネットワーク24における積和演算素子として用いることができる半導体装置の構成例について説明する。
When the neural network is configured by hardware, the product-sum operation in the neural network can be performed using a product-sum operation element. In the present embodiment, a configuration example of a semiconductor device that can be used as a product-sum operation element in the
<半導体装置の構成例>
半導体装置100の構成の一例を図7に示す。図7に示す半導体装置100は、記憶回路110(MEM)と、参照用記憶回路120(RMEM)と、回路130と、回路140と、を有する。半導体装置100は、さらに電流源回路150(CREF)を有していても良い。
<Configuration example of semiconductor device>
An example of the configuration of the
記憶回路110(MEM)は、メモリセルMC[i、j]、メモリセルMC[i+1、j]で例示されるメモリセルMCを有する。また、各メモリセルMCは、入力された電位を電流に変換する機能を有する素子を有する。上記機能を有する素子として、例えばトランジスタなどの能動素子を用いることができる。図7では、各メモリセルMCがトランジスタTr11を有する場合を例示している。 The memory circuit 110 (MEM) includes a memory cell MC exemplified by a memory cell MC [i, j] and a memory cell MC [i + 1, j]. Each memory cell MC includes an element having a function of converting an input potential into a current. As an element having the above function, for example, an active element such as a transistor can be used. FIG. 7 illustrates a case where each memory cell MC includes a transistor Tr11.
そして、メモリセルMCには、配線WD[j]で例示される配線WDから第1のアナログ電位が入力される。第1のアナログ電位は、第1のアナログデータに対応する。そして、メモリセルMCは、第1のアナログ電位に応じた第1のアナログ電流を生成する機能を有する。具体的には、トランジスタTr11のゲートに第1のアナログ電位を供給したときに得られるトランジスタTr11のドレイン電流を、第1のアナログ電流とすることができる。なお、以下、メモリセルMC[i、j]に流れる電流をI[i、j]とし、メモリセルMC[i+1、j]に流れる電流をI[i+1、j]とする。 Then, the first analog potential is input to the memory cell MC from the wiring WD exemplified by the wiring WD [j]. The first analog potential corresponds to the first analog data. The memory cell MC has a function of generating a first analog current corresponding to the first analog potential. Specifically, the drain current of the transistor Tr11 obtained when the first analog potential is supplied to the gate of the transistor Tr11 can be used as the first analog current. Hereinafter, the current flowing through the memory cell MC [i, j] is I [i, j], and the current flowing through the memory cell MC [i + 1, j] is I [i + 1, j].
なお、トランジスタTr11が飽和領域で動作する場合、そのドレイン電流はソースとドレイン間の電圧に依存せず、ゲート電圧としきい値電圧の差分によって制御される。よって、トランジスタTr11は飽和領域で動作させることが望ましい。トランジスタTr11を飽和領域で動作させるために、そのゲート電圧、ソースとドレイン間の電圧は、飽和領域で動作する範囲の電圧に適切に設定されているものとする。 Note that when the transistor Tr11 operates in the saturation region, the drain current does not depend on the voltage between the source and the drain, but is controlled by the difference between the gate voltage and the threshold voltage. Therefore, it is desirable to operate the transistor Tr11 in the saturation region. In order to operate the transistor Tr11 in the saturation region, it is assumed that the gate voltage and the voltage between the source and the drain are appropriately set to a voltage in a range in which the transistor Tr11 operates in the saturation region.
具体的に、図7に示す半導体装置100では、メモリセルMC[i、j]に配線WD[j]から第1のアナログ電位Vx[i、j]または第1のアナログ電位Vx[i、j]に応じた電位が入力される。メモリセルMC[i、j]は、第1のアナログ電位Vx[i、j]に応じた第1のアナログ電流を生成する機能を有する。すなわち、この場合、メモリセルMC[i、j]の電流I[i、j]は、第1のアナログ電流に相当する。
Specifically, in the
また、具体的に、図7に示す半導体装置100では、メモリセルMC[i+1、j]に配線WD[j]から第1のアナログ電位Vx[i+1、j]または第1のアナログ電位Vx[i+1、j]に応じた電位が入力される。メモリセルMC[i+1、j]は、第1のアナログ電位Vx[i+1、j]に応じた第1のアナログ電流を生成する機能を有する。すなわち、この場合、メモリセルMC[i+1、j]の電流I[i+1、j]は、第1のアナログ電流に相当する。
Specifically, in the
そして、メモリセルMCは、第1のアナログ電位を保持する機能を有する。すなわち、メモリセルMCは、第1のアナログ電位を保持することで、第1のアナログ電位に応じた第1のアナログ電流を保持する機能を有するといえる。 The memory cell MC has a function of holding the first analog potential. In other words, it can be said that the memory cell MC has a function of holding the first analog current corresponding to the first analog potential by holding the first analog potential.
また、メモリセルMCには、配線RW[i]、配線RW[i+1]で例示される配線RWから第2のアナログ電位が入力される。第2のアナログ電位は、第2のアナログデータに対応する。メモリセルMCは、既に保持されている第1のアナログ電位に、第2のアナログ電位あるいは第2のアナログ電位に応じた電位を加算する機能と、加算することで得られる第3のアナログ電位を保持する機能とを有する。そして、メモリセルMCは、第3のアナログ電位に応じた第2のアナログ電流を生成する機能を有する。すなわち、メモリセルMCは、第3のアナログ電位を保持することで、第3のアナログ電位に応じた第2のアナログ電流を保持する機能を有するといえる。 In addition, the second analog potential is input to the memory cell MC from the wiring RW exemplified by the wiring RW [i] and the wiring RW [i + 1]. The second analog potential corresponds to the second analog data. The memory cell MC has a function of adding the second analog potential or a potential corresponding to the second analog potential to the already held first analog potential, and a third analog potential obtained by the addition. Holding function. The memory cell MC has a function of generating a second analog current corresponding to the third analog potential. That is, it can be said that the memory cell MC has a function of holding the second analog current corresponding to the third analog potential by holding the third analog potential.
具体的に、図7に示す半導体装置100では、メモリセルMC[i、j]に配線RW[i]から第2のアナログ電位Vw[i、j]が入力される。そして、メモリセルMC[i、j]は、第1のアナログ電位Vx[i、j]および第2のアナログ電位Vw[i、j]に応じた第3のアナログ電位を保持する機能を有する。そして、メモリセルMC[i、j]は、第3のアナログ電位に応じた第2のアナログ電流を生成する機能を有する。すなわち、この場合、メモリセルMC[i、j]の電流I[i、j]は、第2のアナログ電流に相当する。
Specifically, in the
また、図7に示す半導体装置100では、メモリセルMC[i+1、j]に配線RW[i+1]から第2のアナログ電位Vw[i+1、j]が入力される。そして、メモリセルMC[i+1、j]は、第1のアナログ電位Vx[i+1、j]および第2のアナログ電位Vw[i+1、j]に応じた第3のアナログ電位を保持する機能を有する。そして、メモリセルMC[i+1、j]は、第3のアナログ電位に応じた第2のアナログ電流を生成する機能を有する。すなわち、この場合、メモリセルMC[i+1、j]の電流I[i+1、j]は、第2のアナログ電流に相当する。
In the
そして、電流I[i、j]は、メモリセルMC[i、j]を介して配線BL[j]と配線VR[j]の間を流れる。電流I[i+1、j]は、メモリセルMC[i+1、j]を介して配線BL[j]と配線VR[j]の間を流れる。よって、電流I[i、j]と電流I[i+1、j]との和に相当する電流I[j]が、メモリセルMC[i、j]およびメモリセルMC[i+1、j]を介して配線BL[j]と配線VR[j]の間を流れることとなる。 The current I [i, j] flows between the wiring BL [j] and the wiring VR [j] through the memory cell MC [i, j]. The current I [i + 1, j] flows between the wiring BL [j] and the wiring VR [j] through the memory cell MC [i + 1, j]. Therefore, the current I [j] corresponding to the sum of the current I [i, j] and the current I [i + 1, j] is passed through the memory cell MC [i, j] and the memory cell MC [i + 1, j]. It flows between the wiring BL [j] and the wiring VR [j].
参照用記憶回路120(RMEM)は、メモリセルMCR[i]、メモリセルMCR[i+1]で例示されるメモリセルMCRを有する。メモリセルMCRには、配線WDREFから第1の参照電位VPRが入力される。そして、メモリセルMCRは、第1の参照電位VPRに応じた第1の参照電流を生成する機能を有する。なお、以下、メモリセルMCR[i]に流れる電流をIREF[i]とし、メモリセルMCR[i+1]に流れる電流をIREF[i+1]とする。 The reference memory circuit 120 (RMEM) includes a memory cell MCR exemplified by a memory cell MCR [i] and a memory cell MCR [i + 1]. A first reference potential VPR is input to the memory cell MCR from the wiring WDREF. The memory cell MCR has a function of generating a first reference current corresponding to the first reference potential VPR. Hereinafter, the current flowing through the memory cell MCR [i] is referred to as IREF [i], and the current flowing through the memory cell MCR [i + 1] is referred to as IREF [i + 1].
そして、具体的に、図7に示す半導体装置100では、メモリセルMCR[i]に配線WDREF[i]から第1の参照電位VPRが入力される。メモリセルMCR[i]は、第1の参照電位VPRに応じた第1の参照電流を生成する機能を有する。すなわち、この場合、メモリセルMCR[i]の電流IREF[i]は、第1の参照電流に相当する。
Specifically, in the
また、図7に示す半導体装置100では、メモリセルMCR[i+1]に配線WDREFから第1の参照電位VPRが入力される。メモリセルMCR[i+1]は、第1の参照電位VPRに応じた第1の参照電流を生成する機能を有する。すなわち、この場合、メモリセルMCR[i+1]の電流IREF[i+1]は、第1の参照電流に相当する。
In the
そして、メモリセルMCRは、第1の参照電位VPRを保持する機能を有する。すなわち、メモリセルMCRは、第1の参照電位VPRを保持することで、第1の参照電位VPRに応じた第1の参照電流を保持する機能を有すると言える。 The memory cell MCR has a function of holding the first reference potential VPR. That is, it can be said that the memory cell MCR has a function of holding the first reference current corresponding to the first reference potential VPR by holding the first reference potential VPR.
また、メモリセルMCRには、配線RW[i]、配線RW[i+1]で例示される配線RWから第2のアナログ電位が入力される。メモリセルMCRは、既に保持されている第1の参照電位VPRに、第2のアナログ電位あるいは第2のアナログ電位に応じた電位を加算し、加算することで得られる第2の参照電位を保持する機能を有する。そして、メモリセルMCRは、第2の参照電位に応じた第2の参照電流を生成する機能を有する。すなわち、メモリセルMCRは、第2の参照電位を保持することで、第2の参照電位に応じた第2の参照電流を保持する機能を有すると言える。 In addition, the second analog potential is input to the memory cell MCR from the wiring RW exemplified by the wiring RW [i] and the wiring RW [i + 1]. The memory cell MCR adds the second analog potential or a potential corresponding to the second analog potential to the already held first reference potential VPR, and holds the second reference potential obtained by the addition. It has the function to do. The memory cell MCR has a function of generating a second reference current corresponding to the second reference potential. That is, it can be said that the memory cell MCR has a function of holding the second reference potential corresponding to the second reference potential by holding the second reference potential.
具体的に、図7に示す半導体装置100では、メモリセルMCR[i]に配線RW[i]から第2のアナログ電位Vw[i、j]が入力される。そして、メモリセルMCR[i]は、第1の参照電位VPRおよび第2のアナログ電位Vw[i、j]に応じた第2の参照電位を保持する機能を有する。そして、メモリセルMCR[i]は、第2の参照電位に応じた第2の参照電流を生成する機能を有する。すなわち、この場合、メモリセルMCR[i]の電流IREF[i]は、第2の参照電流に相当する。
Specifically, in the
また、図7に示す半導体装置100では、メモリセルMCR[i+1]に配線RW[i+1]から第2のアナログ電位Vw[i+1、j]が入力される。そして、メモリセルMCR[i+1]は、第1の参照電位VPRおよび第2のアナログ電位Vw[i+1、j]に応じた第2の参照電位を保持する機能を有する。そして、メモリセルMCR[i+1]は、第2の参照電位に応じた第2の参照電流を生成する機能を有する。すなわち、この場合、メモリセルMCR[i+1]の電流IREF[i+1]は、第2の参照電流に相当する。
In the
そして、電流IREF[i]は、メモリセルMCR[i]を介して配線BLREFと配線VRREFの間を流れる。電流IREF[i+1]は、メモリセルMCR[i+1]を介して配線BLREFと配線VRREFの間を流れる。よって、電流IREF[i]と電流IREF[i+1]との和に相当する電流IREFが、メモリセルMCR[i]およびメモリセルMCR[i+1]を介して配線BLREFと配線VRREFの間を流れることとなる。 Then, the current IREF [i] flows between the wiring BLREF and the wiring VRREF through the memory cell MCR [i]. The current IREF [i + 1] flows between the wiring BLREF and the wiring VRREF through the memory cell MCR [i + 1]. Therefore, a current IREF corresponding to the sum of the current IREF [i] and the current IREF [i + 1] flows between the wiring BLREF and the wiring VRREF via the memory cell MCR [i] and the memory cell MCR [i + 1]. Become.
電流源回路150は、配線BLREFに流れる電流IREFと同じ値の電流、もしくは電流IREFに対応する電流を、配線BLに供給する機能を有する。そして、後述するオフセットの電流を設定する際には、メモリセルMC[i、j]およびメモリセルMC[i+1、j]を介して配線BL[j]と配線VR[j]の間を流れる電流I[j]が、メモリセルMCR[i]およびメモリセルMCR[i+1]を介して配線BLREFと配線VRREFの間を流れる電流IREFと異なる場合、差分の電流は回路130または回路140に流れる。回路130は電流ソース回路としての機能を有し、回路140は電流シンク回路としての機能を有する。
The
具体的に、電流I[j]が電流IREFよりも大きい場合、回路130は、電流I[j]と電流IREFの差分に相当する電流ΔI[j]を生成する機能を有する。また、回路130は、生成した電流ΔI[j]を配線BL[j]に供給する機能を有する。すなわち、回路130は、電流ΔI[j]を保持する機能を有すると言える。
Specifically, when the current I [j] is larger than the current IREF, the
また、電流I[j]が電流IREFよりも小さい場合、回路140は、電流I[j]と電流IREFの差分に相当する電流ΔI[j]を生成する機能を有する。また、回路140は、生成した電流ΔI[j]を配線BL[j]から引き込む機能を有する。すなわち、回路140は、電流ΔI[j]を保持する機能を有すると言える。
When the current I [j] is smaller than the current IREF, the
次いで、図7に示す半導体装置100の動作の一例について説明する。
Next, an example of operation of the
まず、メモリセルMC[i、j]に第1のアナログ電位に応じた電位を格納する。具体的には、第1の参照電位VPRから第1のアナログ電位Vx[i、j]を差し引いた電位VPR−Vx[i、j]が、配線WD[j]を介してメモリセルMC[i、j]に入力される。メモリセルMC[i、j]では、電位VPR−Vx[i、j]が保持される。また、メモリセルMC[i、j]では、電位VPR−Vx[i、j]に応じた電流I[i、j]が生成される。例えば第1の参照電位VPRは、接地電位よりも高いハイレベルの電位とする。具体的には、接地電位よりも高く、電流源回路150に供給されるハイレベルの電位VDDと同程度か、それ以下の電位であることが望ましい。
First, a potential corresponding to the first analog potential is stored in the memory cell MC [i, j]. Specifically, a potential VPR−Vx [i, j] obtained by subtracting the first analog potential Vx [i, j] from the first reference potential VPR is set to the memory cell MC [i] via the wiring WD [j]. , J]. In the memory cell MC [i, j], the potential VPR−Vx [i, j] is held. In the memory cell MC [i, j], a current I [i, j] corresponding to the potential VPR−Vx [i, j] is generated. For example, the first reference potential VPR is a high level potential higher than the ground potential. Specifically, it is desirable that the potential is higher than the ground potential and is approximately equal to or lower than the high-level potential VDD supplied to the
また、メモリセルMCR[i]に第1の参照電位VPRを格納する。具体的には、電位VPRが、配線WDREFを介してメモリセルMCR[i]に入力される。モリセルMCR[i]では、電位VPRが保持される。また、メモリセルMCR[i]では、電位VPRに応じた電流IREF[i]が生成される。 Further, the first reference potential VPR is stored in the memory cell MCR [i]. Specifically, the potential VPR is input to the memory cell MCR [i] through the wiring WDREF. In the Mori cell MCR [i], the potential VPR is held. In the memory cell MCR [i], a current IREF [i] corresponding to the potential VPR is generated.
また、メモリセルMC[i+1、j]に第1のアナログ電位に応じた電位を格納する。具体的には、第1の参照電位VPRから第1のアナログ電位Vx[i+1、j]を差し引いた電位VPR−Vx[i+1、j]が、配線WD[j]を介してメモリセルMC[i+1、j]に入力される。メモリセルMC[i+1、j]では、電位VPR−Vx[i+1、j]が保持される。また、メモリセルMC[i+1、j]では、電位VPR−Vx[i+1、j]に応じた電流I[i+1、j]が生成される。 In addition, a potential corresponding to the first analog potential is stored in the memory cell MC [i + 1, j]. Specifically, the potential VPR−Vx [i + 1, j] obtained by subtracting the first analog potential Vx [i + 1, j] from the first reference potential VPR is connected to the memory cell MC [i + 1] via the wiring WD [j]. , J]. In the memory cell MC [i + 1, j], the potential VPR−Vx [i + 1, j] is held. Further, in the memory cell MC [i + 1, j], a current I [i + 1, j] corresponding to the potential VPR−Vx [i + 1, j] is generated.
また、メモリセルMCR[i+1]に第1の参照電位VPRを格納する。具体的には、電位VPRが、配線WDREFを介してメモリセルMCR[i+1]に入力される。モリセルMCR[i+1]では、電位VPRが保持される。また、メモリセルMCR[i+1]では、電位VPRに応じた電流IREF[i+1]が生成される。 In addition, the first reference potential VPR is stored in the memory cell MCR [i + 1]. Specifically, the potential VPR is input to the memory cell MCR [i + 1] through the wiring WDREF. In the Mori cell MCR [i + 1], the potential VPR is held. In the memory cell MCR [i + 1], a current IREF [i + 1] corresponding to the potential VPR is generated.
上記動作において、配線RW[i]および配線RW[i+1]は基準電位とする。例えば、基準電位として接地電位、基準電位よりも低いローレベルの電位VSSなどを用いることができる。あるいは、基準電位として電位VSSと電位VDDの間の電位を用いると、第2のアナログ電位Vwを正負にしても、配線RWの電位を接地電位よりも高くできるので信号の生成を容易にすることができ、正負のアナログデータに対する積演算が可能になるので好ましい。 In the above operation, the wiring RW [i] and the wiring RW [i + 1] are set to the reference potential. For example, a ground potential, a low-level potential VSS lower than the reference potential, or the like can be used as the reference potential. Alternatively, when a potential between the potential VSS and the potential VDD is used as the reference potential, even if the second analog potential Vw is positive or negative, the potential of the wiring RW can be higher than the ground potential, thereby facilitating signal generation. This is preferable because product operation can be performed on positive and negative analog data.
上記動作により、配線BL[j]には、配線BL[j]に接続されたメモリセルMCにおいてそれぞれ生成される電流を合わせた電流が、流れることとなる。具体的に図7では、メモリセルMC[i、j]で生成される電流I[i、j]と、メモリセルMC[i+1、j]で生成される電流I[i+1、j]とを合わせた電流I[j]が流れる。また、上記動作により、配線BLREFには、配線BLREFに接続されたメモリセルMCRにおいてそれぞれ生成される電流を合わせた電流が、流れることとなる。具体的に図7では、メモリセルMCR[i]で生成される電流IREF[i]と、メモリセルMCR[i+1]で生成される電流IREF[i+1]とを合わせた電流IREFが流れる。 Through the above operation, currents that are combined with currents generated in the memory cells MC connected to the wiring BL [j] flow through the wiring BL [j]. Specifically, in FIG. 7, the current I [i, j] generated in the memory cell MC [i, j] is combined with the current I [i + 1, j] generated in the memory cell MC [i + 1, j]. Current I [j] flows. Further, by the above operation, currents that are combined with currents generated in the memory cells MCR connected to the wiring BLREF flow through the wiring BLREF. Specifically, in FIG. 7, a current IREF that is a combination of the current IREF [i] generated in the memory cell MCR [i] and the current IREF [i + 1] generated in the memory cell MCR [i + 1] flows.
次いで、配線RW[i]および配線RW[i+1]の電位を基準電位としたまま、第1のアナログ電位によって得られる電流I[j]と第1の参照電位によって得られる電流IREFとの差分から得られるオフセットの電流Ioffset[j]を、回路130または回路140において保持する。
Next, from the difference between the current I [j] obtained by the first analog potential and the current IREF obtained by the first reference potential, with the potentials of the wiring RW [i] and the wiring RW [i + 1] being the reference potential. The obtained offset current Ioffset [j] is held in the
具体的に、電流I[j]が電流IREFよりも大きい場合、回路130は電流Ioffset[j]を配線BL[j]に供給する。すなわち、回路130に流れる電流ICM[j]は電流Ioffset[j]に相当することとなる。そして、当該電流ICM[j]の値は回路130において保持される。また、電流I[j]が電流IREFよりも小さい場合、回路140は電流Ioffset[j]を配線BL[j]から引き込む。すなわち、回路140に流れる電流ICP[j]は電流Ioffset[j]に相当することとなる。そして、当該電流ICP[j]の値は回路140において保持される。
Specifically, when the current I [j] is larger than the current IREF, the
次いで、既にメモリセルMC[i、j]において保持されている第1のアナログ電位または第1のアナログ電位に応じた電位に加算するように、第2のアナログ電位または第2のアナログ電位に応じた電位をメモリセルMC[i、j]に格納する。具体的には、配線RW[i]の電位を基準電位に対してVw[i]だけ高い電位とすることで、第2のアナログ電位Vw[i]が、配線RW[i]を介してメモリセルMC[i、j]に入力される。メモリセルMC[i、j]では、電位VPR−Vx[i、j]+Vw[i]が保持される。また、メモリセルMC[i、j]では、電位VPR−Vx[i、j]+Vw[i]に応じた電流I[i、j]が生成される。 Then, according to the second analog potential or the second analog potential so as to be added to the first analog potential already held in the memory cell MC [i, j] or the potential according to the first analog potential. The stored potential is stored in the memory cell MC [i, j]. Specifically, by setting the potential of the wiring RW [i] to a potential higher by Vw [i] than the reference potential, the second analog potential Vw [i] is stored in the memory via the wiring RW [i]. Input to cell MC [i, j]. In the memory cell MC [i, j], the potential VPR−Vx [i, j] + Vw [i] is held. In the memory cell MC [i, j], a current I [i, j] corresponding to the potential VPR−Vx [i, j] + Vw [i] is generated.
また、既にメモリセルMC[i+1、j]において保持されている第1のアナログ電位または第1のアナログ電位に応じた電位に加算するように、第2のアナログ電位または第2のアナログ電位に応じた電位をメモリセルMC[i+1、j]に格納する。具体的には、配線RW[i+1]の電位を基準電位に対してVw[i+1]だけ高い電位とすることで、第2のアナログ電位Vw[i+1]が、配線RW[i+1]を介してメモリセルMC[i+1、j]に入力される。メモリセルMC[i+1、j]では、電位VPR−Vx[i+1、j]+Vw[i+1]が保持される。また、メモリセルMC[i+1、j]では、電位VPR−Vx[i+1、j]+Vw[i+1]に応じた電流I[i+1、j]が生成される。 Further, according to the second analog potential or the second analog potential so as to be added to the first analog potential already held in the memory cell MC [i + 1, j] or the potential according to the first analog potential. The stored potential is stored in the memory cell MC [i + 1, j]. Specifically, by setting the potential of the wiring RW [i + 1] higher by Vw [i + 1] than the reference potential, the second analog potential Vw [i + 1] is stored in the memory through the wiring RW [i + 1]. It is input to the cell MC [i + 1, j]. In the memory cell MC [i + 1, j], the potential VPR−Vx [i + 1, j] + Vw [i + 1] is held. In the memory cell MC [i + 1, j], a current I [i + 1, j] corresponding to the potential VPR−Vx [i + 1, j] + Vw [i + 1] is generated.
なお、電位を電流に変換する素子として飽和領域で動作するトランジスタTr11を用いる場合、配線RW[i]の電位がVw[i]であり、配線RW[i+1]の電位がVw[i+1]であると仮定すると、メモリセルMC[i、j]が有するトランジスタTr11のドレイン電流が電流I[i、j]に相当するので、第2のアナログ電流は以下の式1で表される。なお、kは係数、VthはトランジスタTr11のしきい値電圧である。
Note that in the case where the transistor Tr11 that operates in the saturation region is used as an element that converts potential into current, the potential of the wiring RW [i] is Vw [i], and the potential of the wiring RW [i + 1] is Vw [i + 1]. Assuming that the drain current of the transistor Tr11 included in the memory cell MC [i, j] corresponds to the current I [i, j], the second analog current is expressed by the following
I[i、j]=k(Vw[i]−Vth+VPR−Vx[i、j])2 (式1) I [i, j] = k (Vw [i] −Vth + VPR−Vx [i, j]) 2 (Formula 1)
また、メモリセルMCR[i]が有するトランジスタTr11のドレイン電流が電流IREF[i]に相当するので、第2の参照電流は以下の式2で表される。
Further, since the drain current of the transistor Tr11 included in the memory cell MCR [i] corresponds to the current IREF [i], the second reference current is expressed by the following
IREF[i]=k(Vw[i]−Vth+VPR)2 (式2) IREF [i] = k (Vw [i] −Vth + VPR) 2 (Formula 2)
そして、メモリセルMC[i、j]に流れる電流I[i、j]と、メモリセルMC[i+1、j]に流れる電流I[i+1、j]の和に相当する電流I[j]は、I[j]=ΣiI[i、j]であり、メモリセルMCR[i]に流れる電流IREF[i]と、メモリセルMCR[i+1]に流れる電流IREF[i+1]の和に相当する電流IREFは、IREF=ΣiIREF[i]となり、その差分に相当する電流ΔI[j]は以下の式3で表される。 The current I [j] corresponding to the sum of the current I [i, j] flowing through the memory cell MC [i, j] and the current I [i + 1, j] flowing through the memory cell MC [i + 1, j] is: I [j] = Σ i I [i, j], and the current corresponding to the sum of the current IREF [i] flowing through the memory cell MCR [i] and the current IREF [i + 1] flowing through the memory cell MCR [i + 1] IREF becomes IREF = Σ i IREF [i], and current ΔI [j] corresponding to the difference is expressed by the following Expression 3.
ΔI[j]=IREF−I[j]=ΣiIREF[i]−ΣiI[i、j] (式3) ΔI [j] = IREF−I [j] = Σ i IREF [i] −Σ i I [i, j] (Formula 3)
式1、式2、式3から、電流ΔI[j]は以下の式4のように導き出される。
From
ΔI[j]
=Σi{k(Vw[i]−Vth+VPR)2−k(Vw[i]−Vth+VPR−Vx[i、j])2}
=2kΣi(Vw[i]・Vx[i、j])−2kΣi(Vth−VPR)・Vx[i、j]−kΣiVx[i、j]2 (式4)
ΔI [j]
= Σ i {k (Vw [i] −Vth + VPR) 2 −k (Vw [i] −Vth + VPR−Vx [i, j]) 2 }
= 2kΣ i (Vw [i] · Vx [i, j]) - 2kΣ i (Vth-VPR) · Vx [i, j] -kΣ i Vx [i, j] 2 ( Equation 4)
式4において、2kΣi(Vw[i]・Vx[i、j])で示される項は、第1のアナログ電位Vx[i、j]および第2のアナログ電位Vw[i]の積と、第1のアナログ電位Vx[i+1、j]および第2のアナログ電位Vw[i+1]の積と、の和に相当する。 In Equation 4, the term represented by 2kΣ i (Vw [i] · Vx [i, j]) is the product of the first analog potential Vx [i, j] and the second analog potential Vw [i], This corresponds to the sum of the product of the first analog potential Vx [i + 1, j] and the second analog potential Vw [i + 1].
また、Ioffset[j]は、配線RW[i]の電位を全て基準電位としたとき、すなわち第2のアナログ電位Vw[i]を0、第2のアナログ電位Vw[i+1]を0としたときの電流ΔI[j]とすると、式4から、以下の式5が導き出される。 Further, Ioffset [j] is when the potential of the wiring RW [i] is all set as the reference potential, that is, when the second analog potential Vw [i] is 0 and the second analog potential Vw [i + 1] is 0. If the current ΔI [j] is, then the following equation 5 is derived from the equation 4.
Ioffset[j]=−2kΣi(Vth−VPR)・Vx[i、j]−kΣiVx[i、j]2 (式5) Ioffset [j] = - 2kΣ i (Vth-VPR) · Vx [i, j] -kΣ i Vx [i, j] 2 ( Equation 5)
したがって、式3乃至式5から、第1のアナログデータと第2のアナログデータの積和値に相当する2kΣi(Vw[i]・Vx[i、j])は、以下の式6で表されることが分かる。 Therefore, from Expressions 3 to 5, 2kΣ i (Vw [i] · Vx [i, j]) corresponding to the product sum value of the first analog data and the second analog data is expressed by Expression 6 below. You can see that
2kΣi(Vw[i]・Vx[i、j])=IREF−I[j]−Ioffset[j] (式6) 2kΣ i (Vw [i] · Vx [i, j]) = IREF−I [j] −Ioffset [j] (Formula 6)
そして、メモリセルMCに流れる電流の和を電流I[j]、メモリセルMCRに流れる電流の和を電流IREF、回路130または回路140に流れる電流を電流Ioffset[j]とすると、配線RW[i]の電位をVw[i]、配線RW[i+1]の電位をVw[i+1]としたときに配線BL[j]から流れ出る電流Iout[j]は、IREF−I[j]−Ioffset[j]で表される。式6から、電流Iout[j]は、2kΣi(Vw[i]・Vx[i、j])であり、第1のアナログ電位Vx[i、j]および第2のアナログ電位Vw[i]の積と、第2のアナログ電位Vx[i+1、j]および第2のアナログ電位Vw[i+1]の積と、の和に相当することが分かる。
When the sum of currents flowing through the memory cell MC is current I [j], the sum of currents flowing through the memory cell MCR is current IREF, and the current flowing through the
なお、トランジスタTr11は飽和領域で動作させることが望ましいが、トランジスタTr11の動作領域が理想的な飽和領域と異なっていたとしても、第1のアナログ電位Vx[i、j]および第2のアナログ電位Vw[i]の積と、第2のアナログ電位Vx[i+1、j]および第2のアナログ電位Vw[i+1]の積との和に相当する電流を、所望の範囲内の精度で問題なく得ることができる場合は、トランジスタTr11は飽和領域で動作しているものとみなせる。 Note that the transistor Tr11 is desirably operated in a saturation region, but even if the operation region of the transistor Tr11 is different from an ideal saturation region, the first analog potential Vx [i, j] and the second analog potential are A current corresponding to the sum of the product of Vw [i] and the product of the second analog potential Vx [i + 1, j] and the second analog potential Vw [i + 1] is obtained without any problem with accuracy within a desired range. If it can, the transistor Tr11 can be regarded as operating in the saturation region.
本発明の一態様により、アナログデータの演算処理をデジタルデータに変換せずとも実行することができるので、半導体装置の回路規模を小さく抑えることができる。また、本発明の一態様により、アナログデータの演算処理をデジタルデータに変換せずとも実行することができるので、アナログデータの演算処理に要する時間を抑えることができる。また、本発明の一態様により、アナログデータの演算処理に要する時間を抑えつつ、半導体装置の低消費電力化を実現することができる。 According to one embodiment of the present invention, arithmetic processing of analog data can be executed without being converted into digital data, so that the circuit scale of the semiconductor device can be reduced. Further, according to one embodiment of the present invention, analog data arithmetic processing can be performed without being converted into digital data, so that the time required for analog data arithmetic processing can be reduced. According to one embodiment of the present invention, low power consumption of a semiconductor device can be realized while suppressing time required for arithmetic processing of analog data.
<記憶回路の構成例>
次いで、記憶回路110(MEM)と、参照用記憶回路120(RMEM)の具体的な構成の一例について、図8を用いて説明する。
<Configuration example of memory circuit>
Next, examples of specific structures of the memory circuit 110 (MEM) and the reference memory circuit 120 (RMEM) will be described with reference to FIGS.
図8では、記憶回路110(MEM)がy行x列の複数のメモリセルMCを有し、参照用記憶回路120(RMEM)がy行1列の複数のメモリセルMCRを有する場合を例示している。 FIG. 8 illustrates a case where the memory circuit 110 (MEM) has a plurality of memory cells MC in y rows and x columns, and the reference memory circuit 120 (RMEM) has a plurality of memory cells MCR in y rows and 1 column. ing.
記憶回路110は、配線RWと、配線WWと、配線WDと、配線VRと、配線BLとに接続されている。図8では、配線RW[1]乃至配線RW[y]が各行のメモリセルMCにそれぞれ接続され、配線WW[1]乃至配線WW[y]が各行のメモリセルMCにそれぞれ接続され、配線WD[1]乃至配線WD[y]が各列のメモリセルMCにそれぞれ接続され、配線BL[1]乃至配線BL[y]が各列のメモリセルMCにそれぞれ接続されている場合を例示している。また、図8では、配線VR[1]乃至配線VR[y]が各列のメモリセルMCにそれぞれ接続されている場合を例示している。なお、配線VR[1]乃至配線VR[y]は、互いに接続されていても良い。
The
そして、参照用記憶回路120は、配線RWと、配線WWと、配線WDREFと、配線VRREFと、配線BLREFとに接続されている。図8では、配線RW[1]乃至配線RW[y]が各行のメモリセルMCRにそれぞれ接続され、配線WW[1]乃至配線WW[y]が各行のメモリセルMCRにそれぞれ接続され、配線WDREFが一列のメモリセルMCRにそれぞれ接続され、配線BLREFが一列のメモリセルMCRにそれぞれ接続され、配線VRREFが一列のメモリセルMCRにそれぞれ接続されている場合を例示している。なお、配線VRREFは、配線VR[1]乃至配線VR[y]に接続されていても良い。
The
次いで、図8に示した複数のメモリセルMCのうち、任意の2行2列のメモリセルMCと、図8に示した複数のメモリセルMCRのうち、任意の2行1列のメモリセルMCRとの、具体的な回路構成と接続関係とを、一例として図9に示す。 Next, among the plurality of memory cells MC shown in FIG. 8, any two rows and two columns of memory cells MC, and among the plurality of memory cells MCR shown in FIG. 8, any two rows and one column of memory cells MCR. FIG. 9 shows a specific circuit configuration and connection relationship as an example.
具体的に図9では、i行j列目のメモリセルMC[i、j]と、i+1行j列目のメモリセルMC[i+1、j]と、i行j+1列目のメモリセルMC[i、j+1]と、i+1行j+1列目のメモリセルMC[i+1、j+1]とを図示している。また、具体的に図9では、i行目のメモリセルMCR[i]と、i+1行目のメモリセルMCR[i+1]とを図示している。なお、iとi+1はそれぞれ1からyまでの任意の数で、jとj+1はそれぞれ1からxまでの任意の数とする。 Specifically, in FIG. 9, the memory cell MC [i, j] in the i-th row and j-th column, the memory cell MC [i + 1, j] in the i + 1-th row and j-th column, and the memory cell MC [i in the i-th row j + 1-th column. , J + 1] and the memory cell MC [i + 1, j + 1] in the (i + 1) th row and j + 1th column. Specifically, FIG. 9 illustrates the memory cell MCR [i] in the i-th row and the memory cell MCR [i + 1] in the i + 1-th row. Note that i and i + 1 are each an arbitrary number from 1 to y, and j and j + 1 are each an arbitrary number from 1 to x.
i行目のメモリセルMC[i、j]と、メモリセルMC[i、j+1]と、メモリセルMCR[i]とは、配線RW[i]および配線WW[i]に接続されている。また、i+1行目のメモリセルMC[i+1、j]と、メモリセルMC[i+1、j+1]と、メモリセルMCR[i+1]とは、配線RW[i+1]および配線WW[i+1]に接続されている。 The i-th row memory cell MC [i, j], the memory cell MC [i, j + 1], and the memory cell MCR [i] are connected to the wiring RW [i] and the wiring WW [i]. Further, the memory cell MC [i + 1, j] in the i + 1th row, the memory cell MC [i + 1, j + 1], and the memory cell MCR [i + 1] are connected to the wiring RW [i + 1] and the wiring WW [i + 1]. Yes.
j列目のメモリセルMC[i、j]と、メモリセルMC[i+1、j]とは、配線WD[j]、配線VR[j]、および配線BL[j]に接続されている。また、j+1列目のメモリセルMC[i、j+1]と、メモリセルMC[i+1、j+1]とは、配線WD[j+1]、配線VR[j+1]、および配線BL[j+1]に接続されている。また、メモリセルMCR[i]と、i+1行目のメモリセルMCR[i+1]とは、配線WDREF、配線VRREF、および配線BLREFに接続されている。 The memory cell MC [i, j] in the j-th column and the memory cell MC [i + 1, j] are connected to the wiring WD [j], the wiring VR [j], and the wiring BL [j]. The memory cell MC [i, j + 1] in the j + 1 column and the memory cell MC [i + 1, j + 1] are connected to the wiring WD [j + 1], the wiring VR [j + 1], and the wiring BL [j + 1]. . The memory cell MCR [i] and the memory cell MCR [i + 1] in the (i + 1) th row are connected to the wiring WDREF, the wiring VRREF, and the wiring BLREF.
そして、各メモリセルMCと各メモリセルMCRとは、トランジスタTr11と、トランジスタTr12と、容量素子C11と、を有する。トランジスタTr12は、メモリセルMCまたはメモリセルMCRへの第1のアナログ電位の入力を制御する機能を有する。トランジスタTr11は、ゲートに入力された電位に従って、アナログ電流を生成する機能を有する。容量素子C11は、メモリセルMCまたはメモリセルMCRにおいて保持されている第1のアナログ電位または第1のアナログ電位に応じた電位に、第2のアナログ電位あるいは第2のアナログ電位に応じた電位を加算する機能を有する。 Each memory cell MC and each memory cell MCR includes a transistor Tr11, a transistor Tr12, and a capacitor C11. The transistor Tr12 has a function of controlling input of the first analog potential to the memory cell MC or the memory cell MCR. The transistor Tr11 has a function of generating an analog current in accordance with the potential input to the gate. The capacitor C11 has a first analog potential held in the memory cell MC or the memory cell MCR or a potential corresponding to the first analog potential, and a potential corresponding to the second analog potential or the second analog potential. Has the function of adding.
具体的に、図9に示すメモリセルMCでは、トランジスタTr12は、ゲートが配線WWに接続され、ソースまたはドレインの一方が配線WDに接続され、ソースまたはドレインの他方がトランジスタTr11のゲートに接続されている。また、トランジスタTr11は、ソースまたはドレインの一方が配線VRに接続され、ソースまたはドレインの他方が配線BLに接続されている。容量素子C11は、第1の電極が配線RWに接続され、第2の電極がトランジスタTr11のゲートに接続されている。 Specifically, in the memory cell MC illustrated in FIG. 9, the transistor Tr12 has a gate connected to the wiring WW, one of the source and the drain connected to the wiring WD, and the other of the source and the drain connected to the gate of the transistor Tr11. ing. In the transistor Tr11, one of a source and a drain is connected to the wiring VR, and the other of the source and the drain is connected to the wiring BL. In the capacitor C11, the first electrode is connected to the wiring RW, and the second electrode is connected to the gate of the transistor Tr11.
また、図9に示すメモリセルMCRでは、トランジスタTr12は、ゲートが配線WWに接続され、ソースまたはドレインの一方が配線WDREFに接続され、ソースまたはドレインの他方がトランジスタTr11のゲートに接続されている。また、トランジスタTr11は、ソースまたはドレインの一方が配線VRREFに接続され、ソースまたはドレインの他方が配線BLREFに接続されている。容量素子C11は、第1の電極が配線RWに接続され、第2の電極がトランジスタTr11のゲートに接続されている。 In the memory cell MCR shown in FIG. 9, the transistor Tr12 has a gate connected to the wiring WW, one of the source and the drain connected to the wiring WDREF, and the other of the source and the drain connected to the gate of the transistor Tr11. . In the transistor Tr11, one of a source and a drain is connected to the wiring VRREF, and the other of the source and the drain is connected to the wiring BLREF. In the capacitor C11, the first electrode is connected to the wiring RW, and the second electrode is connected to the gate of the transistor Tr11.
メモリセルMCにおいてトランジスタTr11のゲートをノードNとすると、メモリセルMCでは、トランジスタTr12を介してノードNに第1のアナログ電位が入力され、次いでトランジスタTr12がオフになるとノードNが浮遊状態になり、ノードNにおいて第1のアナログ電位または第1のアナログ電位に応じた電位が保持される。また、メモリセルMCでは、ノードNが浮遊状態になると、容量素子C11の第1の電極に入力された第2のアナログ電位がノードNに与えられる。上記動作により、ノードNは、第1のアナログ電位または第1のアナログ電位に応じた電位に、第2のアナログ電位または第2のアナログ電位に応じた電位が加算されることで得られる電位となる。 In the memory cell MC, when the gate of the transistor Tr11 is a node N, in the memory cell MC, the first analog potential is input to the node N through the transistor Tr12. Then, when the transistor Tr12 is turned off, the node N is in a floating state. The node N holds the first analog potential or the potential corresponding to the first analog potential. In the memory cell MC, when the node N is in a floating state, the second analog potential input to the first electrode of the capacitor C11 is applied to the node N. With the above operation, the node N has a potential obtained by adding the second analog potential or the potential corresponding to the second analog potential to the potential corresponding to the first analog potential or the first analog potential. Become.
なお、容量素子C11の第1の電極の電位は容量素子C11を介してノードNに与えられるため、実際には、第1の電極の電位の変化量がそのままノードNの電位の変化量に反映されるわけではない。具体的には、容量素子C11の容量値と、トランジスタTr11のゲート容量の容量値と、寄生容量の容量値とから一意に決まる結合係数を、第1の電極の電位の変化量に乗ずることで、ノードNの電位の変化量を正確に算出することができる。以下、説明を分かり易くするために、第1の電極の電位の変化量がほぼノードNの電位の変化量に反映されるものとして説明を行う。 Note that since the potential of the first electrode of the capacitor C11 is applied to the node N via the capacitor C11, in practice, the amount of change in the potential of the first electrode is directly reflected in the amount of change in the potential of the node N. It is not done. Specifically, the amount of change in potential of the first electrode is multiplied by a coupling coefficient that is uniquely determined from the capacitance value of the capacitive element C11, the capacitance value of the gate capacitance of the transistor Tr11, and the capacitance value of the parasitic capacitance. The amount of change in the potential of the node N can be accurately calculated. Hereinafter, in order to make the description easy to understand, it is assumed that the change amount of the potential of the first electrode is reflected in the change amount of the potential of the node N.
トランジスタTr11は、ノードNの電位にしたがってそのドレイン電流が定まる。よって、トランジスタTr12がオフになることでノードNの電位が保持されると、トランジスタTr11のドレイン電流の値も保持される。上記ドレイン電流には第1のアナログ電位と第2のアナログ電位が反映されている。 The drain current of the transistor Tr11 is determined according to the potential of the node N. Therefore, when the potential of the node N is held by turning off the transistor Tr12, the value of the drain current of the transistor Tr11 is also held. The drain current reflects the first analog potential and the second analog potential.
また、メモリセルMCRにおいてトランジスタTr11のゲートをノードNREFとすると、メモリセルMCRでは、トランジスタTr12を介してノードNREFに第1の参照電位または第1の参照電位に応じた電位が入力され、次いでトランジスタTr12がオフになるとノードNREFが浮遊状態になり、ノードNREFにおいて第1の参照電位または第1の参照電位に応じた電位が保持される。また、メモリセルMCRでは、ノードNREFが浮遊状態になると、容量素子C11の第1の電極に入力された第2のアナログ電位がノードNREFに与えられる。上記動作により、ノードNREFは、第1の参照電位または第1の参照電位に応じた電位に、第2のアナログ電位または第2のアナログ電位に応じた電位が加算されることで得られる電位となる。 Further, when the gate of the transistor Tr11 in the memory cell MCR is the node NREF, in the memory cell MCR, a first reference potential or a potential corresponding to the first reference potential is input to the node NREF through the transistor Tr12, and then the transistor When Tr12 is turned off, the node NREF enters a floating state, and the first reference potential or a potential corresponding to the first reference potential is held at the node NREF. In the memory cell MCR, when the node NREF is in a floating state, the second analog potential input to the first electrode of the capacitor C11 is applied to the node NREF. Through the above operation, the node NREF has the potential obtained by adding the second analog potential or the potential corresponding to the second analog potential to the potential corresponding to the first reference potential or the first reference potential. Become.
トランジスタTr11は、ノードNREFの電位にしたがってそのドレイン電流が定まる。よって、トランジスタTr12がオフになることでノードNREFの電位が保持されると、トランジスタTr11のドレイン電流の値も保持される。上記ドレイン電流には第1の参照電位と第2のアナログ電位が反映されている。 The drain current of the transistor Tr11 is determined according to the potential of the node NREF. Therefore, when the potential of the node NREF is held by turning off the transistor Tr12, the value of the drain current of the transistor Tr11 is also held. The drain current reflects the first reference potential and the second analog potential.
メモリセルMC[i、j]のトランジスタTr12に流れるドレイン電流を電流I[i、j]とし、メモリセルMC[i+1、j]のトランジスタTr12に流れるドレイン電流を電流I[i+1、j]とすると、配線BL[j]からメモリセルMC[i、j]およびメモリセルMC[i+1、j]に供給される電流の和は、電流I[j]となる。また、メモリセルMC[i、j+1]のトランジスタTr12に流れるドレイン電流を電流I[i、j+1]とし、メモリセルMC[i+1、j+1]のトランジスタTr12に流れるドレイン電流を電流I[i+1、j+1]とすると、配線BL[j+1]からメモリセルMC[i、j+1]およびメモリセルMC[i+1、j+1]に供給される電流の和は、電流I[j+1]となる。また、メモリセルMCR[i]のトランジスタTr12に流れるドレイン電流を電流IREF[i]とし、メモリセルMCR[i+1]のトランジスタTr12に流れるドレイン電流を電流IREF[i+1]とすると、配線BLREFからメモリセルMCR[i]およびメモリセルMCR[i+1]に供給される電流の和は、電流IREFとなる。 If the drain current flowing through the transistor Tr12 of the memory cell MC [i, j] is current I [i, j] and the drain current flowing through the transistor Tr12 of the memory cell MC [i + 1, j] is current I [i + 1, j]. The sum of the currents supplied from the wiring BL [j] to the memory cell MC [i, j] and the memory cell MC [i + 1, j] is the current I [j]. Further, the drain current flowing through the transistor Tr12 of the memory cell MC [i, j + 1] is defined as a current I [i, j + 1], and the drain current flowing through the transistor Tr12 of the memory cell MC [i + 1, j + 1] is defined as a current I [i + 1, j + 1]. Then, a sum of currents supplied from the wiring BL [j + 1] to the memory cell MC [i, j + 1] and the memory cell MC [i + 1, j + 1] is a current I [j + 1]. Further, if the drain current flowing through the transistor Tr12 of the memory cell MCR [i] is the current IREF [i] and the drain current flowing through the transistor Tr12 of the memory cell MCR [i + 1] is the current IREF [i + 1], the memory cell is connected to the wiring BLREF. The sum of the currents supplied to MCR [i] and memory cell MCR [i + 1] is current IREF.
<回路130・回路140・電流源回路の構成例>
次いで、回路130と、回路140と、電流源回路150(CREF)の具体的な構成の一例について、図10を用いて説明する。
<Configuration Example of
Next, examples of specific structures of the
図10では、図9に示すメモリセルMCとメモリセルMCRに対応した、回路130、回路140、電流源回路150の構成の一例を示している。具体的に、図10に示す回路130は、j列目のメモリセルMCに対応した回路130[j]と、j+1列目のメモリセルMCに対応した回路130[j+1]とを有する。また、図10に示す回路140は、j列目のメモリセルMCに対応した回路140[j]と、j+1列目のメモリセルMCに対応した回路140[j+1]とを有する。
FIG. 10 shows an example of the configuration of the
そして、回路130[j]および回路140[j]は、配線BL[j]に接続されている。また、回路130[j+1]および回路140[j+1]は、配線BL[j+1]に接続されている。 The circuit 130 [j] and the circuit 140 [j] are connected to the wiring BL [j]. The circuit 130 [j + 1] and the circuit 140 [j + 1] are connected to the wiring BL [j + 1].
電流源回路150は、配線BL[j]、配線BL[j+1]、配線BLREFに接続されている。そして、電流源回路150は、配線BLREFに電流IREFを供給する機能と、電流IREFと同じ電流または電流IREFに応じた電流を、配線BL[j]および配線BL[j+1]のそれぞれに供給する機能を有する。
The
具体的に、回路130[j]および回路130[j+1]は、トランジスタTr24乃至Tr26と、容量素子C22とをそれぞれ有する。オフセットの電流を設定する際に、回路130[j]において、トランジスタTr24は、電流I[j]が電流IREFよりも大きい場合に、電流I[j]と電流IREFの差分に相当する電流ICM[j]を生成する機能を有する。また、回路130[j+1]において、トランジスタTr24は、電流I[j+1]が電流IREFよりも大きい場合に、電流I[j+1]と電流IREFの差分に相当する電流ICM[j+1]を生成する機能を有する。電流ICM[j]および電流ICM[j+1]は、回路130[j]および回路130[j+1]から配線BL[j]および配線BL[j+1]に供給される。 Specifically, the circuit 130 [j] and the circuit 130 [j + 1] include transistors Tr24 to Tr26 and a capacitor C22, respectively. In setting the offset current, in the circuit 130 [j], the transistor Tr24 causes the current ICM [corresponding to the difference between the current I [j] and the current IREF when the current I [j] is larger than the current IREF. j]. In the circuit 130 [j + 1], the transistor Tr24 has a function of generating a current ICM [j + 1] corresponding to the difference between the current I [j + 1] and the current IREF when the current I [j + 1] is larger than the current IREF. Have. The current ICM [j] and the current ICM [j + 1] are supplied from the circuit 130 [j] and the circuit 130 [j + 1] to the wiring BL [j] and the wiring BL [j + 1].
そして、回路130[j]および回路130[j+1]において、トランジスタTr24は、ソースまたはドレインの一方が対応する配線BLに接続されており、ソースまたはドレインの他方が所定の電位が供給される配線に接続されている。トランジスタTr25は、ソースまたはドレインの一方が配線BLに接続されており、ソースまたはドレインの他方がトランジスタTr24のゲートに接続されている。トランジスタTr26は、ソースまたはドレインの一方がトランジスタTr24のゲートに接続されており、ソースまたはドレインの他方が所定の電位が供給される配線に接続されている。容量素子C22は、第1の電極がトランジスタTr24のゲートに接続されており、第2の電極が所定の電位が供給される配線に接続されている。 In the circuit 130 [j] and the circuit 130 [j + 1], in the transistor Tr24, one of the source and the drain is connected to the corresponding wiring BL, and the other of the source and the drain is a wiring to which a predetermined potential is supplied. It is connected. In the transistor Tr25, one of the source and the drain is connected to the wiring BL, and the other of the source and the drain is connected to the gate of the transistor Tr24. In the transistor Tr26, one of the source and the drain is connected to the gate of the transistor Tr24, and the other of the source and the drain is connected to a wiring to which a predetermined potential is supplied. In the capacitor C22, the first electrode is connected to the gate of the transistor Tr24, and the second electrode is connected to a wiring to which a predetermined potential is supplied.
トランジスタTr25のゲートは配線OSMに接続されており、トランジスタTr26のゲートは配線ORMに接続されている。 The gate of the transistor Tr25 is connected to the wiring OSM, and the gate of the transistor Tr26 is connected to the wiring ORM.
なお、図10では、トランジスタTr24がpチャネル型であり、トランジスタTr25およびTr26がnチャネル型である場合を例示している。 Note that FIG. 10 illustrates a case where the transistor Tr24 is a p-channel type and the transistors Tr25 and Tr26 are an n-channel type.
また、回路140[j]および回路140[j+1]は、トランジスタTr21乃至Tr23と、容量素子C21とをそれぞれ有する。オフセットの電流を設定する際に、回路140[j]において、トランジスタTr21は、電流I[j]が電流IREFよりも小さい場合に、電流I[j]と電流IREFの差分に相当する電流ICP[j]を生成する機能を有する。また、回路140[j+1]において、トランジスタTr21は、電流I[j+1]が電流IREFよりも小さい場合に、電流I[j+1]と電流IREFの差分に相当する電流ICP[j+1]を生成する機能を有する。電流ICP[j]および電流ICP[j+1]は、配線BL[j]および配線BL[j+1]から回路140[j]および回路140[j+1]に引き込まれる。 Further, the circuit 140 [j] and the circuit 140 [j + 1] each include transistors Tr21 to Tr23 and a capacitor C21. In setting the offset current, in the circuit 140 [j], the transistor Tr21 causes the current ICP [corresponding to the difference between the current I [j] and the current IREF when the current I [j] is smaller than the current IREF. j]. In the circuit 140 [j + 1], the transistor Tr21 has a function of generating a current ICP [j + 1] corresponding to the difference between the current I [j + 1] and the current IREF when the current I [j + 1] is smaller than the current IREF. Have. The current ICP [j] and the current ICP [j + 1] are drawn from the wiring BL [j] and the wiring BL [j + 1] to the circuit 140 [j] and the circuit 140 [j + 1].
なお、電流ICM[j]と電流ICP[j]とが、Ioffset[j]に相当する。また、なお、電流ICM[j+1]と電流ICP[j+1]とが、Ioffset[j+1]に相当する。 Note that the current ICM [j] and the current ICP [j] correspond to Ioffset [j]. Note that the current ICM [j + 1] and the current ICP [j + 1] correspond to Ioffset [j + 1].
そして、回路140[j]および回路140[j+1]において、トランジスタTr21は、ソースまたはドレインの一方が対応する配線BLに接続されており、ソースまたはドレインの他方が所定の電位が供給される配線に接続されている。トランジスタTr22は、ソースまたはドレインの一方が配線BLに接続されており、ソースまたはドレインの他方がトランジスタTr21のゲートに接続されている。トランジスタTr23は、ソースまたはドレインの一方がトランジスタTr21のゲートに接続されており、ソースまたはドレインの他方が所定の電位が供給される配線に接続されている。容量素子C21は、第1の電極がトランジスタTr21のゲートに接続されており、第2の電極が所定の電位が供給される配線に接続されている。 In the circuit 140 [j] and the circuit 140 [j + 1], in the transistor Tr21, one of the source and the drain is connected to the corresponding wiring BL, and the other of the source and the drain is a wiring to which a predetermined potential is supplied. It is connected. In the transistor Tr22, one of the source and the drain is connected to the wiring BL, and the other of the source and the drain is connected to the gate of the transistor Tr21. In the transistor Tr23, one of a source and a drain is connected to the gate of the transistor Tr21, and the other of the source and the drain is connected to a wiring to which a predetermined potential is supplied. In the capacitor C21, the first electrode is connected to the gate of the transistor Tr21, and the second electrode is connected to a wiring to which a predetermined potential is supplied.
トランジスタTr22のゲートは配線OSPに接続されており、トランジスタTr23のゲートは配線ORPに接続されている。 The gate of the transistor Tr22 is connected to the wiring OSP, and the gate of the transistor Tr23 is connected to the wiring ORP.
なお、図10では、トランジスタTr21乃至Tr23がnチャネル型である場合を例示している。 Note that FIG. 10 illustrates the case where the transistors Tr21 to Tr23 are n-channel type.
また、電流源回路150は、配線BLに対応したトランジスタTr27と、配線BLREFに対応したトランジスタTr28とを有する。具体的に、図10に示す電流源回路150は、トランジスタTr27として、配線BL[j]に対応したトランジスタTr27[j]と、配線BL[j+1]に対応したトランジスタTr27[j+1]とを有する場合を例示している。
The
そして、トランジスタTr27のゲートは、トランジスタTr28のゲートに接続されている。また、トランジスタTr27は、ソースまたはドレインの一方が対応する配線BLに接続されており、ソースまたはドレインの他方が所定の電位が供給される配線に接続されている。トランジスタTr28は、ソースまたはドレインの一方が配線BLREFに接続されており、ソースまたはドレインの他方が所定の電位が供給される配線に接続されている。 The gate of the transistor Tr27 is connected to the gate of the transistor Tr28. In the transistor Tr27, one of the source and the drain is connected to the corresponding wiring BL, and the other of the source and the drain is connected to a wiring to which a predetermined potential is supplied. In the transistor Tr28, one of a source and a drain is connected to the wiring BLREF, and the other of the source and the drain is connected to a wiring to which a predetermined potential is supplied.
トランジスタTr27とトランジスタTr28とは、同じ極性を有している。図10では、トランジスタTr27とトランジスタTr28とが、共にpチャネル型を有する場合を例示している。 The transistor Tr27 and the transistor Tr28 have the same polarity. FIG. 10 illustrates a case where both the transistor Tr27 and the transistor Tr28 have a p-channel type.
トランジスタTr28のドレイン電流は電流IREFに相当する。そして、トランジスタTr27とトランジスタTr28とはカレントミラー回路としての機能を有するため、トランジスタTr27のドレイン電流は、トランジスタTr28のドレイン電流とほぼ同じ値、またはトランジスタTr28のドレイン電流に応じた値となる。 The drain current of the transistor Tr28 corresponds to the current IREF. Since the transistor Tr27 and the transistor Tr28 have a function as a current mirror circuit, the drain current of the transistor Tr27 has almost the same value as the drain current of the transistor Tr28 or a value corresponding to the drain current of the transistor Tr28.
<半導体装置の動作例>
次いで、図9および図10を用いて、本発明の一態様に係る半導体装置100の具体的な動作の一例について説明する。
<Operation example of semiconductor device>
Next, an example of a specific operation of the
図11は、図9に示すメモリセルMC、メモリセルMCRと、図10に示す回路130、回路140、電流源回路150の動作を示すタイミングチャートの一例に相当する。図11では、時刻T01乃至時刻T04において、メモリセルMCおよびメモリセルMCRに第1のアナログデータを格納する動作が行われる。時刻T05乃至時刻T10において、回路130および回路140にオフセットの電流Ioffsetを設定する動作が行われる。時刻T11乃至時刻T16において、第1のアナログデータと第2のアナログデータとの積和値に対応したデータを取得する動作が行われる。
FIG. 11 corresponds to an example of a timing chart illustrating operations of the memory cell MC and the memory cell MCR illustrated in FIG. 9 and the
なお、電源線VR[j]および電源線VR[j+1]にはローレベルの電位が供給されるものとする。また、回路130に接続される所定の電位を有する配線は、全てハイレベルの電位VDDが供給されるものとする。また、回路140に接続される所定の電位を有する配線は、全てローレベルの電位VSSが供給されるものとする。また、電流源回路150に接続される所定の電位を有する配線は、全てハイレベルの電位VDDが供給されるものとする。
Note that a low-level potential is supplied to the power supply line VR [j] and the power supply line VR [j + 1]. In addition, a wiring having a predetermined potential connected to the
また、トランジスタTr11、Tr21、Tr24、Tr27[j]、Tr27[j+1]、Tr28は飽和領域で動作するものとする。 The transistors Tr11, Tr21, Tr24, Tr27 [j], Tr27 [j + 1], and Tr28 operate in the saturation region.
まず、時刻T01乃至時刻T02において、配線WW[i]にハイレベルの電位が与えられ、配線WW[i+1]にローレベルの電位が与えられる。上記動作により、図9に示すメモリセルMC[i、j]、メモリセルMC[i、j+1]、メモリセルMCR[i]においてトランジスタTr12がオンになる。また、メモリセルMC[i+1、j]、メモリセルMC[i+1、j+1]、メモリセルMCR[i+1]においてトランジスタTr12がオフの状態を維持する。 First, from time T01 to time T02, a high-level potential is applied to the wiring WW [i], and a low-level potential is applied to the wiring WW [i + 1]. Through the above operation, the transistor Tr12 is turned on in the memory cell MC [i, j], the memory cell MC [i, j + 1], and the memory cell MCR [i] illustrated in FIG. Further, the transistor Tr12 is kept off in the memory cell MC [i + 1, j], the memory cell MC [i + 1, j + 1], and the memory cell MCR [i + 1].
また、時刻T01乃至時刻T02では、図9に示す配線WD[j]と配線WD[j+1]とに、第1の参照電位VPRから第1のアナログ電位を差し引いた電位がそれぞれ与えられる。具体的に、配線WD[j]には電位VPR−Vx[i、j]が与えられ、配線WD[j+1]には電位VPR−Vx[i、j+1]が与えられる。また、配線WDREFには第1の参照電位VPRが与えられ、配線RW[i]および配線RW[i+1]には基準電位として電位VSSと電位VDDの間の電位、例えば電位(VDD+VSS)/2が与えられる。 From time T01 to time T02, a potential obtained by subtracting the first analog potential from the first reference potential VPR is supplied to the wiring WD [j] and the wiring WD [j + 1] illustrated in FIG. Specifically, the potential VPR-Vx [i, j] is applied to the wiring WD [j], and the potential VPR-Vx [i, j + 1] is applied to the wiring WD [j + 1]. The wiring WDREF is supplied with the first reference potential VPR, and the wiring RW [i] and the wiring RW [i + 1] have a potential between the potential VSS and the potential VDD as a reference potential, for example, the potential (VDD + VSS) / 2. Given.
よって、図9に示すメモリセルMC[i、j]のノードN[i、j]にはトランジスタTr12を介して電位VPR−Vx[i、j]が与えられ、メモリセルMC[i、j+1]のノードN[i、j+1]にはトランジスタTr12を介して電位VPR−Vx[i、j+1]が与えられ、メモリセルMCR[i]のノードNREF[i]にはトランジスタTr12を介して電位VPRが与えられる。 Therefore, the potential VPR−Vx [i, j] is applied to the node N [i, j] of the memory cell MC [i, j] illustrated in FIG. 9 through the transistor Tr12, and the memory cell MC [i, j + 1] is supplied. Node N [i, j + 1] is supplied with the potential VPR−Vx [i, j + 1] through the transistor Tr12, and the node NREF [i] of the memory cell MCR [i] is supplied with the potential VPR through the transistor Tr12. Given.
時刻T02が終了すると、図9に示す配線WW[i]に与えられる電位はハイレベルからローレベルに変化し、メモリセルMC[i、j]、メモリセルMC[i、j+1]、メモリセルMCR[i]においてトランジスタTr12がオフになる。上記動作により、ノードN[i、j]には電位VPR−Vx[i、j]が保持され、ノードN[i、j+1]には電位VPR−Vx[i、j+1]が保持され、ノードNREF[i]には電位VPRが保持される。 When the time T02 ends, the potential applied to the wiring WW [i] illustrated in FIG. 9 changes from the high level to the low level, the memory cell MC [i, j], the memory cell MC [i, j + 1], and the memory cell MCR. In [i], the transistor Tr12 is turned off. Through the above operation, the node N [i, j] holds the potential VPR−Vx [i, j], the node N [i, j + 1] holds the potential VPR−Vx [i, j + 1], and the node NREF [I] holds the potential VPR.
次いで、時刻T03乃至時刻T04において、図9に示す配線WW[i]の電位はローレベルに維持され、配線WW[i+1]にハイレベルの電位が与えられる。上記動作により、図9に示すメモリセルMC[i+1、j]、メモリセルMC[i+1、j+1]、メモリセルMCR[i+1]においてトランジスタTr12がオンになる。また、メモリセルMC[i、j]、メモリセルMC[i、j+1]、メモリセルMCR[i]においてトランジスタTr12がオフの状態を維持する。 Next, in time T03 to time T04, the potential of the wiring WW [i] illustrated in FIG. 9 is maintained at a low level, and a high-level potential is applied to the wiring WW [i + 1]. Through the above operation, the transistor Tr12 is turned on in the memory cell MC [i + 1, j], the memory cell MC [i + 1, j + 1], and the memory cell MCR [i + 1] illustrated in FIG. Further, the transistor Tr12 is kept off in the memory cell MC [i, j], the memory cell MC [i, j + 1], and the memory cell MCR [i].
また、時刻T03乃至時刻T04では、図9に示す配線WD[j]と配線WD[j+1]とに、第1の参照電位VPRから第1のアナログ電位を差し引いた電位がそれぞれ与えられる。具体的に、配線WD[j]には電位VPR−Vx[i+1、j]が与えられ、配線WD[j+1]には電位VPR−Vx[i+1、j+1]が与えられる。また、配線WDREFには第1の参照電位VPRが与えられ、配線RW[i]および配線RW[i+1]には基準電位として電位VSSと電位VDDの間の電位、例えば電位(VDD+VSS)/2が与えられる。 From time T03 to time T04, a potential obtained by subtracting the first analog potential from the first reference potential VPR is supplied to the wiring WD [j] and the wiring WD [j + 1] illustrated in FIG. Specifically, the potential VPR−Vx [i + 1, j] is applied to the wiring WD [j], and the potential VPR−Vx [i + 1, j + 1] is applied to the wiring WD [j + 1]. The wiring WDREF is supplied with the first reference potential VPR, and the wiring RW [i] and the wiring RW [i + 1] have a potential between the potential VSS and the potential VDD as a reference potential, for example, the potential (VDD + VSS) / 2. Given.
よって、図9に示すメモリセルMC[i+1、j]のノードN[i+1、j]にはトランジスタTr12を介して電位VPR−Vx[i+1、j]が与えられ、メモリセルMC[i+1、j+1]のノードN[i+1、j+1]にはトランジスタTr12を介して電位VPR−Vx[i+1、j+1]が与えられ、メモリセルMCR[i+1]のノードNREF[i+1]にはトランジスタTr12を介して電位VPRが与えられる。 Accordingly, the node N [i + 1, j] of the memory cell MC [i + 1, j] illustrated in FIG. 9 is supplied with the potential VPR−Vx [i + 1, j] through the transistor Tr12, and the memory cell MC [i + 1, j + 1]. Node N [i + 1, j + 1] is supplied with the potential VPR-Vx [i + 1, j + 1] via the transistor Tr12, and the node NREF [i + 1] of the memory cell MCR [i + 1] is supplied with the potential VPR via the transistor Tr12. Given.
時刻T04が終了すると、図9に示す配線WW[i+1]に与えられる電位はハイレベルからローレベルに変化し、メモリセルMC[i+1、j]、メモリセルMC[i+1、j+1]、メモリセルMCR[i+1]においてトランジスタTr12がオフになる。上記動作により、ノードN[i+1、j]には電位VPR−Vx[i+1、j]が保持され、ノードN[i+1、j+1]には電位VPR−Vx[i+1、j+1]が保持され、ノードNREF[i+1]には電位VPRが保持される。 When the time T04 ends, the potential applied to the wiring WW [i + 1] illustrated in FIG. 9 changes from a high level to a low level, and the memory cell MC [i + 1, j], the memory cell MC [i + 1, j + 1], and the memory cell MCR. In [i + 1], the transistor Tr12 is turned off. Through the above operation, the node N [i + 1, j] holds the potential VPR−Vx [i + 1, j], the node N [i + 1, j + 1] holds the potential VPR−Vx [i + 1, j + 1], and the node NREF [I + 1] holds the potential VPR.
次いで、時刻T05乃至時刻T06において、図10に示す配線ORPおよび配線ORMにハイレベルの電位が与えられる。図10に示す回路130[j]および回路130[j+1]では、配線ORMにハイレベルの電位が与えられることで、トランジスタTr26がオンになり、トランジスタTr24のゲートは電位VDDが与えられることでリセットされる。また、図10に示す回路140[j]および回路140[j+1]では、配線ORPにハイレベルの電位が与えられることで、トランジスタTr23がオンになり、トランジスタTr21のゲートは電位VSSが与えられることでリセットされる。 Next, at time T05 to time T06, a high-level potential is applied to the wiring ORP and the wiring ORM illustrated in FIG. In the circuit 130 [j] and the circuit 130 [j + 1] illustrated in FIG. 10, when a high-level potential is applied to the wiring ORM, the transistor Tr26 is turned on, and the gate of the transistor Tr24 is reset when the potential VDD is applied. Is done. Further, in the circuit 140 [j] and the circuit 140 [j + 1] illustrated in FIG. 10, when the high-level potential is applied to the wiring ORP, the transistor Tr23 is turned on, and the potential VSS is applied to the gate of the transistor Tr21. To reset.
時刻T06が終了すると、図9に示す配線ORPおよび配線ORMに与えられる電位はハイレベルからローレベルに変化し、回路130[j]および回路130[j+1]においてトランジスタTr26がオフになり、回路140[j]および回路140[j+1]においてトランジスタTr23がオフになる。上記動作により、回路130[j]および回路130[j+1]においてトランジスタTr24のゲートに電位VDDが保持され、回路140[j]および回路140[j+1]においてトランジスタTr21のゲートに電位VSSが保持される。
When the time T06 ends, the potentials applied to the wiring ORP and the wiring ORM illustrated in FIG. 9 change from a high level to a low level, the transistor Tr26 is turned off in the circuit 130 [j] and the circuit 130 [j + 1], and the
次いで、時刻T07乃至時刻T08において、図10に示す配線OSPにハイレベルの電位が与えられる。また、図9に示す配線RW[i]および配線RW[i+1]には基準電位として電位VSSと電位VDDの間の電位、例えば電位(VDD+VSS)/2が与えられる。配線OSPにハイレベルの電位が与えられることにより、回路140[j]および回路140[j+1]においてトランジスタTr22がオンになる。 Next, at time T07 to time T08, a high-level potential is applied to the wiring OSP illustrated in FIG. Further, a potential between the potential VSS and the potential VDD, for example, a potential (VDD + VSS) / 2 is applied as a reference potential to the wiring RW [i] and the wiring RW [i + 1] illustrated in FIG. When a high-level potential is applied to the wiring OSP, the transistor Tr22 is turned on in the circuit 140 [j] and the circuit 140 [j + 1].
配線BL[j]に流れるI[j]が配線BLREFに流れる電流IREFよりも小さい場合、すなわちΔI[j]が正の場合、図9に示すメモリセルMC[i、j]のトランジスタTr28が引き込むことのできる電流と、メモリセルMC[i+1、j]のトランジスタTr28が引き込むことのできる電流との和が、トランジスタTr27[j]のドレイン電流より小さいことを意味する。よって、電流ΔI[j]が正の場合、回路140[j]においてトランジスタTr22がオンになると、トランジスタTr27[j]のドレイン電流の一部がトランジスタTr21のゲートに流れ込み、当該ゲートの電位が上昇し始める。そして、トランジスタTr21のドレイン電流が電流ΔI[j]とほぼ等しくなると、トランジスタTr21のゲートの電位は所定の値に収束する。このときのトランジスタTr21のゲートの電位は、トランジスタTr21のドレイン電流が電流ΔI[j]、すなわちIoffset[j](=ICP[j])となるような電位に相当する。つまり、回路140[j]のトランジスタTr21は、電流ICP[j]を流し得る電流源に設定された状態であると言える。 When I [j] flowing through the wiring BL [j] is smaller than the current IREF flowing through the wiring BLREF, that is, when ΔI [j] is positive, the transistor Tr28 of the memory cell MC [i, j] illustrated in FIG. This means that the sum of the current that can be drawn and the current that can be drawn by the transistor Tr28 of the memory cell MC [i + 1, j] is smaller than the drain current of the transistor Tr27 [j]. Therefore, when the current ΔI [j] is positive and the transistor Tr22 is turned on in the circuit 140 [j], part of the drain current of the transistor Tr27 [j] flows into the gate of the transistor Tr21, and the potential of the gate increases. Begin to. When the drain current of the transistor Tr21 becomes substantially equal to the current ΔI [j], the potential of the gate of the transistor Tr21 converges to a predetermined value. At this time, the gate potential of the transistor Tr21 corresponds to a potential at which the drain current of the transistor Tr21 becomes the current ΔI [j], that is, Ioffset [j] (= ICP [j]). That is, it can be said that the transistor Tr21 of the circuit 140 [j] is set to a current source that can flow the current ICP [j].
同様に、配線BL[j+1]に流れるI[j+1]が配線BLREFに流れる電流IREFよりも小さい場合、つまり電流ΔI[j+1]が正の場合、回路140[j+1]においてトランジスタTr22がオンになると、トランジスタTr27[j+1]のドレイン電流の一部がトランジスタTr21のゲートに流れ込み、当該ゲートの電位が上昇し始める。そして、トランジスタTr21のドレイン電流が電流ΔI[j+1]とほぼ等しくなると、トランジスタTr21のゲートの電位は所定の値に収束する。このときのトランジスタTr21のゲートの電位は、トランジスタTr21のドレイン電流が電流ΔI[j+1]、すなわちIoffset[j+1](=ICP[j+1])となるような電位に相当する。つまり、回路140[j+1]のトランジスタTr21は、電流ICP[j+1]を流し得る電流源に設定された状態であると言える。 Similarly, when I [j + 1] flowing through the wiring BL [j + 1] is smaller than the current IREF flowing through the wiring BLREF, that is, when the current ΔI [j + 1] is positive, the transistor Tr22 is turned on in the circuit 140 [j + 1]. Part of the drain current of the transistor Tr27 [j + 1] flows into the gate of the transistor Tr21, and the potential of the gate starts to rise. When the drain current of the transistor Tr21 becomes substantially equal to the current ΔI [j + 1], the gate potential of the transistor Tr21 converges to a predetermined value. The potential of the gate of the transistor Tr21 at this time corresponds to a potential at which the drain current of the transistor Tr21 becomes the current ΔI [j + 1], that is, Ioffset [j + 1] (= ICP [j + 1]). That is, it can be said that the transistor Tr21 of the circuit 140 [j + 1] is set to a current source that can flow the current ICP [j + 1].
時刻T08が終了すると、図10に示す配線OSPに与えられる電位はハイレベルからローレベルに変化し、回路140[j]および回路140[j+1]においてトランジスタTr22がオフになる。上記動作により、トランジスタTr21のゲートの電位は保持される。よって、回路140[j]は電流ICP[j]を流し得る電流源に設定された状態を維持し、回路140[j+1]は電流ICP[j+1]を流し得る電流源に設定された状態を維持する。 When the time T08 ends, the potential applied to the wiring OSP illustrated in FIG. 10 changes from a high level to a low level, and the transistor Tr22 is turned off in the circuit 140 [j] and the circuit 140 [j + 1]. Through the above operation, the potential of the gate of the transistor Tr21 is maintained. Therefore, the circuit 140 [j] maintains a state set as a current source capable of flowing the current ICP [j], and the circuit 140 [j + 1] maintains a state set as a current source capable of flowing the current ICP [j + 1]. To do.
次いで、時刻T09乃至時刻T10において、図10に示す配線OSMにハイレベルの電位が与えられる。また、図9に示す配線RW[i]および配線RW[i+1]には基準電位として電位VSSと電位VDDの間の電位、例えば電位(VDD+VSS)/2が与えられる。配線OSMにハイレベルの電位が与えられることにより、回路130[j]および回路130[j+1]においてトランジスタTr25がオンになる。 Next, at time T09 to time T10, a high-level potential is applied to the wiring OSM illustrated in FIG. Further, a potential between the potential VSS and the potential VDD, for example, a potential (VDD + VSS) / 2 is applied as a reference potential to the wiring RW [i] and the wiring RW [i + 1] illustrated in FIG. When the high-level potential is applied to the wiring OSM, the transistor Tr25 is turned on in the circuit 130 [j] and the circuit 130 [j + 1].
配線BL[j]に流れるI[j]が配線BLREFに流れる電流IREFよりも大きい場合、すなわちΔI[j]が負の場合、図9に示すメモリセルMC[i、j]のトランジスタTr28が引き込むことのできる電流と、メモリセルMC[i+1、j]のトランジスタTr28が引き込むことのできる電流との和が、トランジスタTr27[j]のドレイン電流より大きいことを意味する。よって、電流ΔI[j]が負の場合、回路130[j]においてトランジスタTr25がオンになると、トランジスタTr24のゲートから配線BL[j]に電流が流れ出し、当該ゲートの電位が下降し始める。そして、トランジスタTr24のドレイン電流が電流ΔI[j]とほぼ等しくなると、トランジスタTr24のゲートの電位は所定の値に収束する。このときのトランジスタTr24のゲートの電位は、トランジスタTr24のドレイン電流が電流ΔI[j]、すなわちIoffset[j](=ICM[j])となるような電位に相当する。つまり、回路130[j]のトランジスタTr24は、電流ICM[j]を流し得る電流源に設定された状態であると言える。 When I [j] flowing through the wiring BL [j] is larger than the current IREF flowing through the wiring BLREF, that is, when ΔI [j] is negative, the transistor Tr28 of the memory cell MC [i, j] illustrated in FIG. This means that the sum of the current that can be drawn and the current that can be drawn by the transistor Tr28 of the memory cell MC [i + 1, j] is larger than the drain current of the transistor Tr27 [j]. Therefore, when the current ΔI [j] is negative, when the transistor Tr25 is turned on in the circuit 130 [j], current flows from the gate of the transistor Tr24 to the wiring BL [j], and the potential of the gate starts to decrease. When the drain current of the transistor Tr24 becomes substantially equal to the current ΔI [j], the potential of the gate of the transistor Tr24 converges to a predetermined value. At this time, the gate potential of the transistor Tr24 corresponds to a potential at which the drain current of the transistor Tr24 becomes the current ΔI [j], that is, Ioffset [j] (= ICM [j]). That is, it can be said that the transistor Tr24 of the circuit 130 [j] is set to a current source that can flow the current ICM [j].
同様に、配線BL[j+1]に流れるI[j+1]が配線BLREFに流れる電流IREFよりも大きい場合、つまり電流ΔI[j+1]が負の場合、回路130[j+1]においてトランジスタTr25がオンになると、トランジスタTr24のゲートから配線BL[j+1]に電流が流れ出し、当該ゲートの電位が下降し始める。そして、トランジスタTr24のドレイン電流が電流ΔI[j+1]の絶対値とほぼ等しくなると、トランジスタTr24のゲートの電位は所定の値に収束する。このときのトランジスタTr24のゲートの電位は、トランジスタTr24のドレイン電流が電流ΔI[j+1]、すなわちIoffset[j+1](=ICM[j+1])の絶対値に等しい電位に相当する。つまり、回路130[j+1]のトランジスタTr24は、電流ICM[j+1]を流し得る電流源に設定された状態であると言える。 Similarly, when I [j + 1] flowing through the wiring BL [j + 1] is larger than the current IREF flowing through the wiring BLREF, that is, when the current ΔI [j + 1] is negative, the transistor Tr25 is turned on in the circuit 130 [j + 1]. A current flows from the gate of the transistor Tr24 to the wiring BL [j + 1], and the potential of the gate starts to decrease. When the drain current of the transistor Tr24 becomes substantially equal to the absolute value of the current ΔI [j + 1], the potential of the gate of the transistor Tr24 converges to a predetermined value. The potential of the gate of the transistor Tr24 at this time corresponds to a potential at which the drain current of the transistor Tr24 is equal to the current ΔI [j + 1], that is, the absolute value of Ioffset [j + 1] (= ICM [j + 1]). That is, it can be said that the transistor Tr24 of the circuit 130 [j + 1] is set to a current source that can flow the current ICM [j + 1].
時刻T08が終了すると、図10に示す配線OSMに与えられる電位はハイレベルからローレベルに変化し、回路130[j]および回路130[j+1]においてトランジスタTr25がオフになる。上記動作により、トランジスタTr24のゲートの電位は保持される。よって、回路130[j]は電流ICM[j]を流し得る電流源に設定された状態を維持し、回路130[j+1]は電流ICM[j+1]を流し得る電流源に設定された状態を維持する。 When the time T08 ends, the potential applied to the wiring OSM illustrated in FIG. 10 changes from a high level to a low level, and the transistor Tr25 is turned off in the circuit 130 [j] and the circuit 130 [j + 1]. With the above operation, the potential of the gate of the transistor Tr24 is maintained. Therefore, the circuit 130 [j] maintains a state set as a current source capable of flowing the current ICM [j], and the circuit 130 [j + 1] maintains a state set as a current source capable of flowing the current ICM [j + 1]. To do.
なお、回路140[j]および回路140[j+1]において、トランジスタTr21は電流を引き込む機能を有する。そのため、時刻T07乃至時刻T08において配線BL[j]に流れる電流I[j]が配線BLREFに流れる電流IREFよりも大きくΔI[j]が負の場合、あるいは、配線BL[j+1]に流れる電流I[j+1]が配線BLREFに流れる電流IREFよりも大きくΔI[j+1]が負の場合、回路140[j]または回路140[j+1]から過不足なく配線BL[j]または配線BL[j+1]に電流を供給するのが難しくなる恐れがある。この場合、配線BL[j]または配線BL[j+1]に流れる電流と、配線BLREFに流れる電流とのバランスを取るために、メモリセルMCのトランジスタTr11と、回路140[j]または回路140[j+1]のトランジスタTr21と、トランジスタTr27[j]またはTr27[j+1]とが、共に飽和領域で動作することが困難になる可能性がある。 Note that in the circuit 140 [j] and the circuit 140 [j + 1], the transistor Tr21 has a function of drawing current. Therefore, when the current I [j] that flows through the wiring BL [j] is larger than the current IREF that flows through the wiring BLREF from time T07 to time T08 and ΔI [j] is negative, or the current I that flows through the wiring BL [j + 1] When [j + 1] is larger than the current IREF flowing through the wiring BLREF and ΔI [j + 1] is negative, the current flows from the circuit 140 [j] or 140 [j + 1] to the wiring BL [j] or the wiring BL [j + 1] without excess or deficiency. May be difficult to supply. In this case, in order to balance the current flowing through the wiring BL [j] or the wiring BL [j + 1] with the current flowing through the wiring BLREF, the transistor Tr11 of the memory cell MC, the circuit 140 [j], or the circuit 140 [j + 1]. ] Transistor Tr21 and transistor Tr27 [j] or Tr27 [j + 1] may both be difficult to operate in the saturation region.
時刻T07乃至時刻T08においてΔI[j]が負の場合でも、トランジスタTr11、Tr21、Tr27[j]またはTr27[j+1]における飽和領域での動作を確保するために、時刻T05乃至時刻T06において、トランジスタTr24のゲートを電位VDDにリセットするのではなく、トランジスタTr24のゲートの電位を所定のドレイン電流が得られる程度の高さに設定しておいても良い。上記構成により、トランジスタTr27[j]またはTr27[j+1]のドレイン電流に加えてトランジスタTr24から電流が供給されるため、トランジスタTr11において引き込めない分の電流を、トランジスタTr21においてある程度引き込むことができるため、トランジスタTr11、Tr21、Tr27[j]またはTr27[j+1]における飽和領域での動作を確保することができる。 Even when ΔI [j] is negative from time T07 to time T08, in order to ensure the operation in the saturation region of the transistor Tr11, Tr21, Tr27 [j], or Tr27 [j + 1], the transistor from time T05 to time T06 Instead of resetting the gate of Tr24 to the potential VDD, the gate potential of the transistor Tr24 may be set to such a level that a predetermined drain current can be obtained. With the above structure, since current is supplied from the transistor Tr24 in addition to the drain current of the transistor Tr27 [j] or Tr27 [j + 1], a current that cannot be drawn in the transistor Tr11 can be drawn to some extent in the transistor Tr21. The operation in the saturation region of the transistors Tr11, Tr21, Tr27 [j] or Tr27 [j + 1] can be ensured.
なお、時刻T09乃至時刻T10において、配線BL[j]に流れるI[j]が配線BLREFに流れる電流IREFよりも小さい場合、すなわちΔI[j]が正の場合、時刻T07乃至時刻T08において回路140[j]が電流ICP[j]を流し得る電流源に既に設定されているため、回路130[j]においてトランジスタTr24のゲートの電位はほぼ電位VDDのままとなる。同様に、配線BL[j+1]に流れるI[j+1]が配線BLREFに流れる電流IREFよりも小さい場合、すなわちΔI[j+1]が正の場合、時刻T07乃至時刻T08において回路140[j+1]が電流ICP[j+1]を流し得る電流源に既に設定されているため、回路130[j+1]においてトランジスタTr24のゲートの電位はほぼ電位VDDのままとなる。
Note that in the period from time T09 to time T10, when I [j] flowing through the wiring BL [j] is smaller than the current IREF flowing through the wiring BLREF, that is, when ΔI [j] is positive, the
次いで、時刻T11乃至時刻T12において、図9に示す配線RW[i]に第2のアナログ電位Vw[i]が与えられる。また、配線RW[i+1]には、基準電位として電位VSSと電位VDDの間の電位、例えば電位(VDD+VSS)/2が与えられたままである。具体的に、配線RW[i]の電位は、基準電位である電位VSSと電位VDDの間の電位、例えば電位(VDD+VSS)/2に対して電位差Vw[i]だけ高い電位となるが、以下説明を分かり易くするために、配線RW[i]の電位は電位Vw[i]であると仮定する。 Next, at time T11 to time T12, the second analog potential Vw [i] is applied to the wiring RW [i] illustrated in FIG. The wiring RW [i + 1] is still supplied with a potential between the potential VSS and the potential VDD, for example, the potential (VDD + VSS) / 2 as the reference potential. Specifically, the potential of the wiring RW [i] is higher by a potential difference Vw [i] than the potential between the potential VSS and the potential VDD, for example, the potential (VDD + VSS) / 2. For easy understanding, it is assumed that the potential of the wiring RW [i] is the potential Vw [i].
配線RW[i]が電位Vw[i]になると、容量素子C11の第1の電極の電位の変化量がほぼノードNの電位の変化量に反映されるものと仮定すると、図9に示すメモリセルMC[i、j]におけるノードNの電位はVPR−Vx[i、j]+Vw[i]となり、メモリセルMC[i、j+1]におけるノードNの電位はVPR−Vx[i、j+1]+Vw[i]となる。そして、上記の式6から、メモリセルMC[i、j]に対応する第1のアナログデータと第2のアナログデータの積和値は、電流ΔI[j]からIoffset[j]を差し引いた電流、すなわち、配線BL[j]から流れ出る電流Iout[j]に反映されることが分かる。また、メモリセルMC[i、j+1]に対応する第1のアナログデータと第2のアナログデータの積和値は、電流ΔI[j+1]からIoffset[j+1]を差し引いた電流、すなわち、配線BL[j+1]から流れ出る電流Iout[j+1]に反映されることが分かる。 When it is assumed that when the wiring RW [i] becomes the potential Vw [i], the amount of change in the potential of the first electrode of the capacitor C11 is substantially reflected in the amount of change in the potential of the node N, the memory illustrated in FIG. The potential of the node N in the cell MC [i, j] is VPR−Vx [i, j] + Vw [i], and the potential of the node N in the memory cell MC [i, j + 1] is VPR−Vx [i, j + 1] + Vw. [I]. From the above equation 6, the sum of products of the first analog data and the second analog data corresponding to the memory cell MC [i, j] is the current obtained by subtracting Ioffset [j] from the current ΔI [j]. In other words, it is reflected in the current Iout [j] flowing out from the wiring BL [j]. The product sum of the first analog data and the second analog data corresponding to the memory cell MC [i, j + 1] is a current obtained by subtracting Ioffset [j + 1] from the current ΔI [j + 1], that is, the wiring BL [ It can be seen that the current Iout [j + 1] flowing out from j + 1] is reflected.
時刻T12が終了すると、配線RW[i]には、再度、基準電位である電位VSSと電位VDDの間の電位、例えば電位(VDD+VSS)/2が与えられる。 When the time T12 ends, the wiring RW [i] is again supplied with a potential between the potential VSS and the potential VDD which is the reference potential, for example, the potential (VDD + VSS) / 2.
次いで、時刻T13乃至時刻T14において、図9に示す配線RW[i+1]に第2のアナログ電位Vw[i+1]が与えられる。また、配線RW[i]には、基準電位として電位VSSと電位VDDの間の電位、例えば電位(VDD+VSS)/2が与えられたままである。具体的に、配線RW[i+1]の電位は、基準電位である電位VSSと電位VDDの間の電位、例えば電位(VDD+VSS)/2に対して電位差Vw[i+1]だけ高い電位となるが、以下説明を分かり易くするために、配線RW[i+1]の電位は電位Vw[i+1]であると仮定する。 Next, at time T13 to time T14, the second analog potential Vw [i + 1] is applied to the wiring RW [i + 1] illustrated in FIG. The wiring RW [i] is still supplied with a potential between the potential VSS and the potential VDD, for example, the potential (VDD + VSS) / 2 as the reference potential. Specifically, the potential of the wiring RW [i + 1] is higher by a potential difference Vw [i + 1] than the potential between the reference potential VSS and the potential VDD, for example, the potential (VDD + VSS) / 2. For ease of explanation, it is assumed that the potential of the wiring RW [i + 1] is the potential Vw [i + 1].
配線RW[i+1]が電位Vw[i+1]になると、容量素子C11の第1の電極の電位の変化量がほぼノードNの電位の変化量に反映されるものと仮定すると、図9に示すメモリセルMC[i+1、j]におけるノードNの電位はVPR−Vx[i+1、j]+Vw[i+1]となり、メモリセルMC[i+1、j+1]におけるノードNの電位はVPR−Vx[i+1、j+1]+Vw[i+1]となる。そして、上記の式6から、メモリセルMC[i+1、j]に対応する第1のアナログデータと第2のアナログデータの積和値は、電流ΔI[j]からIoffset[j]を差し引いた電流、すなわち、Iout[j]に反映されることが分かる。また、メモリセルMC[i+1、j+1]に対応する第1のアナログデータと第2のアナログデータの積和値は、電流ΔI[j+1]からIoffset[j+1]を差し引いた電流、すなわち、Iout[j+1]に反映されることが分かる。 When it is assumed that when the wiring RW [i + 1] becomes the potential Vw [i + 1], the amount of change in the potential of the first electrode of the capacitor C11 is substantially reflected in the amount of change in the potential of the node N. The potential of the node N in the cell MC [i + 1, j] is VPR−Vx [i + 1, j] + Vw [i + 1], and the potential of the node N in the memory cell MC [i + 1, j + 1] is VPR−Vx [i + 1, j + 1] + Vw. [I + 1]. From the above equation 6, the product sum value of the first analog data and the second analog data corresponding to the memory cell MC [i + 1, j] is the current obtained by subtracting Ioffset [j] from the current ΔI [j]. That is, it can be seen that it is reflected in Iout [j]. The product sum value of the first analog data and the second analog data corresponding to the memory cell MC [i + 1, j + 1] is a current obtained by subtracting Ioffset [j + 1] from the current ΔI [j + 1], that is, Iout [j + 1]. ] Is reflected in the
時刻T12が終了すると、配線RW[i+1]には、再度、基準電位である電位VSSと電位VDDの間の電位、例えば電位(VDD+VSS)/2が与えられる。 When the time T12 ends, the wiring RW [i + 1] is again supplied with a potential between the potential VSS which is the reference potential and the potential VDD, for example, the potential (VDD + VSS) / 2.
次いで、時刻T15乃至時刻T16において、図9に示す配線RW[i]に第2のアナログ電位Vw[i]が与えられ、配線RW[i+1]に第2のアナログ電位Vw[i+1]が与えられる。具体的に、配線RW[i]の電位は、基準電位である電位VSSと電位VDDの間の電位、例えば電位(VDD+VSS)/2に対して電位差Vw[i]だけ高い電位となり、配線RW[i+1]の電位は、基準電位である電位VSSと電位VDDの間の電位、例えば電位(VDD+VSS)/2に対して電位差Vw[i+1]だけ高い電位となるが、以下説明を分かり易くするために、配線RW[i]の電位は電位Vw[i]であり、配線RW[i+1]の電位は電位Vw[i+1]であると仮定する。 Next, at time T15 to time T16, the second analog potential Vw [i] is supplied to the wiring RW [i] illustrated in FIG. 9, and the second analog potential Vw [i + 1] is supplied to the wiring RW [i + 1]. . Specifically, the potential of the wiring RW [i] is higher by a potential difference Vw [i] than a potential between the reference potential VSS and the potential VDD, for example, the potential (VDD + VSS) / 2, and the wiring RW [i] The potential of (i + 1) is higher than the potential between the potential VSS and the potential VDD, for example, the potential (VDD + VSS) / 2 by a potential difference Vw [i + 1]. Further, it is assumed that the potential of the wiring RW [i] is the potential Vw [i] and the potential of the wiring RW [i + 1] is the potential Vw [i + 1].
配線RW[i]が電位Vw[i]になると、容量素子C11の第1の電極の電位の変化量がほぼノードNの電位の変化量に反映されるものと仮定すると、図9に示すメモリセルMC[i、j]におけるノードNの電位はVPR−Vx[i、j]+Vw[i]となり、メモリセルMC[i、j+1]におけるノードNの電位はVPR−Vx[i、j+1]+Vw[i]となる。また、配線RW[i+1]が電位Vw[i+1]になると、容量素子C11の第1の電極の電位の変化量がほぼノードNの電位の変化量に反映されるものと仮定すると、図9に示すメモリセルMC[i+1、j]におけるノードNの電位はVPR−Vx[i+1、j]+Vw[i+1]となり、メモリセルMC[i+1、j+1]におけるノードNの電位はVPR−Vx[i+1、j+1]+Vw[i+1]となる。 When it is assumed that when the wiring RW [i] becomes the potential Vw [i], the amount of change in the potential of the first electrode of the capacitor C11 is substantially reflected in the amount of change in the potential of the node N, the memory illustrated in FIG. The potential of the node N in the cell MC [i, j] is VPR−Vx [i, j] + Vw [i], and the potential of the node N in the memory cell MC [i, j + 1] is VPR−Vx [i, j + 1] + Vw. [I]. Further, when it is assumed that when the wiring RW [i + 1] becomes the potential Vw [i + 1], the amount of change in the potential of the first electrode of the capacitor C11 is reflected in the amount of change in the potential of the node N, FIG. The potential of the node N in the memory cell MC [i + 1, j] shown is VPR−Vx [i + 1, j] + Vw [i + 1], and the potential of the node N in the memory cell MC [i + 1, j + 1] is VPR−Vx [i + 1, j + 1. ] + Vw [i + 1].
そして、上記の式6から、メモリセルMC[i、j]とメモリセルMC[i+1、j]とに対応する第1のアナログデータと第2のアナログデータの積和値は、電流ΔI[j]からIoffset[j]を差し引いた電流、すなわち、電流Iout[j]に反映されることが分かる。また、メモリセルMC[i、j+1]とメモリセルMC[i+1、j+1]とに対応する第1のアナログデータと第2のアナログデータの積和値は、電流ΔI[j+1]からIoffset[j+1]を差し引いた電流、すなわち、電流Iout[j+1]に反映されることが分かる。 From Equation 6 above, the product sum value of the first analog data and the second analog data corresponding to the memory cell MC [i, j] and the memory cell MC [i + 1, j] is the current ΔI [j ] Is subtracted from Ioffset [j], that is, the current Iout [j] is reflected. Further, the product sum value of the first analog data and the second analog data corresponding to the memory cell MC [i, j + 1] and the memory cell MC [i + 1, j + 1] is obtained from the current ΔI [j + 1] to Ioffset [j + 1]. It can be seen that the current is subtracted from the current Iout [j + 1].
時刻T16が終了すると、配線RW[i]および配線RW[i+1]には、再度、基準電位である電位VSSと電位VDDの間の電位、例えば電位(VDD+VSS)/2が与えられる。 When the time T16 ends, the wiring RW [i] and the wiring RW [i + 1] are again supplied with a potential between the potential VSS and the potential VDD, for example, the potential (VDD + VSS) / 2.
上記構成により、積和演算を小さな回路規模で行うことができる。また、上記構成により、積和演算を高速で行うことができる。また、上記構成により、低消費電力で積和演算を行うことができる。 With the above configuration, the product-sum operation can be performed with a small circuit scale. In addition, with the above configuration, the product-sum operation can be performed at high speed. In addition, with the above configuration, the product-sum operation can be performed with low power consumption.
なお、トランジスタTr12、Tr22、Tr23、Tr25、またはTr26は、オフ電流が極めて低いトランジスタを用いることが望ましい。トランジスタTr12にオフ電流が極めて低いトランジスタを用いることにより、ノードNの電位の保持を長時間に渡って行うことができる。また、トランジスタTr22およびTr23にオフ電流が極めて低いトランジスタを用いることにより、トランジスタTr21のゲートの電位の保持を、長時間に渡って行うことができる。また、トランジスタTr25およびTr26にオフ電流が極めて低いトランジスタを用いることにより、トランジスタTr24のゲートの電位の保持を、長時間に渡って行うことができる。 Note that a transistor with extremely low off-state current is preferably used as the transistors Tr12, Tr22, Tr23, Tr25, or Tr26. By using a transistor with an extremely low off-state current as the transistor Tr12, the potential of the node N can be held for a long time. Further, by using transistors with extremely low off-state current for the transistors Tr22 and Tr23, the potential of the gate of the transistor Tr21 can be held for a long time. In addition, by using transistors with extremely low off-state current for the transistors Tr25 and Tr26, the potential of the gate of the transistor Tr24 can be held for a long time.
オフ電流が極めて低いトランジスタとして半導体層に金属酸化物を用いたトランジスタ(以下、OSトランジスタ)を用いればよい。チャネル幅で規格化したOSトランジスタのリーク電流は、ソースドレイン電圧が10V、室温(25℃程度)の状態で10×10−21A/μm(10ゼプトA/μm)以下とすることが可能である。 A transistor using a metal oxide for a semiconductor layer (hereinafter referred to as an OS transistor) may be used as a transistor with extremely low off-state current. The leakage current of the OS transistor normalized by the channel width can be 10 × 10 −21 A / μm (10 zept A / μm) or less when the source drain voltage is 10 V and room temperature (about 25 ° C.). is there.
OSトランジスタに用いる半導体材料としては、エネルギーギャップが2eV以上、好ましくは2.5eV以上、より好ましくは3eV以上である金属酸化物を用いることができる。代表的には、インジウムを含む酸化物半導体などであり、例えば、後述するCAC−OSなどを用いることができる。 As a semiconductor material used for the OS transistor, a metal oxide having an energy gap of 2 eV or more, preferably 2.5 eV or more, more preferably 3 eV or more can be used. A typical example is an oxide semiconductor containing indium. For example, a CAC-OS described later can be used.
半導体層は、例えばインジウム、亜鉛およびM(アルミニウム、チタン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、セリウム、スズ、ネオジムまたはハフニウム等の金属)を含むIn−M−Zn系酸化物で表記される膜とすることができる。 The semiconductor layer is represented by an In-M-Zn-based oxide containing indium, zinc, and M (metal such as aluminum, titanium, gallium, germanium, yttrium, zirconium, lanthanum, cerium, tin, neodymium, or hafnium). It can be a membrane.
半導体層を構成する酸化物半導体がIn−M−Zn系酸化物の場合、In−M−Zn酸化物を成膜するために用いるスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比は、In≧M、Zn≧Mを満たすことが好ましい。このようなスパッタリングターゲットの金属元素の原子数比として、In:M:Zn=1:1:1、In:M:Zn=1:1:1.2、In:M:Zn=3:1:2、In:M:Zn=4:2:3、In:M:Zn=4:2:4.1、In:M:Zn=5:1:6、In:M:Zn=5:1:7、In:M:Zn=5:1:8等が好ましい。なお、成膜される半導体層の原子数比はそれぞれ、上記のスパッタリングターゲットに含まれる金属元素の原子数比のプラスマイナス40%の変動を含む。 In the case where the oxide semiconductor included in the semiconductor layer is an In-M-Zn-based oxide, the atomic ratio of the metal elements of the sputtering target used for forming the In-M-Zn oxide is In ≧ M, Zn It is preferable to satisfy ≧ M. As the atomic ratio of the metal elements of such a sputtering target, In: M: Zn = 1: 1: 1, In: M: Zn = 1: 1: 1.2, In: M: Zn = 3: 1: 2, In: M: Zn = 4: 2: 3, In: M: Zn = 4: 2: 4.1, In: M: Zn = 5: 1: 6, In: M: Zn = 5: 1: 7, In: M: Zn = 5: 1: 8 etc. are preferable. Note that the atomic ratio of the semiconductor layer to be formed includes a variation of plus or minus 40% of the atomic ratio of the metal element contained in the sputtering target.
半導体層としては、キャリア密度の低い酸化物半導体を用いる。例えば、半導体層は、キャリア密度が1×1017/cm3以下、好ましくは1×1015/cm3以下、さらに好ましくは1×1013/cm3以下、より好ましくは1×1011/cm3以下、さらに好ましくは1×1010/cm3未満であり、1×10−9/cm3以上のキャリア密度の酸化物半導体を用いることができる。そのような酸化物半導体を、高純度真性または実質的に高純度真性な酸化物半導体と呼ぶ。これにより不純物濃度が低く、欠陥準位密度が低いため、安定な特性を有する酸化物半導体であるといえる。 As the semiconductor layer, an oxide semiconductor with low carrier density is used. For example, the semiconductor layer has a carrier density of 1 × 10 17 / cm 3 or less, preferably 1 × 10 15 / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 13 / cm 3 or less, more preferably 1 × 10 11 / cm 3. 3 or less, more preferably less than 1 × 10 10 / cm 3 , and an oxide semiconductor having a carrier density of 1 × 10 −9 / cm 3 or more can be used. Such an oxide semiconductor is referred to as a highly purified intrinsic or substantially highly purified intrinsic oxide semiconductor. Accordingly, it can be said that the oxide semiconductor has stable characteristics because the impurity concentration is low and the density of defect states is low.
なお、これらに限られず、必要とするトランジスタの半導体特性および電気特性(電界効果移動度、しきい値電圧等)に応じて適切な組成のものを用いればよい。また、必要とするトランジスタの半導体特性を得るために、半導体層のキャリア密度や不純物濃度、欠陥密度、金属元素と酸素の原子数比、原子間距離、密度等を適切なものとすることが好ましい。 Note that the composition is not limited thereto, and a transistor having an appropriate composition may be used depending on required semiconductor characteristics and electrical characteristics (such as field-effect mobility and threshold voltage) of the transistor. In addition, in order to obtain the required semiconductor characteristics of the transistor, it is preferable that the semiconductor layer have appropriate carrier density, impurity concentration, defect density, atomic ratio of metal element to oxygen, interatomic distance, density, and the like. .
半導体層を構成する酸化物半導体において、第14族元素の一つであるシリコンや炭素が含まれると、酸素欠損が増加し、n型化してしまう。このため、半導体層におけるシリコンや炭素の濃度(二次イオン質量分析法により得られる濃度)を、2×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1017atoms/cm3以下とする。
In the oxide semiconductor constituting the semiconductor layer, when silicon or carbon, which is one of
また、アルカリ金属およびアルカリ土類金属は、酸化物半導体と結合するとキャリアを生成する場合があり、トランジスタのオフ電流が増大してしまうことがある。このため、半導体層におけるアルカリ金属またはアルカリ土類金属の濃度(二次イオン質量分析法により得られる濃度)を、1×1018atoms/cm3以下、好ましくは2×1016atoms/cm3以下にする。 Further, when alkali metal and alkaline earth metal are combined with an oxide semiconductor, carriers may be generated, which may increase off-state current of the transistor. For this reason, the concentration of alkali metal or alkaline earth metal (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry) in the semiconductor layer is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 2 × 10 16 atoms / cm 3 or less. To.
また、半導体層を構成する酸化物半導体に窒素が含まれていると、キャリアである電子が生じてキャリア密度が増加し、n型化しやすい。この結果、窒素が含まれている酸化物半導体を用いたトランジスタはノーマリーオン特性となりやすい。このため半導体層における窒素濃度(二次イオン質量分析法により得られる濃度)は、5×1018atoms/cm3以下にすることが好ましい。 In addition, when nitrogen is contained in the oxide semiconductor included in the semiconductor layer, electrons as carriers are generated, the carrier density is increased, and the oxide semiconductor is easily n-type. As a result, a transistor including an oxide semiconductor containing nitrogen is likely to be normally on. Therefore, the nitrogen concentration (concentration obtained by secondary ion mass spectrometry) in the semiconductor layer is preferably 5 × 10 18 atoms / cm 3 or less.
また、半導体層は、例えば非単結晶構造でもよい。非単結晶構造は、例えば、c軸に配向した結晶を有するCAAC−OS(C−Axis Aligned Crystalline Oxide Semiconductor、または、C−Axis Aligned and A−B−plane Anchored Crystalline Oxide Semiconductor)、多結晶構造、微結晶構造、または非晶質構造を含む。非単結晶構造において、非晶質構造は最も欠陥準位密度が高く、CAAC−OSは最も欠陥準位密度が低い。 The semiconductor layer may have a non-single crystal structure, for example. The non-single-crystal structure includes, for example, a CAAC-OS (C-Axis Crystalline Oxide Semiconductor Semiconductor having a crystal oriented in the c-axis, or a C-Axis Aligned and A-B-Plane Annealed Crystal Oxide Crystal Structure, Includes a microcrystalline structure or an amorphous structure. In the non-single-crystal structure, the amorphous structure has the highest density of defect states, and the CAAC-OS has the lowest density of defect states.
非晶質構造の酸化物半導体膜は、例えば、原子配列が無秩序であり、結晶成分を有さない。または、非晶質構造の酸化物膜は、例えば、完全な非晶質構造であり、結晶部を有さない。 An oxide semiconductor film having an amorphous structure has, for example, disordered atomic arrangement and no crystal component. Alternatively, an amorphous oxide film has, for example, a completely amorphous structure and does not have a crystal part.
なお、半導体層が、非晶質構造の領域、微結晶構造の領域、多結晶構造の領域、CAAC−OSの領域、単結晶構造の領域のうち、二種以上を有する混合膜であってもよい。混合膜は、例えば上述した領域のうち、いずれか二種以上の領域を含む単層構造、または積層構造を有する場合がある。 Note that the semiconductor layer may be a mixed film including two or more of an amorphous structure region, a microcrystalline structure region, a polycrystalline structure region, a CAAC-OS region, and a single crystal structure region. Good. For example, the mixed film may have a single-layer structure or a stacked structure including any two or more of the above-described regions.
以下では、非単結晶の半導体層の一態様であるCAC(Cloud−Aligned Composite)−OSの構成について説明する。 Hereinafter, a structure of a CAC (Cloud-Aligned Composite) -OS which is one embodiment of a non-single-crystal semiconductor layer is described.
CAC−OSとは、例えば、酸化物半導体を構成する元素が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、酸化物半導体において、一つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともいう。 The CAC-OS is one structure of a material in which an element included in an oxide semiconductor is unevenly distributed with a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 2 nm, or the vicinity thereof. Note that in the following, in an oxide semiconductor, one or more metal elements are unevenly distributed, and a region including the metal element has a size of 0.5 nm to 10 nm, preferably 1 nm to 2 nm, or the vicinity thereof. The state mixed with is also referred to as a mosaic or patch.
なお、酸化物半導体は、少なくともインジウムを含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。 Note that the oxide semiconductor preferably contains at least indium. In particular, it is preferable to contain indium and zinc. In addition, aluminum, gallium, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, etc. One kind selected from the above or a plurality of kinds may be included.
例えば、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OS(CAC−OSの中でもIn−Ga−Zn酸化物を、特にCAC−IGZOと呼称してもよい。)とは、インジウム酸化物(以下、InOX1(X1は0よりも大きい実数)とする。)、またはインジウム亜鉛酸化物(以下、InX2ZnY2OZ2(X2、Y2、およびZ2は0よりも大きい実数)とする。)と、ガリウム酸化物(以下、GaOX3(X3は0よりも大きい実数)とする。)、またはガリウム亜鉛酸化物(以下、GaX4ZnY4OZ4(X4、Y4、およびZ4は0よりも大きい実数)とする。)などと、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のInOX1、またはInX2ZnY2OZ2が、膜中に均一に分布した構成(以下、クラウド状ともいう。)である。 For example, a CAC-OS in In-Ga-Zn oxide (In-Ga-Zn oxide among CAC-OSs may be referred to as CAC-IGZO in particular) is an indium oxide (hereinafter referred to as InO). X1 (X1 is greater real than 0) and.), or indium zinc oxide (hereinafter, in X2 Zn Y2 O Z2 ( X2, Y2, and Z2 is larger real than 0) and a.), gallium An oxide (hereinafter referred to as GaO X3 (X3 is a real number greater than 0)) or a gallium zinc oxide (hereinafter referred to as Ga X4 Zn Y4 O Z4 (where X4, Y4, and Z4 are greater than 0)) to.) and the like, the material becomes mosaic by separate into, mosaic InO X1 or in X2 Zn Y2 O Z2, is a configuration in which uniformly distributed in the film (hereinafter Also referred to as a cloud-like.) A.
つまり、CAC−OSは、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域とが、混合している構成を有する複合酸化物半導体である。なお、本明細書において、例えば、第1の領域の元素Mに対するInの原子数比が、第2の領域の元素Mに対するInの原子数比よりも大きいことを、第1の領域は、第2の領域と比較して、Inの濃度が高いとする。 That, CAC-OS includes a region GaO X3 is the main component, and In X2 Zn Y2 O Z2, or InO X1 is the main component region is a composite oxide semiconductor having a structure that is mixed. Note that in this specification, for example, the first region indicates that the atomic ratio of In to the element M in the first region is larger than the atomic ratio of In to the element M in the second region. It is assumed that the concentration of In is higher than that in the second region.
なお、IGZOは通称であり、In、Ga、Zn、およびOによる1つの化合物をいう場合がある。代表例として、InGaO3(ZnO)m1(m1は自然数)、またはIn(1+x0)Ga(1−x0)O3(ZnO)m0(−1≦x0≦1、m0は任意数)で表される結晶性の化合物が挙げられる。 Note that IGZO is a common name and may refer to one compound of In, Ga, Zn, and O. As a typical example, InGaO 3 (ZnO) m1 (m1 is a natural number) or In (1 + x0) Ga (1-x0) O 3 (ZnO) m0 (−1 ≦ x0 ≦ 1, m0 is an arbitrary number) A crystalline compound may be mentioned.
上記結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、またはCAAC構造を有する。なお、CAAC構造とは、複数のIGZOのナノ結晶がc軸配向を有し、かつa−b面においては配向せずに連結した結晶構造である。 The crystalline compound has a single crystal structure, a polycrystalline structure, or a CAAC structure. The CAAC structure is a crystal structure in which a plurality of IGZO nanocrystals have c-axis orientation and are connected without being oriented in the ab plane.
一方、CAC−OSは、酸化物半導体の材料構成に関する。CAC−OSとは、In、Ga、Zn、およびOを含む材料構成において、一部にGaを主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にInを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。したがって、CAC−OSにおいて、結晶構造は副次的な要素である。 On the other hand, CAC-OS relates to a material structure of an oxide semiconductor. CAC-OS refers to a region observed in the form of nanoparticles mainly composed of Ga in a material structure including In, Ga, Zn and O, and nanoparticles mainly composed of In. The region observed in a shape is a configuration in which the regions are randomly dispersed in a mosaic shape. Therefore, in the CAC-OS, the crystal structure is a secondary element.
なお、CAC−OSは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まないものとする。例えば、Inを主成分とする膜と、Gaを主成分とする膜との2層からなる構造は、含まない。 Note that the CAC-OS does not include a stacked structure of two or more kinds of films having different compositions. For example, a structure composed of two layers of a film mainly containing In and a film mainly containing Ga is not included.
なお、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。 Incidentally, a region GaO X3 is the main component, and In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is the main component region, in some cases clear boundary can not be observed.
なお、ガリウムの代わりに、アルミニウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれている場合、CAC−OSは、一部に該金属元素を主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にInを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。 Instead of gallium, selected from aluminum, yttrium, copper, vanadium, beryllium, boron, silicon, titanium, iron, nickel, germanium, zirconium, molybdenum, lanthanum, cerium, neodymium, hafnium, tantalum, tungsten, magnesium, etc. In the case where one or a plurality of types are included, the CAC-OS includes a region that is observed in a part of a nanoparticle mainly including the metal element and a nanoparticle mainly including In. The region observed in the form of particles refers to a configuration in which each region is randomly dispersed in a mosaic shape.
CAC−OSは、例えば基板を意図的に加熱しない条件で、スパッタリング法により形成することができる。また、CAC−OSをスパッタリング法で形成する場合、成膜ガスとして、不活性ガス(代表的にはアルゴン)、酸素ガス、および窒素ガスの中から選ばれたいずれか一つまたは複数を用いればよい。また、成膜時の成膜ガスの総流量に対する酸素ガスの流量比は低いほど好ましく、例えば酸素ガスの流量比を0%以上30%未満、好ましくは0%以上10%以下とすることが好ましい。 The CAC-OS can be formed by a sputtering method under a condition where the substrate is not intentionally heated, for example. In the case where a CAC-OS is formed by a sputtering method, any one or more selected from an inert gas (typically argon), an oxygen gas, and a nitrogen gas may be used as a deposition gas. Good. Further, the flow rate ratio of the oxygen gas to the total flow rate of the deposition gas during film formation is preferably as low as possible. For example, the flow rate ratio of the oxygen gas is 0% or more and less than 30%, preferably 0% or more and 10% or less. .
CAC−OSは、X線回折(XRD:X−ray diffraction)測定法のひとつであるOut−of−plane法によるθ/2θスキャンを用いて測定したときに、明確なピークが観察されないという特徴を有する。すなわち、X線回折から、測定領域のa−b面方向、およびc軸方向の配向は見られないことが分かる。 The CAC-OS is characterized in that no clear peak is observed when it is measured using a θ / 2θ scan by the out-of-plane method, which is one of the X-ray diffraction (XRD) measurement methods. Have. That is, it can be seen from X-ray diffraction that no orientation in the ab plane direction and c-axis direction of the measurement region is observed.
また、CAC−OSは、プローブ径が1nmの電子線(ナノビーム電子線ともいう。)を照射することで得られる電子線回折パターンにおいて、リング状に輝度の高い領域と、該リング領域に複数の輝点が観測される。したがって、電子線回折パターンから、CAC−OSの結晶構造が、平面方向、および断面方向において、配向性を有さないnc(nano−crystal)構造を有することがわかる。 In addition, in the CAC-OS, in an electron beam diffraction pattern obtained by irradiating an electron beam with a probe diameter of 1 nm (also referred to as a nanobeam electron beam), a ring-shaped high luminance region and a plurality of regions in the ring region are provided. A bright spot is observed. Therefore, it can be seen from the electron beam diffraction pattern that the crystal structure of the CAC-OS has an nc (nano-crystal) structure having no orientation in the planar direction and the cross-sectional direction.
また、例えば、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OSでは、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X−ray spectroscopy)を用いて取得したEDXマッピングにより、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域とが、偏在し、混合している構造を有することが確認できる。 In addition, for example, in a CAC-OS in an In—Ga—Zn oxide, GaO X3 is a main component by EDX mapping obtained by using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). It can be confirmed that the region and the region mainly composed of In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 are unevenly distributed and mixed.
CAC−OSは、金属元素が均一に分布したIGZO化合物とは異なる構造であり、IGZO化合物と異なる性質を有する。つまり、CAC−OSは、GaOX3などが主成分である領域と、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイク状である構造を有する。 The CAC-OS has a structure different from that of the IGZO compound in which the metal element is uniformly distributed, and has a property different from that of the IGZO compound. That is, in the CAC-OS, a region in which GaO X3 or the like is a main component and a region in which In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is a main component are phase-separated from each other, and a region in which each element is a main component. Has a mosaic structure.
ここで、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域は、GaOX3などが主成分である領域と比較して、導電性が高い領域である。つまり、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、酸化物半導体としての導電性が発現する。したがって、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域が、酸化物半導体中にクラウド状に分布することで、高い電界効果移動度(μ)が実現できる。 Here, the region containing In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 as a main component is a region having higher conductivity than a region containing GaO X3 or the like as a main component. That, In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1, is an area which is the main component, by carriers flow, expressed the conductivity of the oxide semiconductor. Therefore, a region where In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is a main component is distributed in a cloud shape in the oxide semiconductor, whereby high field-effect mobility (μ) can be realized.
一方、GaOX3などが主成分である領域は、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域と比較して、絶縁性が高い領域である。つまり、GaOX3などが主成分である領域が、酸化物半導体中に分布することで、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。 On the other hand, areas such as GaO X3 is the main component, as compared to the In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 is the main component area, it is highly regions insulating. That is, a region containing GaO X3 or the like as a main component is distributed in the oxide semiconductor, whereby leakage current can be suppressed and good switching operation can be realized.
したがって、CAC−OSを半導体素子に用いた場合、GaOX3などに起因する絶縁性と、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1に起因する導電性とが、相補的に作用することにより、高いオン電流(Ion)、および高い電界効果移動度(μ)を実現することができる。 Therefore, when CAC-OS is used for a semiconductor element, the insulating property caused by GaO X3 and the like and the conductivity caused by In X2 Zn Y2 O Z2 or InO X1 act complementarily, thereby increasing the An on-current (I on ) and high field effect mobility (μ) can be realized.
また、CAC−OSを用いた半導体素子は、信頼性が高い。したがって、CAC−OSは、様々な半導体装置の構成材料として適している。 In addition, a semiconductor element using a CAC-OS has high reliability. Therefore, the CAC-OS is suitable as a constituent material for various semiconductor devices.
以上説明した半導体装置を用いることにより、ニューラルネットワーク19またはニューラルネットワーク24における積和演算を行うことができる。
By using the semiconductor device described above, the product-sum operation in the
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.
(実施の形態3)
本実施の形態では、本発明の一態様を適用することのできる撮像装置の一例について、図面を参照して説明する。
(Embodiment 3)
In this embodiment, an example of an imaging device to which one embodiment of the present invention can be applied is described with reference to drawings.
図12(A)は、撮像装置の画素回路を説明する図である。当該画素回路は、光電変換素子50と、トランジスタ51と、トランジスタ52と、トランジスタ53と、トランジスタ54を有する。
FIG. 12A illustrates a pixel circuit of the imaging device. The pixel circuit includes a
光電変換素子50の一方の電極(アノード)は、トランジスタ51のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。光電変換素子50の一方の電極は、トランジスタ52のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。トランジスタ51のソースまたはドレインの他方は、トランジスタ53のゲートと電気的に接続される。トランジスタ53のソースまたはドレインの一方は、トランジスタ54のソースまたはドレインの一方と電気的に接続される。なお、トランジスタ53のゲートと電気的に接続される容量素子を設けてもよい。
One electrode (anode) of the
光電変換素子50の他方の電極(カソード)は、配線72と電気的に接続される。トランジスタ51のゲートは、配線75と電気的に接続される。トランジスタ53のソースまたはドレインの他方は、配線79に電気的に接続される。トランジスタ52のゲートは、配線76と電気的に接続される。トランジスタ52のソースまたはドレインの他方は、配線73と電気的に接続される。トランジスタ54のソースまたはドレインの他方は、配線71と電気的に接続される。トランジスタ54のゲートは、配線78と電気的に接続される。配線72は、電源56の一方の端子と電気的に接続され、電源56の他方の端子は、配線77と電気的に接続される。
The other electrode (cathode) of the
ここで、配線71は、画素から信号を出力する出力線としての機能を有することができる。配線73、配線77、配線79は、電源線としての機能を有することができる。例えば、配線73および配線77は、低電位電源線、配線79は高電位電源線として機能させることができる。配線75、配線76、配線78は、各トランジスタのオンオフを制御する信号線として機能させることができる。
Here, the
光電変換素子50には、低照度時の光検出感度を高めるためアバランシェ増倍効果を生じる光電変換素子を用いることが好ましい。アバランシェ増倍効果を生じさせるためには、比較的高い電位HVDDが必要となる。したがって、電源56は電位HVDDを供給することのできる機能を有し、光電変換素子50の他方の電極には配線72を介して電位HVDDが供給される。なお、光電変換素子50は、アバランシェ増倍効果が生じない電位を印加して使用することもできる。
For the
トランジスタ51は、光電変換素子50の出力に応じて変化する電荷蓄積部(NR)の電位を電荷検出部(ND)に転送する機能を有することができる。トランジスタ52は、電荷蓄積部(NR)および電荷検出部(ND)の電位を初期化する機能を有することができる。トランジスタ53は、電荷検出部(ND)の電位に応じた信号を出力する機能を有することができる。トランジスタ54は、信号を読み出す画素を選択する機能を有することができる。
The
光電変換素子50に高電圧を印加する場合、光電変換素子50と接続されるトランジスタには高電圧に耐えられる高耐圧のトランジスタを用いる必要がある。当該高耐圧のトランジスタには、例えば、OSトランジスタなどを用いることができる。具体的には、トランジスタ51およびトランジスタ52にOSトランジスタを適用することが好ましい。
When a high voltage is applied to the
トランジスタ51およびトランジスタ52はスイッチング特性が優れていることが望まれるが、トランジスタ53は増幅特性が優れていることが望まれるため、オン電流が高いトランジスタであることが好ましい。したがって、トランジスタ53およびトランジスタ54には、シリコンを活性層または活性領域に用いたトランジスタ(以下、Siトランジスタ)を適用することが好ましい。
The
トランジスタ51乃至トランジスタ54を上述した構成とすることで、低照度における光の検出感度が高く、ノイズの少ない信号を出力することのできる撮像装置を作製することができる。また、光の検出感度が高いため、光の取り込み時間を短くすることができ、撮像を高速に行うことができる。
With the above-described structures of the
なお、上記構成に限らず、トランジスタ53およびトランジスタ54にOSトランジスタを適用してもよい。または、トランジスタ51およびトランジスタ52にSiトランジスタを適用してもよい。いずれの場合においても当該画素回路の撮像動作は可能である。
Note that the transistor is not limited to the above structure, and an OS transistor may be applied to the
次に、図12(B)のタイミングチャートを用いて、画素の動作を説明する。なお、以下に説明する一例の動作において、トランジスタ52のゲートに接続された配線76には、”H”としてHVDD、”L”としてGNDの電位が供給されるものとする。トランジスタ51のゲートに接続された配線75およびトランジスタ54のゲートに接続された配線78には、”H”としてVDD、”L”としてGNDの電位が供給されるものとする。また、トランジスタ53のソースに接続された配線79には、VDDの電位が供給されるものとする。なお、各配線に上記以外の電位を供給する形態とすることもできる。
Next, operation of the pixel is described with reference to a timing chart in FIG. Note that in an example of operation described below, the
時刻T1に配線76を”H”、配線75を”H”とし、電荷蓄積部(NR)および電荷検出部(ND)の電位をリセット電位(GND)に設定する(リセット動作)。なお、リセット動作時に配線76に”H”として電位VDDを供給してもよい。
At time T1, the
時刻T2に配線76を”L”、配線75を”L”とすることで、電荷蓄積部(NR)の電位が変化する(蓄積動作)。電荷蓄積部(NR)の電位は、光電変換素子50に入射した光の強度に応じてGNDから最大でHVDDまで変化する。
By setting the
時刻T3に配線75を”H”とし、電荷蓄積部(NR)の電荷を電荷検出部(ND)に転送する(転送動作)。
At time T3, the
時刻T4に配線76を”L”、配線75を”L”とし、転送動作を終了させる。この時点で電荷検出部(ND)の電位が確定される。
At time T4, the
時刻T5乃至T6期間に配線76を”L”、配線75を”L”、配線78を”H”とし、電荷検出部(ND)の電位に応じた信号を配線71出力する。すなわち、蓄積動作において光電変換素子50に入射した光の強度に応じた出力信号を得ることができる。
In a period from time T5 to T6, the
図13(A)に、上述した画素回路を有する撮像装置の画素の構成の一例を示す。当該撮像装置は、層61、層62および層63を有し、それぞれが互いに重なる領域を有する構成とすることができる。
FIG. 13A illustrates an example of a pixel structure of an imaging device including the pixel circuit described above. The imaging device can include a
層61は、光電変換素子50の構成を有する。光電変換素子50は、画素電極に相当する電極65と、光電変換部66と、共通電極に相当する電極67を有する。
The
電極65には、低抵抗の金属層などを用いることが好ましい。例えば、アルミニウム、チタン、タングステン、タンタル、銀またはそれらの積層を用いることができる。
The
電極67には、可視光に対して高い透光性を有する導電層を用いることが好ましい。例えば、インジウム酸化物、錫酸化物、亜鉛酸化物、インジウム−錫酸化物、ガリウム−亜鉛酸化物、インジウム−ガリウム−亜鉛酸化物、またはグラフェンなどを用いることができる。なお、電極67を省く構成とすることもできる。
For the
光電変換部66には、例えばセレン系材料を光電変換層としたpn接合型フォトダイオードなどを用いることができる。層66aとしてはp型半導体であるセレン系材料を用い、層66bとしてはn型半導体であるガリウム酸化物などを用いることが好ましい。
For the
セレン系材料を用いた光電変換素子は、可視光に対する外部量子効率が高い特性を有する。当該光電変換素子では、アバランシェ増倍効果を利用することにより、入射される光量に対する電子の増幅が大きい高感度のセンサとすることができる。また、セレン系材料は光吸収係数が高いため、光電変換層を薄膜で作製できるなどの生産上の利点を有する。セレン系材料の薄膜は、真空蒸着法またはスパッタ法などを用いて形成することができる。 A photoelectric conversion element using a selenium-based material has a high external quantum efficiency with respect to visible light. In the photoelectric conversion element, by using the avalanche multiplication effect, a highly sensitive sensor with a large amplification of electrons with respect to the amount of incident light can be obtained. In addition, since the selenium-based material has a high light absorption coefficient, it has production advantages such that the photoelectric conversion layer can be formed as a thin film. A thin film of a selenium-based material can be formed using a vacuum evaporation method, a sputtering method, or the like.
セレン系材料としては、単結晶セレンや多結晶セレンなどの結晶性セレン、非晶質セレン、銅、インジウム、セレンの化合物(CIS)、または、銅、インジウム、ガリウム、セレンの化合物(CIGS)などを用いることができる。 Examples of the selenium-based material include crystalline selenium such as single crystal selenium and polycrystalline selenium, amorphous selenium, copper, indium, selenium compound (CIS), or copper, indium, gallium, selenium compound (CIGS), etc. Can be used.
n型半導体は、バンドギャップが広く、可視光に対して透光性を有する材料で形成することが好ましい。例えば、亜鉛酸化物、ガリウム酸化物、インジウム酸化物、錫酸化物、またはそれらが混在した酸化物などを用いることができる。また、これらの材料は正孔注入阻止層としての機能も有し、暗電流を小さくすることもできる。 The n-type semiconductor is preferably formed using a material having a wide band gap and a light-transmitting property with respect to visible light. For example, zinc oxide, gallium oxide, indium oxide, tin oxide, or an oxide in which they are mixed can be used. These materials also have a function as a hole injection blocking layer, and can reduce the dark current.
なお、層61は上記構成に限らず、層66aにp型シリコン半導体またはn型シリコン半導体の一方を用い、層66bにp型シリコン半導体またはn型シリコン半導体の他方を用いたpn接合型フォトダイオードであってもよい。または、層66aと層66bとの間にi型シリコン半導体層を設けたpin接合型フォトダイオードであってもよい。
Note that the
上記pn接合型フォトダイオードまたはpin接合型フォトダイオードは、単結晶シリコンを用いて形成することができる。このとき、層61と層62とは、貼り合わせ工程を用いて電気的な接合を得ることが好ましい。また、pin接合型フォトダイオードとしては、非晶質シリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコンなどの薄膜を用いて形成することもできる。
The pn junction photodiode or the pin junction photodiode can be formed using single crystal silicon. At this time, it is preferable that the
層62は、例えば、OSトランジスタ(トランジスタ51、トランジスタ52)を有する層とすることができる。図12(A)に示す画素の回路構成では、光電変換素子50に入射される光の強度が小さいときに電荷検出部(ND)の電位が小さくなる。OSトランジスタは極めてオフ電流が低いため、ゲート電位が極めて小さい場合においても当該ゲート電位に応じた電流を正確に出力することができる。したがって、検出することのできる照度のレンジ、すなわちダイナミックレンジを広げることができる。
The
また、トランジスタ51およびトランジスタ52の低いオフ電流特性によって、電荷検出部(ND)および電荷蓄積部(NR)で電荷を保持できる期間を極めて長くすることができる。そのため、回路構成や動作方法を複雑にすることなく、全画素で同時に電荷の蓄積動作を行うグローバルシャッタ方式を適用することができる。
Further, due to the low off-state current characteristics of the
層63は、支持基板またはSiトランジスタ(トランジスタ53、トランジスタ54)を有する層とすることができる。当該Siトランジスタは、単結晶シリコン基板に活性領域を有する構成のほか、絶縁表面上に結晶系のシリコン活性層を有する構成とすることができる。なお、層63に単結晶シリコン基板を用いる場合は、当該単結晶シリコン基板にpn接合型フォトダイオードまたはpin接合型フォトダイオードを形成してもよい。この場合、層61を省くことができる。
The
図13(B)は、本発明の一態様の撮像装置の回路構成を説明するブロック図である。当該撮像装置は、マトリクス状に配列された画素80を有する画素アレイ81と、画素アレイ81の行を選択する機能を有する回路82(ロードライバ)と、画素80の出力信号に対して相関二重サンプリング処理を行うための回路83(CDS回路)と、回路83から出力されたアナログデータをデジタルデータに変換する機能を有する回路84(A/D変換回路等)と、回路84で変換されたデータを選択して読み出す機能を有する回路85(カラムドライバ)と、を有する。なお、回路83を設けない構成とすることもできる。
FIG. 13B is a block diagram illustrating a circuit configuration of the imaging device of one embodiment of the present invention. The imaging apparatus includes a
例えば、光電変換素子を除く画素アレイ81の要素は、図13(A)に示す層62に設けることができる。回路82乃至回路85の要素は、層63に設けることができる。これらの回路はシリコントランジスタを用いたCMOS回路で構成することができる。
For example, the elements of the
当該構成とすることで、それぞれの回路に適したトランジスタを用いることができ、かつ撮像装置の面積を小さくすることができる。 With such a structure, a transistor suitable for each circuit can be used, and the area of the imaging device can be reduced.
図14(A)、(B)、(C)は、図13(A)に示す撮像装置の具体的な構成を説明する図である。図14(A)は、トランジスタ51、52、53、54のチャネル長方向を示す断面図である。図14(B)は一点鎖線A1−A2の断面図であり、トランジスタ52のチャネル幅方向の断面を示している。図14(C)は一点鎖線B1−B2の断面図であり、トランジスタ53のチャネル幅方向の断面を示している。
14A, 14B, and 14C are diagrams illustrating a specific structure of the imaging device illustrated in FIG. FIG. 14A is a cross-sectional view illustrating the channel length direction of the
撮像装置は、層61乃至63の積層とすることができる。層61は、セレン層を有する光電変換素子50の他、隔壁92を有する構成とすることができる。隔壁92は、電極65の段差を覆うように設けられる。光電変換素子50に用いるセレン層は高抵抗であり、画素間で分離しない構成とすることができる。
The imaging device can be a stack of
層62にはOSトランジスタであるトランジスタ51、52が設けられる。トランジスタ51、52はともにバックゲート91を有する構成を示しているが、いずれかがバックゲートを有する形態であってもよい。バックゲート91は、図14(B)に示すように対向して設けられるトランジスタのフロントゲートと電気的に接続する場合がある。または、バックゲート91にフロントゲートとは異なる固定電位を供給することができる構成であってもよい。
The
また、図14(A)では、OSトランジスタとしてセルフアラインのトップゲート型トランジスタを例示しているが、図15(A)に示すように、ノンセルフアライン型のトランジスタであってもよい。 14A illustrates a self-aligned top gate transistor as the OS transistor, but may be a non-self-aligned transistor as illustrated in FIG. 15A.
層63には、Siトランジスタであるトランジスタ53およびトランジスタ54が設けられる。図14(A)においてSiトランジスタはシリコン基板200に設けられたフィン型の半導体層を有する構成を例示しているが、図15(B)に示すように、シリコン基板201に活性領域を有するプレーナー型であってもよい。または、図12(C)に示すようにシリコン薄膜の半導体層210を有するトランジスタであってもよい。半導体層210は、例えば、シリコン基板202上の絶縁層220上に形成された単結晶シリコン(SOI(Silicon on Insulator))とすることができる。または、ガラス基板などの絶縁表面上に形成された多結晶シリコンであってもよい。この他、層63には画素を駆動するための回路を設けることができる。
In the
OSトランジスタが形成される領域とSiトランジスタが形成される領域との間には、水素の拡散を防止する機能を有する絶縁層93が設けられる。トランジスタ53、54の活性領域近傍に設けられる絶縁層中の水素はシリコンのダングリングボンドを終端する。一方、トランジスタ51、52の活性層である酸化物半導体層の近傍に設けられる絶縁層中の水素は、酸化物半導体層中にキャリアを生成する要因の一つとなる。
An insulating
絶縁層93により、一方の層に水素を閉じ込めることでトランジスタ53、54の信頼性を向上させることができる。また、一方の層から他方の層への水素の拡散が抑制されることでトランジスタ51、52の信頼性も向上させることができる。
The reliability of the
絶縁層93としては、例えば、酸化アルミニウム、酸化窒化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化窒化ガリウム、酸化イットリウム、酸化窒化イットリウム、酸化ハフニウム、酸化窒化ハフニウム、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等を用いることができる。
As the insulating
図16(A)は、本発明の一態様の撮像装置にカラーフィルタ等を付加した例を示す断面図である。当該断面図では、3画素分の画素回路を有する領域の一部を示している。光電変換素子50が形成される層61上には、絶縁層300が形成される。絶縁層300は可視光に対して透光性の高い酸化シリコン膜などを用いることができる。また、パッシベーション膜として窒化シリコン膜を積層してもよい。また、反射防止膜として、酸化ハフニウムなどの誘電体膜を積層してもよい。
FIG. 16A is a cross-sectional view illustrating an example in which a color filter or the like is added to the imaging device of one embodiment of the present invention. In the cross-sectional view, a part of a region having a pixel circuit for three pixels is shown. An insulating
絶縁層300上には、遮光層310が形成されてもよい。遮光層310は、上部のカラーフィルタを通る光の混色を防止する機能を有する。遮光層310には、アルミニウム、タングステンなどの金属層を用いることができる。また、当該金属層と反射防止膜としての機能を有する誘電体膜を積層してもよい。
A
絶縁層300および遮光層310上には、平坦化膜として有機樹脂層320を設けることができる。また、画素別にカラーフィルタ330(カラーフィルタ330a、カラーフィルタ330b、カラーフィルタ330c)が形成される。例えば、カラーフィルタ330a、カラーフィルタ330bおよびカラーフィルタ330cに、R(赤)、G(緑)、B(青)、Y(黄)、C(シアン)、M(マゼンタ)などの色を割り当てることにより、カラー画像を得ることができる。
An
カラーフィルタ330上には、可視光に対して透光性を有する絶縁層360などを設けることができる。
An insulating
また、図16(B)に示すように、カラーフィルタ330の代わりに光学変換層350を用いてもよい。このような構成とすることで、様々な波長領域における画像が得られる撮像装置とすることができる。
In addition, as illustrated in FIG. 16B, an
例えば、光学変換層350に可視光線の波長以下の光を遮るフィルタを用いれば赤外線撮像装置とすることができる。また、光学変換層350に近赤外線の波長以下の光を遮るフィルタを用いれば遠赤外線撮像装置とすることができる。また、光学変換層350に可視光線の波長以上の光を遮るフィルタを用いれば紫外線撮像装置とすることができる。
For example, if a filter that blocks light having a wavelength shorter than or equal to that of visible light is used for the
また、光学変換層350にシンチレータを用いれば、X線撮像装置などに用いる、放射線の強弱を可視化した画像を得る撮像装置とすることができる。被写体を透過したX線等の放射線がシンチレータに入射されると、フォトルミネッセンス現象により可視光線や紫外光線などの光(蛍光)に変換される。そして、当該光を光電変換素子50で検知することにより画像データを取得する。また、放射線検出器などに当該構成の撮像装置を用いてもよい。
In addition, when a scintillator is used for the
シンチレータは、X線やガンマ線などの放射線が照射されると、そのエネルギーを吸収して可視光や紫外光を発する物質を含む。例えば、Gd2O2S:Tb、Gd2O2S:Pr、Gd2O2S:Eu、BaFCl:Eu、NaI、CsI、CaF2、BaF2、CeF3、LiF、LiI、ZnOなどを樹脂やセラミクスに分散させたものを用いることができる。 A scintillator contains a substance that emits visible light or ultraviolet light by absorbing energy when irradiated with radiation such as X-rays or gamma rays. For example, Gd 2 O 2 S: Tb, Gd 2 O 2 S: Pr, Gd 2 O 2 S: Eu, BaFCl: Eu, NaI, CsI, CaF 2 , BaF 2 , CeF 3 , LiF, LiI, ZnO, etc. What was disperse | distributed to resin or ceramics can be used.
なお、セレン系材料を用いた光電変換素子50においては、X線等の放射線を電荷に直接変換することができるため、シンチレータを不要とする構成とすることもできる。
Note that the
また、図16(C)に示すように、カラーフィルタ330a、カラーフィルタ330bおよびカラーフィルタ330c上にマイクロレンズアレイ340を設けてもよい。マイクロレンズアレイ340が有する個々のレンズを通る光が直下のカラーフィルタを通り、光電変換素子50に照射されるようになる。また、図16(B)に示す光学変換層350上にマイクロレンズアレイ340を設けてもよい。
Further, as illustrated in FIG. 16C, a
以下では、イメージセンサチップを収めたパッケージおよびカメラモジュールの一例について説明する。当該イメージセンサチップには、上記撮像装置の構成を用いることができる。 Hereinafter, an example of a package and a camera module containing an image sensor chip will be described. The configuration of the imaging device can be used for the image sensor chip.
図17(A1)は、イメージセンサチップを収めたパッケージの上面側の外観斜視図である。当該パッケージは、イメージセンサチップ450を固定するパッケージ基板410、カバーガラス420および両者を接着する接着剤430等を有する。
FIG. 17A1 is an external perspective view of the upper surface side of the package containing the image sensor chip. The package includes a
図17(A2)は、当該パッケージの下面側の外観斜視図である。パッケージの下面には、半田ボールをバンプ440としたBGA(Ball grid array)の構成を有する。なお、BGAに限らず、LGA(Land grid array)やPGA(Pin Grid Array)などであってもよい。 FIG. 17A2 is an external perspective view of the lower surface side of the package. The bottom surface of the package has a BGA (Ball Grid Array) configuration with solder balls as bumps 440. In addition, not only BGA but LGA (Land grid array), PGA (Pin Grid Array), etc. may be sufficient.
図17(A3)は、カバーガラス420および接着剤430の一部を省いて図示したパッケージの斜視図である。パッケージ基板410上には電極パッド460が形成され、電極パッド460およびバンプ440はスルーホールを介して電気的に接続されている。電極パッド460は、イメージセンサチップ450とワイヤ470によって電気的に接続されている。
FIG. 17A3 is a perspective view of the package shown with a part of the
また、図17(B1)は、イメージセンサチップをレンズ一体型のパッケージに収めたカメラモジュールの上面側の外観斜視図である。当該カメラモジュールは、イメージセンサチップ451を固定するパッケージ基板411、レンズカバー421、およびレンズ435等を有する。また、パッケージ基板411およびイメージセンサチップ451の間には撮像装置の駆動回路および信号変換回路などの機能を有するICチップ490も設けられており、SiP(System in package)としての構成を有している。
FIG. 17B1 is an external perspective view of the upper surface side of the camera module in which the image sensor chip is housed in a lens-integrated package. The camera module includes a
図17(B2)は、当該カメラモジュールの下面側の外観斜視図である。パッケージ基板411の下面および側面には、実装用のランド441が設けられるQFN(Quad flat no−lead package)の構成を有する。なお、当該構成は一例であり、QFP(Quad flat package)や前述したBGA等であってもよい。
FIG. 17B2 is an external perspective view of the lower surface side of the camera module. The
図17(B3)は、レンズカバー421およびレンズ435の一部を省いて図示したモジュールの斜視図である。ランド441は電極パッド461と電気的に接続され、電極パッド461はイメージセンサチップ451またはICチップ490とワイヤ471によって電気的に接続されている。
FIG. 17B3 is a perspective view of the module shown with a part of the
イメージセンサチップを上述したような形態のパッケージに収めることでプリント基板等への実装が容易になり、イメージセンサチップを様々な半導体装置、電子機器に組み込むことができる。 By mounting the image sensor chip in a package having the above-described form, mounting on a printed board or the like is facilitated, and the image sensor chip can be incorporated into various semiconductor devices and electronic devices.
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.
(実施の形態4)
本発明の一態様に係る撮像装置を用いることができる電子機器として、表示機器、パーソナルコンピュータ、記録媒体を備えた画像記憶装置または画像再生装置、携帯電話、携帯型を含むゲーム機、携帯データ端末、電子書籍端末、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のカメラ、ゴーグル型ディスプレイ(ヘッドマウントディスプレイ)、ナビゲーションシステム、音響再生装置(カーオーディオ、デジタルオーディオプレイヤー等)、複写機、ファクシミリ、プリンタ、プリンタ複合機、現金自動預け入れ払い機(ATM)、自動販売機などが挙げられる。これら電子機器の具体例を図18に示す。
(Embodiment 4)
Electronic devices that can use the imaging device according to one embodiment of the present invention include a display device, a personal computer, an image storage device or an image playback device including a recording medium, a mobile phone, a portable game machine, and a portable data terminal , Digital book terminals, video cameras, digital still cameras and other cameras, goggles-type displays (head-mounted displays), navigation systems, sound playback devices (car audio, digital audio players, etc.), copiers, facsimiles, printers, printer multifunction devices Automatic teller machines (ATMs), vending machines, and the like. Specific examples of these electronic devices are shown in FIGS.
図18(A)は監視カメラであり、筐体951、レンズ952、支持部953等を有する。当該監視カメラにおける画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。なお、監視カメラとは慣用的な名称であり、用途を限定するものではない。例えば監視カメラとしての機能を有する機器はカメラ、またはビデオカメラとも呼ばれる。
FIG. 18A illustrates a monitoring camera, which includes a
図18(B)はビデオカメラであり、第1筐体971、第2筐体972、表示部973、操作キー974、レンズ975、接続部976等を有する。操作キー974およびレンズ975は第1筐体971に設けられており、表示部973は第2筐体972に設けられている。当該ビデオカメラにおける画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
FIG. 18B illustrates a video camera, which includes a
図18(C)はデジタルカメラであり、筐体961、シャッターボタン962、マイク963、発光部967、レンズ965等を有する。当該デジタルカメラにおける画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
FIG. 18C illustrates a digital camera, which includes a
図18(D)は腕時計型の情報端末であり、筐体931、表示部932、リストバンド933、操作用のボタン935、竜頭936、カメラ939等を有する。表示部932はタッチパネルとなっていてもよい。当該情報端末における画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
FIG. 18D illustrates a wristwatch-type information terminal, which includes a
図18(E)携帯電話機の一例であり、筐体981、表示部982、操作ボタン983、外部接続ポート984、スピーカ985、マイク986、カメラ987等を有する。当該携帯電話機は、表示部982にタッチセンサを備える。電話を掛ける、或いは文字を入力するなどのあらゆる操作は、指やスタイラスなどで表示部982に触れることで行うことができる。当該携帯電話機における画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
FIG. 18E illustrates an example of a mobile phone, which includes a
図18(F)は携帯データ端末であり、筐体911、表示部912、カメラ919等を有する。表示部912が有するタッチパネル機能により情報の入出力を行うことができる。当該携帯データ端末における画像を取得するための部品の一つとして本発明の一態様の撮像装置を備えることができる。
FIG. 18F illustrates a portable data terminal, which includes a
本実施の形態は、他の実施の形態の記載と適宜組み合わせることができる。 This embodiment can be combined with any of the other embodiments as appropriate.
C11 容量素子
C21 容量素子
C22 容量素子
Tr11 トランジスタ
Tr12 トランジスタ
Tr21 トランジスタ
Tr22 トランジスタ
Tr23 トランジスタ
Tr24 トランジスタ
Tr25 トランジスタ
Tr26 トランジスタ
Tr27 トランジスタ
Tr28 トランジスタ
10 撮像装置
11 撮像部
12 制御部
13 演算部
14 画像処理部
15 温度センサ
16 記憶部
17 記憶部
18 インターフェイス
19 ニューラルネットワーク
20 外部機器
21 制御部
22 画像処理部
23 記憶部
24 ニューラルネットワーク
30 画像
31 輝点
31b 領域
32 輝点
32b 領域
35 画像
36 画像
37 画像
38 画像
39 画像
40a 入力情報
40b 入力情報
41 入力層
42 入力層
43 中間層
44 出力層
50 光電変換素子
51 トランジスタ
52 トランジスタ
53 トランジスタ
54 トランジスタ
56 電源
61 層
62 層
63 層
65 電極
66 光電変換部
66a 層
66b 層
67 電極
71 配線
72 配線
73 配線
75 配線
76 配線
77 配線
78 配線
79 配線
80 画素
81 画素アレイ
82 回路
83 回路
84 回路
85 回路
91 バックゲート
92 隔壁
93 絶縁層
100 半導体装置
110 記憶回路
120 参照用記憶回路
130 回路
140 回路
150 電流源回路
200 シリコン基板
201 シリコン基板
202 シリコン基板
210 半導体層
220 絶縁層
300 絶縁層
310 遮光層
320 有機樹脂層
330 カラーフィルタ
330a カラーフィルタ
330b カラーフィルタ
330c カラーフィルタ
340 マイクロレンズアレイ
350 光学変換層
360 絶縁層
410 パッケージ基板
411 パッケージ基板
420 カバーガラス
421 レンズカバー
430 接着剤
435 レンズ
440 バンプ
441 ランド
450 イメージセンサチップ
451 イメージセンサチップ
460 電極パッド
461 電極パッド
470 ワイヤ
471 ワイヤ
490 ICチップ
911 筐体
912 表示部
919 カメラ
931 筐体
932 表示部
933 リストバンド
935 ボタン
936 竜頭
939 カメラ
951 筐体
952 レンズ
953 支持部
961 筐体
962 シャッターボタン
963 マイク
965 レンズ
967 発光部
971 筐体
972 筐体
973 表示部
974 操作キー
975 レンズ
976 接続部
981 筐体
982 表示部
983 操作ボタン
984 外部接続ポート
985 スピーカ
986 マイク
987 カメラ
C11 capacitive element C21 capacitive element C22 capacitive element Tr11 transistor Tr12 transistor Tr21 transistor Tr22 transistor Tr23 transistor Tr24 transistor Tr25 transistor Tr26 transistor Tr27 transistor Tr28 transistor 10 imaging device 11 imaging unit 12 control unit 13 calculation unit 14 image processing unit 15 temperature sensor 16 storage Unit 17 Storage unit 18 Interface 19 Neural network 20 External device 21 Control unit 22 Image processing unit 23 Storage unit 24 Neural network 30 Image 31 Bright point 31b Region 32 Bright point 32b Region 35 Image 36 Image 37 Image 38 Image 39 Image 40a Input information 40b Input information 41 Input layer 42 Input layer 43 Intermediate layer 44 Output layer 50 Photoelectric conversion element 51 Transistor 5 2 Transistor 53 Transistor 54 Transistor 56 Power supply 61 Layer 62 Layer 63 Layer 65 Electrode 66 Photoelectric converter 66a Layer 66b Layer 67 Electrode 71 Wiring 72 Wiring 73 Wiring 75 Wiring 76 Wiring 77 Wiring 78 Wiring 79 Wiring 80 Pixel 81 Pixel array 82 Circuit 83 Circuit 84 Circuit 85 Circuit 91 Back gate 92 Bulkhead 93 Insulating layer 100 Semiconductor device 110 Memory circuit 120 Reference memory circuit 130 Circuit 140 Circuit 150 Current source circuit 200 Silicon substrate 201 Silicon substrate 202 Silicon substrate 210 Semiconductor layer 220 Insulating layer 300 Insulating layer 310 Light-shielding layer 320 Organic resin layer 330 Color filter 330a Color filter 330b Color filter 330c Color filter 340 Microlens array 350 Optical conversion layer 360 Insulating layer 410 Package Plate 411 Package substrate 420 Cover glass 421 Lens cover 430 Adhesive 435 Lens 440 Bump 441 Land 450 Image sensor chip 451 Image sensor chip 460 Electrode pad 461 Electrode pad 470 Wire 471 Wire 490 IC chip 911 Housing 912 Display unit 919 Camera 931 Housing Body 932 Display portion 933 Wristband 935 Button 936 Crown 939 Camera 951 Case 952 Lens 953 Support portion 961 Case 962 Shutter button 963 Microphone 965 Lens 967 Light emitting portion 971 Case 972 Case 973 Display portion 974 Operation key 975 Lens 976 Connection Unit 981 housing 982 display unit 983 operation button 984 external connection port 985 speaker 986 microphone 987 camera
Claims (7)
前記撮像部は、第1の画像データを取得する機能を有し、
前記制御部は、前記撮像部における露光時間を制御する機能を有し、
前記温度センサは、前記撮像部の温度を取得する機能を有し、
前記画像処理部は、ニューラルネットワークを有し、
前記ニューラルネットワークは、第2の画像データを生成する機能を有し、
前記画像処理部は、前記第1の画像データから前記第2の画像データを減算して、第3の画像データを生成する機能を有する撮像装置。 An imaging apparatus having an imaging unit, a control unit, a temperature sensor, and an image processing unit,
The imaging unit has a function of acquiring first image data,
The control unit has a function of controlling an exposure time in the imaging unit,
The temperature sensor has a function of acquiring the temperature of the imaging unit,
The image processing unit has a neural network,
The neural network has a function of generating second image data,
The image processing unit has a function of subtracting the second image data from the first image data to generate third image data.
前記ニューラルネットワークは、前記第1の画像データを取得したときの前記露光時間および前記温度を入力データとして前記第2の画像データを生成する機能を有する撮像装置。 In claim 1,
The neural network has a function of generating the second image data by using the exposure time and the temperature when the first image data is acquired as input data.
前記撮像装置は外部機器と接続するインターフェイスを有し、
前記ニューラルネットワークの重み係数は、前記外部機器から入力された値を用いる撮像装置。 In claim 1 or 2,
The imaging device has an interface for connecting to an external device,
An imaging apparatus using a value input from the external device as a weighting coefficient of the neural network.
前記撮像部は第4の画像データを取得する機能を有し、
前記画像処理部は、前記第4の画像データを取得したときの露光時間および前記撮像部の温度を入力データとし、前記第4の画像データを教師データとして前記ニューラルネットワークの重み係数を補正する機能を有する撮像装置。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The imaging unit has a function of acquiring fourth image data;
The image processing unit has a function of correcting the weighting coefficient of the neural network using the exposure time when the fourth image data is acquired and the temperature of the imaging unit as input data, and using the fourth image data as teacher data. An imaging apparatus having
前記ニューラルネットワークは、積和演算素子を有し、
前記積和演算素子は、第1のトランジスタと、第2のトランジスタと、容量素子と、を有する記憶回路を有し、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記第2のトランジスタのゲートと電気的に接続され、
前記第1のトランジスタのソースまたはドレインの一方は、前記容量素子と電気的に接続され、
前記第1のトランジスタは、チャネル形成領域に金属酸化物を有する撮像装置。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
The neural network has a product-sum operation element,
The product-sum operation element includes a memory circuit including a first transistor, a second transistor, and a capacitor.
One of a source and a drain of the first transistor is electrically connected to a gate of the second transistor;
One of a source and a drain of the first transistor is electrically connected to the capacitor;
The first transistor is an imaging device having a metal oxide in a channel formation region.
前記撮像部の画素は、
チャネル形成領域に金属酸化物を有する第3のトランジスタと、
セレンまたはセレン化合物を有する光電変換素子と、
を有する撮像装置。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
The pixels of the imaging unit are
A third transistor having a metal oxide in a channel formation region;
A photoelectric conversion element having selenium or a selenium compound;
An imaging apparatus having
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