DE60131036T2 - Ein NOT-Schaltkreis - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Punktkontakt-Array, das Folgendes umfaßt: mehrere Bauelemente, bei denen jeweils zwischen einander gegenüberliegenden Elektroden ein Punktkontakt ausgebildet oder getrennt wird, um den Leitwert zu steuern, einen NOT-Schaltkreis und eine elektronische Schaltung, die diesen benutzt, und insbesondere einen NOT-Schaltkreis, der ein elektronisches Bauelement (einen Atomschalter, der später noch erläutert wird) umfaßt, bei dem zwischen einander gegenüberliegenden Elektroden ein Punktkontakt ausgebildet oder getrennt wird, um den Leitwert zu steuern, und eine elektronische Schaltung, die diesen benutzt.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Als allgemeiner Stand der Technik [1] werden Verfahren für das Ausbilden eines Punktkontaktes zum Steuern des Leitwertes beispielsweise an folgender Stelle offenbart: J. K. Gimzewski und R. Moller: Phys. Rev. B36, S.1284, 1987, J. L. Costa-Kramer, N. Garcia, P. Garcia-Mochales, P. A. Serena, M. I. Marques und A. Corrcia: Phys. Rev. B55, S.5416, 1997, und H. Ohnishi, Y. Kondo und K. Takayanagi: Nature, Bd.395, S.780, 1998.
  • Bei jedem dieser Verfahren ist für das Ausbilden und Steuern der einzelnen Punktkontakte ein Piezo-Bauelement erforderlich. Anders ausgedrückt, wird eine mit dem Piezo-Bauelement ausgestattete Metallsonde bezüglich einer gegenüberliegenden Elektrode mit hoher Präzision positioniert, indem das Piezo-Bauelement angesteuert wird, wodurch ein Punktkontakt zwischen der Sonde und der gegenüberliegenden Elektrode entsteht. Der Zustand davon wird gesteuert.
  • Zusätzlich dazu wird als verwandte Technik [2] ein Verfahren für das Steuern des Leitwertes jedes Punktkontaktes, das organische Moleküle verwendet, von C. P. Collier et al. in Science, Bd. 285, S.391, 1999, offenbart.
  • Gemäß diesem Verfahren wird die Leitfähigkeit von Rotaxan-Molekülen, die mit einer Dicke von einem Molekül zwischen sich gegenüberliegenden Elektroden liegen, durch das Anlegen einer hohen Spannung zwischen den Elektroden geändert. Anders ausgedrückt, weisen die zwischen den Elektroden liegenden Rotaxan-Moleküle ursprünglich eine Leitfähigkeit auf. Wenn eine vorgegebene oder höhere Spannung mit einer bestimmten Polarität angelegt wird, werden die Moleküle oxidiert, um die Leitfähigkeit zu reduzieren, so daß die Elektroden voneinander isoliert sind.
  • [3] Bisher ist bekannt, daß eine UND-Schaltung und eine ODER-Schaltung mit Hilfe einer Diode gebildet werden können, die als Zweipol-Baustein dient.
  • Andererseits ist es ebenso bekannt, daß ein NOT-Schaltkreis nicht nur mit Hilfe der Diode gebildet werden kann. Anders ausgedrückt, kann der NOT-Schaltkreis nicht lediglich mit den konventionellen Zweipol-Bausteinen gebildet werden. Dementsprechend ist für das Bilden des NOT-Schaltkreises ein Transistor erforderlich, der als Dreipol-Baustein dient.
  • Alle Logikschaltungen können mit Hilfe der Kombination aus der UND-Schaltung, der ODER-Schaltung und dem NOT-Schaltkreis konstruiert werden. Anders ausgedrückt, ist eine Dreipol-Schaltung für das Bilden einer beliebigen Logikschaltung unverzichtbar. Diese Tatsache wird beispielsweise in „NYUMON ELECTRONICS KOHZA (Library of Introduction to Electronics) Digital Circuit", Bd.2, Seite 1 bis 7, Hrsg.: Nikkan Kogyo Shinbun Co., Ltd (I), ausführlich beschrieben.
  • Heutzutage werden neue, nanometergroße Bauelemente wie beispielsweise Molekülbauelemente entwickelt, da die Integration von Silizium-Bauelementen an ihre Grenzen stößt. So wird beispielsweise das Ergebnis des Experiments mit einem Transistor, der ein Kohlenstoff-Nanoröbrchen benutzt, in Nature, Bd.393, Seite 49 bis 50, 1998 (II), beschrieben.
  • Gemäß dem Verfahren der oben genannten verwandten Technik [1] benötigt jedoch ein Punktkontakt mindestens ein Piezo-Bauelement und eine komplizierte Steuerschaltung für das Ansteuern des Bauelements. Es ist sehr schwierig, diese Komponenten zu integrieren.
  • Gemäß dem Verfahren aus der oben genannten verwandten Technik [2] ist die Anwendung stark eingeschränkt, da Oxidmolekülle vorübergehend reduziert werden und die Leitfähigkeit nicht wiederhergestellt werden kann. Im Hinblick auf [3] stellt die oben genannte Dreipol-Schaltung des weiteren einen Faktor dar, der die Miniaturisierung verhindert.
  • Gemäß dem Verfahren des oben genannten Dokuments (II) wird beispielsweise eine Struktur wie ein Gate, das sich von dem Kohlenstoff-Nanoröhrchen unterscheidet, durch Anwenden eines bereits vorhandenen Herstellungsprozesses für ein Halbleiterbauelement gebildet. Dementsprechend unterscheidet sich die Größe des gesamten Transistors nicht so sehr von der des konventionellen Transistors. Anders ausgedrückt, befindet sich die Entwicklung von nanometergroßen Bauelementen immer noch im Stadium von Demonstrationen des Grundprinzips.
  • Ein Dokument aus dem Stand der Technik mit dem Titel „Quantum point contact switch realised by solid electrochemical reaction" von TERABE, K. et al. offenbart auf den Seiten 7 und 8 der RIKEN Review, Institute of Physical and Chemical Research, Wako, Japan, Nr.37, Juli 2001 (2001-07), XP-002287674, die Prinzipien der Bildung und Zerstörung eines Quantenpunktkontaktes, die durch eine elektrochemische Festkörperreaktion gesteuert wird.
  • Die vorliegende Erfindung soll einen verbesserten NOT-Schaltkreis zur Verfügung stellen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nach Anspruch 1 ein NOT-Schaltkreis bereitgestellt, der folgendes umfaßt: eine erste Elektrode, die aus einem zusammengesetzten leitfähigen Material mit Innenleitfähigkeit und Elektronenleitfähigkeit hergestellt ist, und eine zweite Elektrode, die aus einer leitfähigen Substanz hergestellt und von der ersten Elektrode beabstandet ist, wobei der Leitwert zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode durch das Ausbilden einer Brücke aus Metallatomen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gesteuert wird.
  • Bei dem zusammengesetzten leitfähigen Material handelt es sich vorzugsweise um Ag2S, Ag2Se, Cu2S oder Cu2Se.
  • Der NOT-Schaltkreis umfaßt praktischerweise einen Widerstand und einen Kondensator, von denen jeder als ein Zweipol-Baustein dient.
  • Der NOT-Schaltkreis umfaßt vorteilhafterweise zusätzlich zum Widerstand und zum Kondensator eine Diode.
  • Eine an die erste Elektrode und die zweite Elektrode anzulegende Spannung wird vorzugsweise durch den Kondensator gesteuert, um den Leitwert zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zu steuern.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Perspektivansicht, die ein Punktkontakt-Array zeigt, in dem mehrere Punktkontakte angeordnet sind.
  • 2 ist eine schematische Ansicht, die ein Punktkontakt-Array zeigt, das einen Mehrfachspeicher bildet.
  • 3 zeigt das Ergebnis des Lesens des Mehrfachspeichers gemäß einem ersten Beispiel.
  • 4 zeigt das Ergebnis einer Rechenoperation durch eine Addierschaltung, die ein Punktkontakt-Array gemäß einem zweiten Beispiel umfaßt.
  • 5 zeigt das Ergebnis einer Rechenoperation durch eine Subtrahierschaltung, die ein Punktkontakt-Array gemäß einem dritten Beispiel umfaßt.
  • 6 ist eine schematische Darstellung eines ODER-Gatters, das ein Punktkontakt-Array gemäß einem vierten Beispiel umfaßt.
  • 7 zeigt die Ergebnisse für den Betrieb eines ODER-Gatters, das ein Punktkontakt-Array gemäß dem vierten Beispiel umfaßt.
  • 8 ist ein äquivalenter Schaltplan einer Punktkontakt-Array-Logikschaltung gemäß dem vierten Beispiel.
  • 9 ist eine schematische Darstellung eines UND-Gatters, das ein Punktkontakt-Array gemäß einem fünften Beispiel umfaßt.
  • 10 zeigt die Ergebnisse für den Betrieb des UND-Gatters, das ein Punktkontakt-Array gemäß einem fünften Beispiel umfaßt.
  • 11 ist eine Ansicht, die ein Verfahren für das Ausbilden eines Punktkontakt-Arrays gemäß einem sechsten Beispiel zeigt.
  • 12 ist eine schematische Ansicht eines Punktkontakt-Arrays gemäß einem siebenten Beispiel, wobei das Punktkontakt-Array die Leitfähigkeit von Halbleitem steuert.
  • 13 ist eine schematische Ansicht eines Punktkontakt-Arrays gemäß einem achten Beispiel, wobei Elektroden des Punktkontakt-Arrays teilweise von einem zusammengesetzten Leiter bedeckt sind.
  • 14 ist ein Schaltbild für einen NOT-Schaltkreis gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 15 enthält grafische Darstellungen, die ein Arbeitsprinzip des NOT-Schaltkreises gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • 16 ist ein Schaltbild für einen NOT-Schaltkreis gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 17 enthält grafische Darstellungen, die ein Arbeitsprinzip des NOT-Schaltkreises gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • 18 ist ein Schaltbild für einen NOT-Schaltkreis gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 19 enthält grafische Darstellungen, die ein Arbeitsprinzip des NOT-Schaltkreises gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • 20 ist ein Schaltbild für einen NOT-Schaltkreis gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 21 ist ein Schaltbild für einen binären Halbaddierer (one-digit binary adder).
  • 22 ist ein Schaltplan, der logische Symbole des binären Halbaddierers zeigt.
  • 23 ist ein Schema, das eine Wahrheitstabelle für den binären Halbaddierer zeigt.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
  • 1 ist eine schematische Perspektivansicht, die ein Punktkontakt-Array zeigt, in dem mehrere Punktkontakte angeordnet sind.
  • Wie in 1 gezeigt ist, sind an den Stellen, wo sich ein Metalldraht (erste Elektrode) 2 und die Metalldrähte (zweite Elektroden) 3 und 4 kreuzen, Punktkontakte (Brücken) 6 und 7 ausgebildet, die jeweils bewegliche Ionen (Atome) 5 umfassen, wobei der Metalldraht 2 mit einem gemischten Elektronen-/Ionenleiter 1 bedeckt ist. Diese Komponenten sind auf einem isolierenden Substrat 8 angeordnet und werden dann mit Hilfe eines (nicht gezeigten) Isoliermaterials daran befestigt.
  • Wenn ein Halbleiter- oder ein Isoliermaterial zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet wird, lösen sich bewegliche Ionen in das Halbleiter- oder Isoliermaterial und ändern den Leitwert des Halbleiters.
  • Infolgedessen ändert sich der Leitwert zwischen den Elektroden. Das Ausmaß der Änderung hängt von der Menge der beweglichen Ionen ab, die in das Halbleiter- oder Isoliermaterial gelöst werden.
  • Zum Zwecke der Übersichtlichkeit zeigt 1 das Punktkontakt-Array, das den einen Metalldraht (erste Elektrode) 2, der von dem gemischten Elektronen-/Ionenleiter 1 bedeckt wird, und die zwei Metalldrähte (zweite Elektroden) 3 und 4 umfaßt. Die Anzahl der Punktkontakte erhält man durch Multiplizieren der Anzahl der Metalldrähte, die jeweils die Elektrode bilden. In diesem Fall ist dies 2 × 1, was heißt, daß zwei Punktkontakte gebildet werden. Wenn die Anzahl der Metalldrähte, die die erste und die zweite Elektrode bilden, erhöht wird, kann ein Punktkontakt-Array mit n × n Punktkontakten gebildet werden.
  • Zwischen der ersten Elektrode 2 und den zweiten Elektroden und 4 wird eine Spannung angelegt, was dazu führt, daß die Brücken 6 und 7, die Atomionen umfassen, gebildet werden oder verschwinden. Somit wird der Leitwert jedes zwischen den Elektroden gebildeten Punktkontaktes gesteuert. Insbesondere werden, wenn bezüglich der ersten Elektrode 2 eine geeignete negative Spannung an die zweiten Elektroden 3 und 4 angelegt wird, aufgrund der Wirkungen von Spannung und Strom bewegliche Ionen (Atome) in dem gemischten elektronen-/ionenleitenden Material abgeschieden, wodurch sich zwischen den Elektroden Brücken 6 und 7 bilden. Infolgedessen erhöht sich jeweils der Leitwert zwischen den Elektroden. Andererseits kehren die beweglichen Ionen (Atome), wenn eine geeignete positive Spannung an die zweiten Elektroden 3 und 4 angelegt wird, zu dem gemischten elektronen-/ionenleitenden Material zurück, wodurch die Brücken 6 und 7 verschwinden. Anders ausgedrückt heißt dies, es verringert sich der Leitwert.
  • Wie oben erwähnt, wird eine an jeden Metalldraht angelegte Spannung einzeln gesteuert, so daß eine Spannung, die an den Punktkontakt angelegt wird, der an jedem Kreuzungspunkt der ersten Elektrode 2 mit den zweiten Elektroden 3 und 4 entsteht, einzeln gesteuert werden kann. Anders ausgedrückt, kann der Leitwert des Punktkontakts an jedem Kreuzungspunkt einzeln gesteuert werden.
  • Auf diese Weise kann ein elektronisches Bauelement, wie beispielsweise ein Speicherbauelement oder ein Rechenbauelement, das ein Punktkontakt-Array umfaßt, und ein die elektronischen Bauelemente umfassender Stromkreis gebildet werden.
  • Es werden nun nachfolgend Beispiele beschrieben, die eine erste Elektrode, die ein gemischtes elektronen-/innenleitendes Material aus Ag2S und ein Ag, das eine Quelle für bewegliche Ag-Ionen ist, sowie Pt enthaltende zweite Elektroden benutzen. Es muß nicht extra erwähnt werden, daß mit anderen Materialien ähnliche Ergebnisse erzielt werden können.
  • Jede Brücke kann in ausreichendem Maße gebildet werden, wenn ungefähr zehn Ag-Atome vorliegen. Auf der Grundlage des Meßergebnisses und unter der Bedingung, daß eine Spannung 100 mV und der Ausgangswiderstand zwischen den Elektroden 100 kΩ beträgt, beläuft sich die Zeit, in der zehn Ag-Atome aus dem als gemischter Elektronen-/Innenleiter dienenden Ag2S gewonnen werden können, d.h. die Zeit, die für das Ausbilden einer Brücke erforderlich ist, schätzungsweise auf maximal einige zehn Nanosekunden. Ein für das Ausbilden der Brücke erforderlicher elektrischer Strom liegt in der Größenordnung von einigen Nanowatt, d. h. er ist sehr gering. Dementsprechend realisiert die Anwendung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Konstruktion eines Hochgeschwindigkeits-Bauelements mit einem geringen Stromverbrauch.
  • Es wird nun ein erstes Beispiel beschrieben.
  • 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Punktkontakt-Arrays, das bei einem Mehrfachspeicherbauelement angewendet wird.
  • Zum Zwecke der Übersichtlichkeit wird eine Probe mit zwei Punktkontakten auf ähnliche Weise wie in 1 benutzt. In diesem Fall wird Ag2S als gemischtes elektronen-/innenleitendes Material 11 benutzt, das als erste Elektrode fungiert, und ein Ag-Draht wird als Metalldraht 10 verwendet. Für die Metalldrähte 13 und 14 werden Pt-Drähte verwendet, die jeweils als zweite Elektrode fungieren. Die erste Elektrode wird auf Masse gelegt, und die Spannungen V1 und V2 werden einzeln an die zweiten Elektroden 13 beziehungsweise 14 angelegt. Wenn negative Spannungen für V1 und V2 verwendet werden, werden Ag-Atome 12 aus dem gemischten elektronen-/innenleitenden Material 11 abgeschieden und die Brücken 15 und 16 gebildet. Wenn positive Spannungen für V1 und V2 verwendet werden, kehren die Ag-Atome 12 in den Brücken 15 und 16 in das gemischte elektronen-/ionenleitende Material 11 zurück, wodurch die Brücken 15 und 16 verschwinden Die japanische Patentanmeldung Nr. 2000-265344 von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung beantragt den genauen Mechanismus.
  • Die Verwendung mehrerer Punktkontakte realisiert eine neue Funktion, die nachfolgend beschrieben wird.
  • Gemäß dem vorliegenden Beispiel werden Impulsspannungen angelegt, um den Leitwert der einzelnen Punktkontakte zu steuern. Anders ausgedrückt, wird für 5 ms eine Spannung von 50 mV angelegt, um den Leitwert zu erhöhen. Um den Leitwert zu reduzieren, wird für 5 ms eine Spannung von –50 mV angelegt. Somit wird der Wechsel beim quantisierten Leitwert jedes Punktkontaktes realisiert. Anders ausgedrückt, entspricht der Wechsel der Schreiboperation des Speichers.
  • Um einen Aufnahmezustand auszulesen, werden V1 und V2 auf 10 mV eingestellt, so daß der aufgenommene Leitwert durch die Leseoperation nicht geändert wird. In dieser Situation wird der Strom I1 und I2 gemessen, der durch die Metalldrähte 13 und 14 fließt, welche jeweils als zweite Elektrode des Punktkontaktes dienen. 3 zeigt das Ergebnis.
  • In 3 wird I1 mit einer dünnen durchgezogenen Linie und I2 mit einer dicken durchgezogenen Linie gezeigt. Der Punktkontakt 15 oder 16 wird jede Sekunde der Schreiboperation unterzogen. Der Aufnahmezustand wird nach jeder Schreiboperation ausgelesen. Die linke Koordinatenachse zeigt einen tatsächlich gemessenen Strom an. Die rechte Koordinatenachse zeigt einen diesem entsprechenden quantisierten Leitwert an. Den Leitwert erhält man über das Dividieren des gemessenen Stroms durch die angelegte Spannung (10 mV).
  • Aus der grafischen Darstellung geht hervor, daß der Leitwert jedes Punktkontaktes quantisiert wird. Mit anderen Worten: Wenn angenommen wird, daß N1 die Quantenzahl des quantisierten Leitwertes eines ersten Punktkontaktes bezeichnet, der als Brücke 15 dient, und N2 die Quantenzahl des quantisierten Leitwertes eines zweiten Punktkontaktes, der als Brücke 16 dient, und zwar N1 = 0 bis 3 und N2 = 0 bis 3, dann werden insgesamt 16 Aufnahmezustände realisiert.
  • Es werden vier quantisierte Zustände von N = 0 bis 3 verwendet. Wenn ein Zustand mit einer höheren Quantenzahl verwendet wird, lässt sich die Aufnahmedichte erhöhen. Es muß nicht extra erwähnt werden, daß die Aufnahmedichte auch durch eine höhere Anzahl von Punktkontakten erhöht werden kann.
  • Es wird nun ein zweites Beispiel beschrieben.
  • Zunächst wird ein Beispiel beschrieben, bei dem eine Addierschaltung mit der im ersten Beispiel gezeigten Konfiguration realisiert wird.
  • Eingangswerte bezeichnen die Quantenzahlen N1 und N2 des quantisierten Leitwertes der Punktkontakte, die als Brücken 15 und 16 dienen. Die Eingabeoperation erfolgt durch das Steuern der Spannungen V1 und V2, so daß N1 und N2 jeweils auf einen Sollwert eingestellt werden. V1 und V2 werden auf eine Lesespannung eingestellt (beispielsweise 10 mV), und ein von der ersten Elektrode 10 aus zu einem Erdpotential fließender Strom Iout wird gemessen, wodurch man das Ergebnis einer Rechenoperation erhält.
  • 4 zeigt das Ergebnis der Rechenoperation gemäß dem zweiten Beispiel. Unter einer grafischen Darstellung sind die eingegebenen Werte N1 und N2 und der Meßwert Nout so gezeigt, daß sie mit der Abszissenachse der grafischen Darstellung übereinstimmen. Es wird festgestellt, daß der entstehende Strom Iout einen quantisierten Leitwert besitzt, der (N1 + N2) entspricht. Anders ausgedrückt heißt dies, daß die Addition korrekt durchgeführt worden ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden 16 Additionsergebnisse, die N1 = 0 bis 3 und N2 = 0 bis 3 entsprechen, auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform gezeigt. Es können auch höhere Quantenzahlen verwendet werden. Für die verwendete Anzahl der Punktkontakte, d.h. die Anzahl der Eingangswerte, können auch drei oder mehrere Eingangswerte verwendet werden.
  • Es wird nun ein drittes Beispiel beschrieben.
  • Die beim ersten Beispiel gezeigte Konfiguration kann auch bei einer Substrahierschaltung angewendet werden. Eingangswerte werden durch das gleiche Verfahren gesteuert wie beim zweiten Beispiel. Nach der Subtraktion können Spannungen mit dem gleichen Absolutbetrag, deren Polaritäten einander entgegengesetzt sind, als V1 und V2 verwendet werden. Wenn beispielsweise V1 auf 10 mV und V2 auf –10 mV eingestellt ist, fließt der Strom Iout, der einem quantisierten Leitwert entspricht, der (N1 – N2) entspricht, von der ersten Elektrode zum Erdpotential. Zu diesem Zeitpunkt zeigt das Ergebnis der Rechenoperation, wenn der Strom in der Richtung von der ersten Elektrode zum Erdpotential fließt, einen positiven Wert an. Wenn der Strom in der Richtung vom Erdpotential zur ersten Elektrode fließt, zeigt das Ergebnis der Rechenoperation einen negativen Wert an.
  • 5 zeigt das Ergebnis der Rechenoperation gemäß dem dritten Beispiel.
  • Die Rechenoperation (Nl – N2) wird ordnungsgemäß durchgeführt. Des weiteren kann jeweils eine Rechenoperation (N1 + N2 – N3) durchgeführt werden, wenn drei oder mehrere Punktkontakte verwendet werden. In diesem Fall kann die Rechenoperation durchgeführt werden, wenn beispielsweise V1 und V2 auf 10 mV und V3 auf –10 mV eingestellt werden.
  • Es wird nun ein viertes Beispiel beschrieben.
  • Gemäß dem vorliegenden Beispiel wird mit Hilfe der Punktkontakte eine Logikschaltung konstruiert. Für die Konfiguration der Logikschaltung wird im Gegensatz zum ersten bis dritten Beispiel der Wechsel beim quantisierten Leitwert jedes Punktkontaktes nicht verwendet. Anders ausgedrückt, wird der Punktkontakt als Ein-Aus-Schaltvorrichtung verwendet. In der Regel ist ein Widerstand im eingeschalteten Zustand gleich oder geringer als 1 kΩ und ein Widerstand im ausgeschalteten Zustand gleich oder größer als 100 kΩ.
  • 6 ist eine schematische Darstellung eines ODER-Gatters, das unter Verwendung der Punktkontakte gebildet wird.
  • Die Ag-Drähte 21 und 22 sind mit Ag2S 23 beziehungsweise 24 beschichtet und bilden somit erste Elektroden. Die Ag-Brücken 25 und 26, die auf dem Ag2S 23 und 24 ausgebildet sind, liegen einer Pt-Elektrode 20 gegenüber, die als zweite Elektrode dient, und bilden somit Punktkontakte. Ein Ende der Pt-Elektrode 20 ist über einen Widerstand 27 (beim vorliegenden Beispiel 10 kΩ) mit einer Referenzspannung Vs verbunden, und das andere Ende dient als Ausgangsanschluß, der eine Ausgangsspannung Vout erzeugt. Die Eingangsspannungen V1 und V2 werden an die Ag-Drähte 21 und 22 angelegt und führen zur Bildung oder dem Verschwinden der Brücken 25 und 26. Somit fungiert jeder Punktkontakt als Ein-Aus-Schaltvorrichtung.
  • 7 zeigt die Ergebnisse der Operation. Gemäß dem vorliegenden Beispiel werden die Eingangswerte, und zwar V1 und V2, jede Sekunde geändert, um den Ausgangswert Vout zu messen.
  • Bei einem ODER-Gatter mit zwei Eingangsanschlüssen muß bei niedrigen und hohen binären Eingangswerten, wenn ein Eingangswert einen hohen Pegel anzeigt, ein Ausgangswert auf einen hohen Pegel gehen.
  • Das ODER-Gatter wird mit 0 V (das Referenzpotential VS besitzt den gleichen Wert) als niedrigem Eingangswert und 200 mV als hohem Eingangswert betrieben. 7(a) zeigt das Ergebnis für diesen Fall.
  • Wenn einer der beiden Eingangswerte V1 und V2 200 mV beträgt, zeigt der Ausgangswert Vout im Wesentlichen 200 mV an. Der normale Betrieb ist in der grafischen Darstellung zu sehen. Wenn eine hohe Spannung auf 500 mV erhöht wird, wird ein ähnliches Ergebnis (7(b)) erzielt.
  • 8 ist ein äquivalenter Schaltplan der vorliegenden Logikschaltung.
  • Die Referenzspannung Vs und die Eingangsspannungen V1 und V2 verursachen die Bildung oder das Verschwinden der Brücken 25 und 26 (6), was zu einer Änderung des Widerstandes der beiden Widerstände R1 und R2 führt (Widerstände der Punktkontakte, die von den Brücken gebildet werden). Es gibt zwar einen geringen Widerstand R12 (ungefähr ein paar Ohm bis mehrere zehn Ohm) zwischen zwei Punktkontakten an der Elektrode 20 (6), der Widerstand ist jedoch im Vergleich zu R0 (10 kΩ) und R1 sowie R2 (1 kΩ bis 1 MΩ) unbedeutend.
  • Zunächst zeigen alle drei mit dem System verbundenen Spannungen 0 V an, wenn sowohl V1 als auch V2 0 V beträgt. Daher zeigt der Ausgangswert Vout zwangsläufig 0 V an. Danach wachst die Brücke 25 (6), wenn V1 0 V und V2 200 mV (500 mV) beträgt, und der Widerstand des Widerstandes R2 verringert sich. Der Widerstand ist in der Regel gleich oder geringer als 1 kΩ.
  • Folglich zeigt V2' ungefähr 200 mV (500 mV) an, da der Widerstand von R2 eine oder mehrere Größenordnungen kleiner ist als der von R0. Zu diesem Zeitpunkt wird, da V1' ebenfalls ungefähr 200 mV (500 mV) anzeigt, eine Spannung, durch die eine Brücke verschwindet, an die Brücke 26 angelegt (6), so daß R1 einen großen Wert von 1 MΩ oder mehr anzeigt. Folglich sind R0, R1 >> R2, wenn V1 0V beträgt. Dementsprechend zeigt V1' ungefähr 200 mV (500 mV) an, was zu V2' gleichwertig ist. Somit zeigt der Ausgangswert 200 mV (500 mV) an. Genauer ausgedrückt, erfolgt das Wachstum der Brücke 25 und die Trennung der Brücke 26 gleichzeitig, wodurch das oben beschriebene Ergebnis entsteht.
  • Wenn V1 200 mV (500 mV) und V2 0 V beträgt, kann für diesen Fall die gleiche Erklärung angewendet werden. Wenn sowohl V1 als auch V2 200 mV (500 mV) beträgt, wachsen beide Brücken 25 und 26. Folglich wird die Spannung V1 und V2, und zwar 200 mV (500 mV), erzeugt.
  • Es wird nun ein fünftes Beispiel beschrieben.
  • Gemäß dem vorliegenden Beispiel wird unter Bezugnahme auf 9 die Konfiguration eines UND-Gatters beschrieben.
  • Gemäß dem vorliegenden Beispiel ist ein Ende eines Ag-Drahtes 30, der mit einer dünnen Ag2S-Schicht 31 bedeckt ist, über einen Widerstand 37 mit einer Referenzspannung Vs verbunden. Bei dem anderen Ende handelt es sich um einen Ausgangsanschluß. Die durch das Abscheiden von als bewegliche Ionen dienenden Ag-Atomen gebildeten Brücken 33 und 34 werden so ausgebildet, daß sie zwei Pt-Elektroden 35 beziehungsweise 36 gegenüberliegen. Die Eingangsspannungen V1 und V2 werden an die beiden Pt-Elektroden 35 und 36 angelegt. In 9 bezeichnet die Bezugszahl 32 ein Ag-Ion in der dünnen Ag2S-Schicht 31.
  • 10 zeigt die Ergebnisse der Rechenoperation des UND-Gatters. Bei dem UND-Gatter mit zwei Eingangsanschlüssen geht ein Ausgangswert Vout auf einen hohen Pegel über, wenn sich beide Eingangsanschlüsse auf einem hohen Pegel befinden.
  • 10(a) zeigt das Ergebnis der Operation unter der Bedingung, daß der hohe Pegel auf 200 mV eingestellt ist. In diesem Fall ist eine Referenzspannung ebenfalls auf 200 mV eingestellt.
  • 10(b) zeigt das Ergebnis der Operation unter der Bedingung, daß der hohe Pegel auf 500 mV eingestellt ist. In diesem Fall beträgt die Referenzspannung 500 mV.
  • In 10 gibt der Ausgangswert Vout, wenn der hohe Pegel auf 200 mV eingestellt ist, V1 0 V und V2 200 mV beträgt, einen Teilwert an (ungeführ 50 mV). In den anderen Fällen zeigt der Ausgangswert jedoch 0 V als niedrigen Pegel oder 200 mV als hohen Pegel an. Wenn der hohe Pegel auf 500 mV eingestellt ist, erfolgt bei allen Eingangswertemustern der normale Betrieb. Beim Betrieb mit 200 mV tritt kein Problem auf, wenn eine kritische Spannung zum Bestimmen niedriger/hoher Pegel auf 100 mV eingestellt ist. Der Grund dafür wird nachfolgend beschrieben.
  • Das Arbeitsprinzip des UND-Gatters wird unter Bezugnahme auf 8 nochmals beschrieben. Gemäß dem vorliegenden Beispiel befindet sich die Referenzspannung Vs auf dem hohen Pegel (200 oder 500 mV). Wenn sowohl V1 als auch V2 0 V beträgt, wachsen zunächst beide Brücken 33 und 34 (9). Somit ist der Widerstand der Widerstände R1 und R2 in der Regel gleich oder geringer als 1 kΩ. Anders ausgedrückt, sind die Eingangsspannungen auf dem niedrigen Pegel mit dem Ausgangsanschluß über Widerstände verbunden, die eine oder mehrere Größenordnungen kleiner sind als der Widerstand R0 (10 kΩ). Dementsprechend zeigt der Ausgangswert Vout 0 V an. Wenn V1 0 V und V2 200 mV (500 mV) beträgt, wachst danach lediglich die Brücke 33 (9).
  • Andererseits ist die Spannung V2' bei der Brücke 34 aufgrund der Spannung V1 kleiner als 200 mV (500 mV). Anders ausgedrückt, wird eine Spannung mit einer Polarität, durch die die Brücke verschwinden kann, an die Brücke 34 angelegt, wodurch die Brücke 34 verschwindet. Der Widerstand von R2 wird auf ungefähr 1 MΩ erhöht. In diesem Fall verschwindet die Brücke nicht ausreichend, wenn eine Potentialdifferenz zwischen V2' und V2 gering ist. Daher wird der Widerstand von R2 nicht ausreichend erhöht. Dementsprechend kann der oben genannte Teil-Ausgangswert erzeugt werden. Wenn jedoch eine hohe Spannung auf 500 mV eingestellt ist, wird die Potentialdifferenz zwischen V2' und V2 ausreichend erhöht. Somit läßt sich ein völlig normaler Betrieb realisieren.
  • Die gleiche Beschreibung trifft in dem Fall zu, wenn V1 200 mV (500 mV) und V2 0 V beträgt. Da sich die Eigenschaften der Brücken 33 und 34, die jeweils den Punktkontakt bilden, ein wenig voneinander unterscheiden, erhält man einen normalen Ausgangswert, wenn eine Betriebsspannung 200 mV beträgt. Und schließlich kommt es nicht zu einer Bildung oder einem Verschwinden der Brücken 33 und 34, wenn sowohl V1 als auch V2 200 mV (500 mV) beträgt. Da alle Spannungen 200 mV (500 mV) betragen, gibt eine Ausgangsspannung auch 200 mV (500 mV) an.
  • Es sind die Logikschaltungen beschrieben worden, die die Punktkontakte benutzen. Es sind die Logikschaltungen mit zwei Anschlüssen gemäß den oben angeführten Ausführungsformen erläutert worden. Wenn drei oder mehr Punktkontakte verwendet werden, kann auf der Grundlage des oben genannten Arbeitsprinzips eine Logikschaltung mit drei oder mehr Eingangsanschlüssen ausgebildet werden.
  • Es wird nun ein sechstes Beispiel beschrieben.
  • Es wird ein Verfahren für das Ausbilden eines Punktkontakt-Arrays beschrieben.
  • 11 ist eine schematische Darstellung, die das Verfahren für das Ausbilden eines Punktkontakt-Arrays gemäß dem sechsten Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Wie in 11 gezeigt ist, werden die Ag-Drähte 41 und 42 auf einem isolierenden Substrat 40 ausgebildet. Die Oberflächen der Ag-Drähte werden mit Schwefel behandelt, damit sich die Ag2S-Schichten 43 und 44 bilden. Darauf werden die Pt-Drähte 45 und 46 angeordnet. Somit ist ein wesentlicher Teil des Punktkontakt-Arrays fertiggestellt. Es ist wichtig, daß die Ag-Atome umfassenden Brücken 47 und 48 an den Kreuzungspunkten der Ag-Drähte 41 und 42 mit den Pt-Drähten 45 und 46 ausgebildet werden, wobei die Ag-Drähte 41 und 42 mit den Ag2S-Schichten 43 beziehungsweise 44 bedeckt sind.
  • Wenn die Pt-Drähte 45 und 46 angeordnet worden sind, wird daher eine Spannung zwischen ihnen und den Ag-Drähten 41 und 42 angelegt, um Ag auf der Ag2S-Schicht 43 und 44 abzuscheiden, was zur Ausbildung der Brücken 47 und 48 fürt. Folglich lassen sich Ausführungsformen der Erfindung realisieren, wenn die Pt-Drähte 45 und 46 beispielsweise mit Hilfe eines Leitungs- bzw. Verdichtungssystems oder dergleichen angeordnet werden.
  • Die Brücke kann im Vorhinein an jedem Kreuzungspunkt durch Verdampfen von Ag durch eine Maske ausgebildet werden. Alternativ dazu kann jeder mit der Ag2S-Schicht beschichtete Ag-Draht mit Elektronenstrahlen bestrahlt werden, um Ag-Atome abzuscheiden. Es ist wichtig, daß zwischen dem Ag2S, das als erste Elektrode dient, und dem Pt, das als zweite Elektrode dient, Ag vorliegt.
  • Des weiteren können Pt-Drähte auf einem anderen Substrat im Vorhinein ausgebildet und dann an das Substrat mit den mit den Ag2S-Schichten bedeckten Ag-Drähten geklebt werden.
  • Es wird nun ein siebentes Beispiel beschrieben.
  • Es wird ein Verfahren für das Ausbilden eines weiteren Punktkontakt-Arrays und dessen Aufbau beschrieben.
  • 12 ist eine schematische Ansicht eines Punktkontakt-Arrays gemäß dem siebenten Beispiel, wobei das Punktkontakt-Array die Leitfähigkeit jedes Halbleiters steuert.
  • In 12 sind die Ag-Drähte 51 und 52, die mit den Ag2S-Schichten 53 beziehungsweise 54 bedeckt sind, auf einem isolierenden Substrat 50 ausgebildet. Des weiteren sind die Halbleiter oder Isolatoren 57, 58, 59 und 60, die Ag-Atome lösen können, lediglich an den Kreuzungspunkten der Ag-Drähte 51 und 52 mit den Pt-Drähten 55 und 56 ausgebildet. In
  • 12 ist ein Isoliermaterial, das diese Komponenten bedeckt, nicht gezeigt. Alle in der schematischen Darstellung gezeigten Komponenten sind in ein Bauelement eingebettet.
  • In diesem Fall bewegen sich gemäß dem gleichen Prinzip wie dem oben beschriebenen Ag-Ionen aus den Ag2S-Schichten 53 und 54. Die beweglichen Ag-Ionen werden in die Halbleiter oder Isolatoren 57, 58, 59 und 60 gelöst und ändern die Leitfähigkeit jedes Halbleiters oder Isolators. Somit lassen sich ähnliche Wirkungen wie bei den oben genannten Ausführungsformen realisieren. In diesem Fall können diese Komponenten ohne weiteres in ein Isolierelement eingebettet werden, da bei dem Bauelement kein Zwischenraum benötigt wird, in dem die Brücken gebildet werden oder verschwinden können.
  • Wenn dünne Ag-Schichten im Vorhinein an der Stelle der Halbleiter oder Isolatoren ausgebildet worden sind, erhält man den gleichen Aufbau wie beim sechsten Beispiel. In diesem Fall treten in den dünnen Ag-Schichten enthaltene Ag-Atome in die Ag2S-Schichten ein, was zum Verschwinden der dünnen Schicht führt.
  • Kristalle oder amorphe Materialien aus GeSx, GeSex, GeTex oder WOx (0 < x < 100) werden als Halbleiter oder Isolatoren verwendet, die die Ag-Ionen lösen können.
  • Es wird nun ein achtes Beispiel beschrieben.
  • 13 zeigt ein Beispiel, bei dem ein Teil jedes Metalldrahtes, der als erste Elektrode dient, mit einem gemischten Elektronen-/Ionenleiter bedeckt ist. Gemäß dem vorliegenden Beispiel ist es ausreichend, wenn man an den Kreuzungspunkten des Metalldrahtes, der als erste Elektrode dient, mit den Metalldrähten, die jeweils als zweite Elektrode dienen, Punktkontakte bildet, die jeweils ein Metall, das als erste Elektrode dient, einen gemischten Elektronen-/Ionenleiter, eine Brücke oder einen Halbleiter und ein Metall umfassen, das als zweite Elektrode dient.
  • Wie in 13 gezeigt ist, kann somit ein Punktkontakt (eine Brücke) 75 zwischen dem gemischten Elektronen-/Ionenleiter 73 und dem Metalldraht 71 und ein Punktkontakt (eine Brücke) 76 zwischen dem gemischten Elektronen-/Ionenleiter 74 und dem Metalldraht 72 gebildet werden, wenn nur in der Nähe der Kreuzungspunkte eines Metalldrahtes 70, der als erste Elektrode dient, mit den Metalldrähten 71 und 72, die jeweils als zweite Elektrode dienen, gemischte Elektronen-/Ionenleiter 73 und 74 gebildet werden.
  • Des weiteren kann sich bei dem Metall, das als erste Elektrode dient, jeder Teil, der den gemischten Elektronen-/Ionenleiter berührt, von einem Material des Drahtes zwischen den Punktkontakten unterscheiden. Gemäß dem vorliegenden Beispiel werden beispielsweise die Ag-Drähte 79 und 80 als Teile verwendet, die die gemischten Elektronen-/Ionenleiter (Ag2S) 77 beziehungsweise 78 berühren. Als die anderen Teile 81 bis 83 werden Wolframdrähte verwendet. Bei dem Material jedes Teils, der den gemischten Elektronen-/Ionenleiter berühren soll, ist es notwendig, daß jeder Teil das gleiche Element umfaßt wie die beweglichen Ionen in dem gemischten Elektronen-/Ionenleiter. Gemäß dem vorliegenden Beispiel wird daher, da Ag2S als gemischter Elektronen-/Ionenleiter verwendet wird, Ag als Material für den Teil benutzt, der diesen berührt.
  • Es werden nun nachfolgend ein NOT-Schaltkreis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eine elektronische Schaltung, die diesen benutzt, ausführlich beschrieben.
  • 14 ist ein Schaltbild für einen NOT-Schaltkreis gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in dem Schaltbild gezeigt ist, wird eine erste Elektrode 102, die als gemischter Elektronen-/Ionenleiter dient, auf einer leitfähigen Substanz 101 ausgebildet. Eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Elektrode 102 und einer zweiten Elektrode 103 wird gesteuert, wodurch auf eine solche Weise gesteuert wird, daß bewegliche Ionen (Atome) 104 in dem gemischten Elektronen-/Ionenleiter als Metallatome auf der Oberfläche der ersten Elektrode 102 abgeschieden werden, alternativ dazu werden die abgeschiedenen Metallatome als bewegliche Ionen (Atome) in die erste Elektrode 102 gelöst. Anders ausgedrückt, werden, wenn bezüglich der ersten Elektrode 102 eine geeignete negative Spannung an die zweite Elektrode 103 angelegt wird, aufgrund der Wirkung von Spannung und Strom die beweglichen Ionen (Atome) 104 in dem gemischten elektronen-/ionenleitenden Material abgeschieden, wodurch sich zwischen den Elektroden 102 und 103 eine Brücke 105 bildet. Folglich verringert sich der Widerstand zwischen den Elektroden 102 und 103.
  • Im Gegensatz dazu werden die beweglichen Ionen (Atome) 104, wenn eine geeignete positive Spannung an die zweite Elektrode 103 angelegt wird, in das gemischte elektronen-/ionenleitende Material gelöst, wodurch die Brücke 105 verschwindet. Anders ausgedrückt, erhöht sich der Widerstand. Ein solcher Zweipol-Baustein wird nachfolgend als „Atomschalter" bezeichnet. Die japanische Patentanmeldung Nr. 2000-265344 von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung schlägt dessen genaues Arbeitsprinzip vor.
  • Eine Spannung VH/2, die einem hohen Ausgangswert entspricht, wird über einen Widerstand 106 (Widerstand R1) an die zweite Elektrode 103 des Atomschalters angelegt. Ein Eingangsanschluß Vin ist über einen Kondensator 108 (Kapazität C1) mit der zweiten Elektrode 103 verbunden. Andererseits wird eine Spannung VL, die einem niedrigen Ausgangswert entspricht, über einen Widerstand 107 (Widerstand R2) an die leitfähige Substanz 101 angelegt, die als erste Elektrode 102 des Atomschalters fungiert. Ein Ausgangsanschluß Vout ist mit der leitfähigen Substanz 101 verbunden.
  • Es wird davon ausgegangen, daß R(ON) einen Widerstand des Atomschalters im eingeschalteten Zustand und R(OFF) einen Widerstand des Atomschalters im ausgeschalteten Zustand bezeichnet. Es werden die Widerstände und der Atomschalter benutzt, die der folgenden Beziehung genügen. R(OFF) >> R2 >> R(ON) ≈ R1
  • Für den Eingangswert Vin wird VH als hoher und VL als niedriger Eingangswert benutzt. Wenn der Eingangswert Vin bei VL liegt, zeigt der Ausgangswert Vout VH/2 an. Wenn der Eingangswert Vin bei VH liegt, zeigt der Ausgangswert Vout VL an. Anders ausgedrückt, geht der Ausgangswert auf einen niedrigen Pegel über, wenn sich der Eingangswert auf einem hohen Pegel befindet. Der Ausgangswert geht auf einen hohen Pegel über, wenn sich der Eingangswert auf einem niedrigen Pegel befindet. Somit fungiert der Atomschalter als NOT-Schaltkreis.
  • Es wird nun nachfolgend eine Ausführungsform beschrieben, die einen Atomschalter benutzt, bei dem auf Ag ausgebildetes Ag2S als erste Elektrode 102 und Pt als zweite Elektrode 103 verwendet wird. Es muß nicht extra erwähnt werden, daß ein NOT-Schaltkreis mit Hilfe eines Atomschalters gebildet werden kann, der einen anderen gemischten Elektronen-/Innenleiter aufweist (wie beispielsweise Ag2Se, Cu2S oder Cu2Se) und ein anderes Metall als Pt.
  • Wie oben erwähnt wurde, wird durch die Verwendung des Atomschalters, der als Zweipol-Baustein dient, der die erste Elektrode 102 aus einem gemischten elektronen-/ionenleitenden Material und die zweite Elektrode 103 aus einer leitfähigen Substanz umfaßt, ein NOT-Schaltkreis realisiert, der lediglich die Zweipol-Bausteine umfaßt.
  • Der Fall, in dem VH als hoher Eingangswert Vin und VL (0 V) als niedriger Eingangswert benutzt wird, wird hier nun als Beispiel verwendet, und das Arbeitsprinzip des in 14 gezeigten NOT-Schaltkreises wird nun unter Bezugnahme auf 15 ausfürlich beschrieben.
  • Wenn der Eingangswert Vin zum Zeitpunkt t1 von einem niedrigen Pegel (VL) auf einen hohen Pegel (VH) wechselt [siehe 15(a)], sammeln sich Ladungen Q = C1 × VH (C1 bezeichnet die Kapazität des Kondensators) in dem Kondensator 108 an. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich, wie in 15(b) gezeigt, aufgrund eines vorübergehend fließenden Stroms ein Potential Vin' der zweiten Elektrode 103 des Atomschalters. Anders ausgedrückt, ist das Potential der zweiten Elektrode 103 des Atomschalters vorübergehend höher als das der ersten Elektrode 102, so daß der Atomschalter in den ausgeschalteten Zustand (hoher Widerstand) wechselt [siehe 15(c)]. Somit ist R(OFF) >> R2. Der Ausgangswert Vout zeigt VL an [siehe 15(d)].
  • Da sich der Widerstand des Atomschalters erhöht, erhöht sich auch das Potential zwischen den Elektroden 102 und 103 des Atomschalters, wie dies in 15(e) gezeigt ist. Die Schaltzeit ts wird fast von der Kapazität C1 des Kondensators 108 und dem Widerstand R1 des Widerstandes 106 bestimmt. Wenn man beispielsweise annimmt, daß die Kapazität C1 des Kondensators 1 pF und der Widerstand R1 10 Ω beträgt, dann kann das Umschalten in der Größenordnung von mehreren Gigahertz erfolgen.
  • Andererseits werden die in dem Kondensator 108 angesammelten Ladungen entladen, wenn der Eingangswert Vin zum Zeitpunkt t2 von dem hohen Pegel (VH) zu dem niedrigen Pegel (VL) wechselt [siehe 15(a)]. Aufgrund eines vorübergehend fließenden Stroms ändert sich, wie in 15(b) gezeigt, das Potential Vin' der zweiten Elektrode 103 des Atomschalters. Anders ausgedrückt, ist das Potential der zweiten Elektrode 103 des Atomschalters vorübergehend wesentlich niedriger als das der ersten Elektrode 102, so daß der Atomschalter in den eingeschalteten Zustand (geringer Widerstand) wechselt [siehe 15(c)]. Folglich ist R2 >> R(ON). Der Ausgangswert Vout zeigt VH/2 an [siehe 15(d)].
  • 15(e) zeigt die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 102 und 103 des Atomschalters. Wenn der Eingangswert Vin auf dem niedrigen Pegel (VL) liegt, gibt die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 102 und 103 des Atomschalters ungefähr null an. Somit wird der eingeschaltete Zustand des Atomschalters stabil gehalten. Wenn der Eingangswert Vin andererseits auf dem hohen Pegel (VH) liegt, gibt die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 102 und 103 des Atomschalters VH/2 an. Dieser Wert gibt die Potentialdifferenz an, bei der sich der Atomschalter im ausgeschalteten Zustand befinden sollte. Somit wird der ausgeschaltete Zustand stabil gehalten. Anders ausgedrückt, arbeitet der NOT-Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung zuverlässig und stabil.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der Fall beschrieben, bei dem VH oder VL als Eingangswert und VH/2 oder VL als Ausgangswert verwendet werden. Bei dem in 14 gezeigten NOT-Schaltkreis kann gemäß dem Arbeitsprinzip des Atomschalters unter Einschränkungen, laut denen eine Potentialdifferenz zwischen Eingangswerten (bei der vorliegenden Ausführungsform VH – VL) stets größer sein muß als eine Potentialdifferenz zwischen Ausgangswerten (bei der vorliegenden Ausführungsform VH/2 – VL), die Potentialdifferenz zwischen Eingangswerten und die zwischen Ausgangswerten innerhalb der Grenzen frei eingestellt werden.
  • Bei der dritten und der vierten Ausführungsform wird ein Fall ausführlich beschrieben, bei dem die Potentialdifferenz zwischen den Eingangswerten gleich der zwischen den Ausgangswerten ist. Anders ausgedrückt, kann ein NOT-Schaltkreis gebildet werden, bei dem der Pegel eines Eingangswertes gleich dem eines Ausgangswertes ist.
  • 16 ist ein Schaltbild für einen NOT-Schaltkreis gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Es wird nunmehr ein NOT-Schaltkreis, der zwei Zweipol-Bausteine umfaßt, die anders angeordnet sind, als dies in 14 gezeigt ist, als weitere Ausführungsform beschrieben.
  • Bei den verwendeten Komponenten handelt es sich um genau die gleichen wie die gemäß der neunten Ausführungsform in 14 gezeigten. Anders ausgedrückt, wird eine erste Elektrode 112, die als gemischter Elektronen-/Ionenleiter (Ag2S) dient, auf Ag 111 ausgebildet, das als leitfähige Substanz dient. Bewegliche Ionen (Ag-Ionen) 114 in dem gemischten Elektronen-/Ionenleiter werden abgeschieden und bilden zwischen der ersten Elektrode 112 und einer zweiten Elektrode (Pt) 113 eine Brücke 115, die Ag-Atome umfaßt. Es wird ein Atomschalter mit dem oben genannten Aufbau verwendet.
  • Eine Spannung VH/2, die einem hohen Ausgangswert entspricht, wird über einen Widerstand 116 (Widerstand R3) an die zweite Elektrode (Pt) 113 des Atomschalters angelegt. Ein Ausgangsanschluß Vout ist mit der zweiten Elektrode 113 verbunden.
  • Andererseits wird eine Spannung VL, die einem niedrigen Ausgangswert entspricht, über einen Widerstand 117 (Widerstand R4) an die leitfähige Substanz (Ag) 111 angelegt, die die erste Elektrode 112 des Atomschalters bildet. Ein Eingangsanschluß Vin ist über einen Kondensator 118 (Kapazität C2) mit der ersten Elektrode 112 verbunden.
  • Es wird davon ausgegangen, daß R(ON) einen Widerstand des Atomschalters im eingeschalteten Zustand und R(OFF) einen Widerstand des Atomschalters im ausgeschalteten Zustand bezeichnet. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden die Widerstände und der Atomschalter benutzt, die der folgenden Beziehung genügen. R(OFF) >> R3 >> R(ON) ≈ R4
  • Es wird nun das Arbeitsprinzip des in 16 gezeigten NOT-Schaltkreises unter Bezugnahme auf 17 ausführlich beschrieben.
  • Wenn der Eingangswert Vin zum Zeitpunkt t1 von einem niedrigen Pegel (VL) auf einen hohen Pegel (VH) wechselt [siehe 17(a)], sammeln sich Ladungen Q = C2 × VH (C2 bezeichnet eine Kapazität des Kondensators) in dem Kondensator 118 an. Zu diesem Zeitpunkt ändert sich, wie in 17(b) gezeigt, aufgrund eines vorübergehend fließenden Stroms ein Potential Vin' der ersten Elektrode 112 des Atomschalters. Anders ausgedrückt, ist das Potential der ersten Elektrode 112 des Atomschalters vorübergehend wesentlich höher als das der zweiten Elektrode 113, so daß der Atomschalter in den eingeschalteten Zustand (geringer Widerstand) wechselt [siehe 17(c)].
  • Somit ist R3 >> R(ON). Der Ausgangswert Vout zeigt VL an [siehe 17(d)]. Die Schaltzeit ts wird fast von der Kapazität C2 des Kondensators 118 und dem Widerstand R4 des Widerstandes 117 bestimmt. Wenn man beispielsweise annimmt, daß die Kapazität C2 des Kondensators 1 pF und der Widerstand R4 10 Ω beträgt, dann kann das Umschalten in der Größenordnung von mehreren Gigahertz erfolgen.
  • Andererseits werden die in dem Kondensator 118 angesammelten Ladungen entladen, wenn der Eingangswert Vin zum Zeitpunkt t2 von dem hohen Pegel (VH) zu dem niedrigen Pegel (VL) wechselt [siehe 17(a)]. Aufgrund eines vorübergehend fließenden Stroms ändert sich, wie in 17(b) gezeigt, das Potential Vin'der ersten Elektrode 112 des Atomschalters. Anders ausgedrückt, ist das Potential der ersten Elektrode 112 des Atomschalters vorübergehend wesentlich niedriger als das der zweiten Elektrode 113, so daß der Atomschalter in den ausgeschalteten Zustand (hoher Widerstand) wechselt [siehe 17(c)]. Folglich ist R(OFF) >> R3. Der Ausgangswert Vout zeigt VH/2 an [siehe 17(d)].
  • 17(e) zeigt die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 112 und 113 des Atomschalters. Wenn der Eingangswert Vin auf dem niedrigen Pegel (VL) liegt, gibt die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 112 und 113 des Atomschalters VH/2 an. Dieser Wert gibt eine Potentialdifferenz an, bei der sich der Atomschalter im ausgeschalteten Zustand befinden sollte. Somit wird der ausgeschaltete Zustand stabil gehalten.
  • Wenn der Eingangswert Vin andererseits auf dem hohen Pegel (VH) liegt, gibt die Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden 112 und 113 des Atomschalters im wesentlichen null an. Somit wird der eingeschaltete Zustand des Atomschalters stabil gehalten. Anders ausgedrückt, arbeitet der NOT-Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung zuverlässig und stabil.
  • Gemäß der Ausführungsform wird der Fall beschrieben, bei dem VH und VL als Eingangswerte sowie VH/2 und VL als Ausgangswerte verwendet werden. Wie bei dem NOT-Schaltkreis gemäß der neunten Ausführungsform (14) kann unter Einschränkungen, laut denen eine Potentialdifferenz zwischen Eingangswerten stets größer sein muß als eine Potentialdifferenz zwischen Ausgangswerten, die Potentialdifferenz zwischen Eingangswerten und die zwischen Ausgangswerten innerhalb der Grenzen frei eingestellt werden.
  • Für die Anordnung des Atomschalters, der Widerstände und des Kondensators sowie die Anzahl jedes Bauelements kann ein anderes Muster als das bei der oben genannten Ausführungsform gewählt werden. Die Hauptmerkmale der vorliegenden Erfindung bestehen darin, daß die oben genannten Bauelemente als Komponenten verwendet werden.
  • 18 ist ein Schaltbild für einen NOT-Schaltkreis gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 19 enthält grafische Darstellungen, die das Arbeitsprinzip des in 18 gezeigten NOT-Schaltkreises zeigen.
  • Es wird nun der NOT-Schaltkreis beschrieben, bei dem eine Potentialdifferenz zwischen den Eingangswerten gleich der zwischen den Ausgangswerten ist. Eine Diode 109 ist mit einem Abschnitt (Vout' in 18) verbunden, der dem Ausgang des NOT-Schaltkreises gemäß der neunten Ausführungsform (14) entspricht. VH wird über einen Widerstand 110 (Widerstand R5) an das andere Ende der Diode 109 angelegt. Ein Ausgangsanschluß Vout ist mit dem anderen Ende verbunden. Des weiteren unterscheidet sich der vorliegende NOT-Schaltkreis von dem NOT-Schaltkreis gemäß der ersten Ausführungsform (14) hinsichtlich der Tatsache, daß es sich bei einer über den Widerstand 107 (Widerstand R2) anzulegenden Spannung nicht um VL, sondern um VS handelt.
  • Das Potential von Vout' ändert sich auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform, nur handelt es sich bei dem niedrigen Pegel nicht um VL, sondern um VS [siehe 19(b)]. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird durch das Erfüllen der Beziehung VH/2 < VF(VH – VS) (VF bezeichnet eine Schwellenspannung der Diode 109) die Potentialdifferenz zwischen den Eingangswerten an die zwischen den Ausgangswerten im NOT-Schaltkreis angeglichen. Anders ausgedrückt, wird eine Spannung, die gleich der oder niedriger als die Schwellenspannung ist, an die Diode 109 angelegt, wenn Vout' VH/2 angibt. Es wird davon ausgegangen, daß RB einen Widerstand der Diode 109 zu diesem Zeitpunkt bezeichnet und RF einen Widerstand, wenn eine Spannung angelegt wird, die gleich der oder höher als die Schwellenspannung ist. Es wird der Widerstand 110 benutzt, der die Beziehung RB >> R5 >> RF erfüllt. 19(c) zeigt eine an die Diode anzulegende Spannung. Die Widerstände und eine anzulegende Spannung werden so eingestellt, daß sie den folgenden Ausdrücken genügen: R5/R2 = (VH – VL)/(VL – VF – VS) VL > VF + VS
  • Somit wird der Ausgangswert Vout wie in 19(d) gezeigt geändert. Anders ausgedrückt, kann ein NOT-Schaltkreis realisiert werden, bei dem die Potentialdifferenz zwischen Eingangswerten gleich der zwischen den Ausgangswerten ist.
  • 20 ist ein Schaltbild für einen NOT-Schaltkreis gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Ein NOT-Schaltkreis, bei dem eine Potentialdifferenz zwischen den Eingangswerten gleich der zwischen den Ausgangswerten ist, kann auf der Grundlage des NOT-Schaltkreises gemäß der in 16 gezeigten zweiten Ausführungsform gebildet werden. Eine Diode 119 ist mit einem Abschnitt (Vout') verbunden, der dem Ausgang des NOT-Schaltkreises gemäß der zehnten Ausführungsform (16) entspricht. VH wird über einen Widerstand 120 (Widerstand R6) an das andere Ende der Diode 119 angelegt. Ein Ausgangsanschluß Vout ist mit dem anderen Ende verbunden. Des weiteren unterscheidet sich der vorliegende NOT-Schaltkreis von dem NOT-Schaltkreis gemäß der zweiten Ausführungsform hinsichtlich der Tatsache, daß es sich bei der über den Widerstand 117 (Widerstand R4) anzulegenden Spannung nicht um VL, sondern um VS handelt.
  • Das Arbeitsprinzip gleicht im wesentlichen dem des bei der dritten Ausführungsform beschriebenen NOT-Schaltkreises. Es wird der Widerstand 120 benutzt, der die Beziehung RB >> R6 >> RF erfüllt, und die Widerstände und eine anzulegende Spannung werden so eingestellt, daß sie den folgenden Ausdrücken genügen: R6/2R4 = (VB – VL)/(VL – VF – VS) VL > VF + VS
  • Unter dieser Bedingung kann ein NOT-Schaltkreis realisiert werden, bei dem die Potentialdifferenz zwischen den Eingangswerten gleich der zwischen den Ausgangswerten ist. In dem oben genannten Fall entspricht der Widerstand des Atomschalters im wesentlichen R4. Wenn diese Bedingung nicht zutrifft, muß VS in einem bestimmten Ausmaß gesteuert werden.
  • Wenn die Diode und der Widerstand zu dem NOT-Schaltkreis hinzugefügt werden, bei dem der Atomschalter, die Widerstände und der Kondensator verschiedenen Muster entsprechend angeordnet sind, dann kann der oben genannte NOT-Schaltkreis konstruiert werden, bei dem die Potentialdifferenz zwischen den Eingangswerten gleich der zwischen den Ausgangswerten ist. Anders ausgedrückt, ist die Anordnung des Atomschalters, der Widerstände, des Kondensators und der Diode nicht auf die bei der vorliegenden Ausführungsform beschriebene beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass diese Bauelemente als Komponenten verwendet werden.
  • 21 ist ein Schaltbild für einen binären Halbaddierer.
  • Gemäß dem vorliegenden Beispiel wird ein Fall beschrieben, bei dem ein binärer Halbaddierer einen NOT-Schaltkreis, eine UND-Schaltung und eine ODER-Schaltung umfaßt, wobei die UND-Schaltung und die ODER-Schaltung jeweils einen Atomschalter aufweisen.
  • Es wird der in 18 gezeigte NOT-Schaltkreis gemäß der dritten Ausführungsform verwendet. Es werden die UND-Schaltung und die ODER-Schaltung verwendet, die von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung in der japanischen Patentanmeldung Nr. 2000-334686 beantragt worden sind. In dem Schaltbild sind die entsprechenden Teile, die dem NOT-Schaltkreis, der UND-Schaltung und der ODER-Schaltung entsprechen, von gestrichelten Linien umgeben. Anders ausgedrückt, umfaßt der vorliegende binäre Halbaddierer zwei NOT-Schaltkreise 121 und 122, drei UND-Schaltungen 123, 124 und 125 sowie eine ODER-Schaltung 126.
  • 22 zeigt die Schaltungen mit Hilfe logischer Symbole. In 22 bezeichnen die Bezugszahlen 121' und 122' die NOT-Schaltkreise, 123', 124' und 125' die UND-Schaltung und 126' die ODER-Schaltung.
  • Für die Eingänge X und Y wird angenommen, daß ein hoher Eingangswert 1 und ein niedriger Eingangswert 0 angibt. Die Ausgangswerte S und C entsprechen 23. Es kann der binäre Halbaddierer konstruiert werden, der für einen Computer angewendet wird. Dieser Fall ist nur ein Beispiel. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein NOT-Schaltkreis mit Hilfe von Zweipol-Bausteinen konstruiert werden. Dementsprechend können alle Logikschaltungen lediglich mit Hilfe der Zweipol-Bausteine konstruiert werden.
  • Wie oben erwähnt wurde, stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung folgendes zur Verfügung:
    • (A) Ein Hochgeschwindigkeits-Punktkontakt-Array mit geringem Stromverbrauch kann konstruiert werden, wodurch sich ein Mehrfachaufnahme-Speicherbauelement, eine Logikschaltung und eine Rechenschaltung realisieren lassen.
    • (B) Da mit Hilfe von Zweipol-Bausteinen ein NOT-Schaltkreis konstruiert werden kann, lassen sich alle Logikschaltungen lediglich unter Verwendung der Zweipol-Bausteine realisieren. Ein nanometergroßer Atomschalter läßt sich ohne weiteres bilden. Daher läßt sich ein Bauelement im Nanometer-Maßstab realisieren.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Ein Punktkontakt-Array, ein NOT-Schaltkreis und eine elektronische Schaltung, die diesen benutzt, können für eine Logikschaltung, eine Rechenschaltung und ein Speicherbauelement im Nanometer-Maßstab eingesetzt werden.

Claims (5)

  1. NOT-Schaltkreis, dadurch gekennzeichnet, daß er eine erste Elektrode (102), die aus einem zusammengesetzten leitfähigen Material mit Innenleitfähigkeit und Elektronenleitfähigkeit hergestellt ist, und eine zweite Elektrode (103) umfaßt, die aus einer leitfähigen Substanz hergestellt und von der ersten Elektrode (102) beabstandet ist, wobei der Leitwert zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode (102, 103) durch Ausbilden einer Brücke (105) aus Metallatomen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode (102, 103) gesteuert wird.
  2. NOT-Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zusammengesetzte leitfähige Material Ag2S, Ag2Se, Cu2S oder Cu2Se ist.
  3. NOT-Schaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, umfassend einen Widerstand (106) und einen Kondensator (108), von denen jeder als ein Zweipol-Baustein dient.
  4. NOT-Schaltkreis nach Anspruch 3, umfassend eine Diode (119) zusätzlich zum Widerstand (106) und zum Kondensator (108).
  5. NOT-Schaltkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine an die erste Elektrode und zweite Elektrode (102, 103) anzulegende Spannung (Vin) durch den Kondensator (108) gesteuert wird, um den Leitwert zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zu steuern.
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