透過電子顕微鏡を用いた ReRAM動作原理解明の研究

Similar documents
TAKEX ソリューションセミナー 2013 新世代 CMOS センサ搭載カメラを用いた 産業用カメラソリューションのご提案 竹中システム機器株式会社 カメラ事業部 2013 年 1 月 25 日 ( 金 ) 1

Microsoft PowerPoint - 9.Analog.ppt

Microsoft PowerPoint - 【5】説明資料_池辺将之

Microsoft PowerPoint - 集積回路工学(5)_ pptm

CMOS リニアイメージセンサ用駆動回路 C CMOS リニアイメージセンサ S 等用 C は当社製 CMOSリニアイメージセンサ S 等用に開発された駆動回路です USB 2.0インターフェースを用いて C と PCを接続

Microsoft PowerPoint - 4.CMOSLogic.ppt

Microsoft PowerPoint - 11Web.pptx

電気的特性 (Ta=25 C) 項目 記号 条件 Min. Typ. Max. 単位 読み出し周波数 * 3 fop khz ラインレート * Hz 変換ゲイン Gc ゲイン =2-5 - e-/adu トリガ出力電圧 Highレベル Vdd V -

CMOS リニアイメージセンサ用駆動回路 C10808 シリーズ 蓄積時間の可変機能付き 高精度駆動回路 C10808 シリーズは 電流出力タイプ CMOS リニアイメージセンサ S10111~S10114 シリーズ S10121~S10124 シリーズ (-01) 用に設計された駆動回路です セン

VLSI工学

Microsoft PowerPoint - 1st

MOSFET 6-2 CMOS 6-2 TTL Transistor Transistor Logic ECL Emitter Coupled Logic I2L Integrated

スライド 1

( ) : 1997

電気的特性 (Ta=25 C) 項目 記号 Min. Typ. Max. 単位 電源電圧 Vdd V 電源電流 Ivdd ma サンプルホールド電圧 1 Vref V サンプルホールド電流 1 Iref ma サンプルホールド電

ソフトウェア基礎技術研修

PowerPoint プレゼンテーション

ムーアの法則に関するレポート

CCD リニアイメージセンサ用駆動回路 C CCD リニアイメージセンサ (S11155/S ) 用 C は 当社製 CCDリニアイメージセンサ S11155/S 用に開発された駆動回路です S11155/S11156-

ComputerArchitecture.ppt

-2 外からみたプロセッサ GND VCC CLK A0 A1 A2 A3 A4 A A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14 A1 A16 A17 A18 A19 D0 D1 D2 D3 D4 D D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D1 MEMR

スライド 1

インテル アーキテクチャプラットフォーム リーダーシップ 2000 年 12 月 21 日 第 14 回数値流体力学シンポジウム インテル株式会社 ia 技術本部本部長坂野勝美

スライド 1

Microsoft PowerPoint lecture-3.ppt

電子回路I_4.ppt

< コンピュータの基本的仕組み > コンピュータは, クロック信号と呼ばれる周期的な論理信号に同期し, 主記憶装置に記憶され ている命令を, 以下の手順で読み込み, 実行することにより動作している. 命令読み込み Instruction Fetch 命令解読 Decode 命令実行 Executio

mbed祭りMar2016_プルアップ.key

プログラマブル論理デバイス

<4D F736F F F696E74202D20837D E838D B835E82CC926190B682C694AD E707074>

Microsoft PowerPoint - SDF2007_nakanishi_2.ppt[読み取り専用]

コンピュータ工学Ⅰ

Microsoft PowerPoint - 6.memory.ppt

コンピュータ工学Ⅰ

計算機アーキテクチャ

Microsoft PowerPoint - GPGPU実践基礎工学(web).pptx

Slides: TimeGraph: GPU Scheduling for Real-Time Multi-Tasking Environments

Microsoft PowerPoint - 3.3タイミング制御.pptx

Slides: TimeGraph: GPU Scheduling for Real-Time Multi-Tasking Environments

スライド 1

問 2. タイミングチャート以下に示す VHDL コードで記述されている回路に関するタイミングチャートを完成させよ ) レジスタの動作 use IEEE.std_logic_64.all; entity RegN is generic (N : integer := 8 port ( CLK, EN

ミニ分光器 MS シリーズ C10988MA-01 C11708MA MEMS 技術とイメージセンサ技術を融合した超小型のミニ分光器 ミニ分光器 MSシリーズは MEMS 技術とイメージセンサ技術を融合し 親指大の超小型サイズ ( mm) を実現したモバイル測定機器組み込み用

Slide 1

スライド 1

第 1 回マイクロプロセッサの時代 マイクロプロセッサとは, コンピュータの CPU( および周辺回路 ) を1チップ化した集積回路である. このマイクロプロセッサを構成する最も細かい部分の動作の基本は, 電子デバイスの持つ増幅作用と非線形作用にある. 一方, その働き全体を捉えれば, 記号を操作す

スライド 1

スライド 1

2ALU 以下はデータ幅 4ビットの ALU の例 加算, 減算,AND,OR の4つの演算を実行する 実際のプロセッサの ALU は, もっと多種類の演算が可能 リスト 7-2 ALU の VHDL 記述 M use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; 00 : 加算 use IEE

スライド 1

スライド 1

ディジタル回路 第1回 ガイダンス、CMOSの基本回路

PIC の書き込み解説 PICライターを使うときに間違った使い方を見受ける 書き込み失敗の原因は知識不足にある やってはいけないことをしている 単に失敗だけならまだしも部品を壊してしまう 正しい知識を身に着けよう 書き込みに必要なピンと意味 ICSPを意識した回路設計の必要性 ICSP:In Cir

Microsoft Word - 実験4_FPGA実験2_2015

<4D F736F F F696E74202D20837D E838D B835E82CC926190B682C694AD B93C782DD8EE682E890EA97705D>

SICE東北支部研究集会資料(2014年)

スライド 1

Microsoft PowerPoint - アナログ電子回路3回目.pptx

<4D F736F F F696E74202D FEE95F18F88979D8B5A8F702E B93C782DD8EE682E890EA97705D205B8CDD8AB B83685D>

CMOS RF 回路(アーキテクチャ)とサンプリング回路の研究

arduino プログラミング課題集 ( Ver /06/01 ) arduino と各種ボードを組み合わせ 制御するためのプログラミングを学 ぼう! 1 入出力ポートの設定と利用方法 (1) 制御( コントロール ) する とは 外部装置( ペリフェラル ) が必要とする信号をマイ

計算機ハードウエア

Microsoft PowerPoint - 7.Arithmetic.ppt

PowerPoint プレゼンテーション

研究報告用MS-Wordテンプレートファイル

情報科学概論

DDR2 SDRAM をフレームバッファに使用した CMOS カメラ表示回路の実装

スライド 1

N08

スライド 1

Microsoft Word - TC4011BP_BF_BFT_J_P8_060601_.doc

CCD リニアイメージセンサ S11491 近赤外高感度 高速ラインレート 近赤外域で高感度を実現した裏面入射型 CCD リニアイメージセンサです マルチポート読み出し (1 ポート当たり 25 MHz max.) により 70 khz の高速ラインレートを実現しました 特長 用途 近赤外高感度 Q

ミニ分光器 マイクロシリーズ C12666MA MEMS 技術とイメージセンサ技術を融合した指先大の超小型分光器ヘッド C12666MAは MEMS 技術とイメージセンサ技術を用いて実現した超小型 ( 指先大 ) の分光器ヘッドです 新設計の光学系を採用することにより従来品のミニ分光器 MSシリーズ

Microsoft PowerPoint - presen_dist.ppt

スライド 1

HA17458シリーズ データシート

基本的なノイズ発生メカニズムとその対策 電源 GND バウンス CMOS デジタル回路におけるスイッチング動作に伴い 駆動 MOS トランジスタのソース / ドレインに過渡的な充放電電流 及び貫通電流が生じます これが電源 GND に流れ込む際 配線の抵抗成分 及びインダクタンス成分によって電源電圧

PowerPoint プレゼンテーション

この方法では, 複数のアドレスが同じインデックスに対応づけられる可能性があるため, キャッシュラインのコピーと書き戻しが交互に起きる性のミスが発生する可能性がある. これを回避するために考案されたのが, 連想メモリアクセスができる形キャッシュである. この方式は, キャッシュに余裕がある限り主記憶の

スライド 1

富士通セミコンダクタープレスリリース 2009/05/19

HDLトレーナーサンプルプログラム説明書

PowerPoint プレゼンテーション

cmpsys13w03_cpu_hp.ppt

TC74HC00AP/AF

計算機ハードウエア


Microsoft Word - glossary_image_sensor_ doc

Microsoft PowerPoint - 4回 [互換モード]

富士通セミコンダクター株式会社発表資料

Microsoft Word - SSTC_Intel_Core.doc

スライド 1

Microsoft Word - Ladder Tool 使çfl¨ã…žã…‰ã…¥ã‡¢ã…«ã…©ã…•ã…¼ã†ªã†Š_ docx

IBIS Quality Framework IBIS モデル品質向上のための枠組み

PowerPoint プレゼンテーション

光変調型フォト IC S , S6809, S6846, S6986, S7136/-10, S10053 外乱光下でも誤動作の少ない検出が可能なフォト IC 外乱光下の光同期検出用に開発されたフォトICです フォトICチップ内にフォトダイオード プリアンプ コンパレータ 発振回路 LE

小林研究室2000年度の研究成果

< B8CDD8AB B83685D>

第3部:プログラミング実習

電子回路基礎

Transcription:

情報エレクトロニクス概論, 2017 1 エレクトロニクスを支える電子デバイス (3 回中のその 3) ~ センサーと集積回路 ~ 情報科学研究科, 情報エレクトロニクス専攻知能システム学研究室 池辺将之

講義資料等の提供 (2017 年度 ) [URL] http://dei.ist.hokudai.ac.jp/~motohisa/gairon_web2017/2017.html ( おそらく 要履修登録 ) [ 講義資料ダウンロード ] 要 Password Passwordを忘れた人は Web 記載の大鐘先生にメールで連絡をして下さい

授業内容 3 はじめに CMOS 論理回路 ( 湊先生の講義でも 論理回路の詳細を学びます ) LSI(Intel CPU) の歴史 イメージセンサ

はじめに : 集積回路の中の信号の扱われ方 4 今までに講義で習った MOSFET が組み合わされ デジタル信号 (1,0) が処理される ( 図に示す LSI は 左 35.4 億 左 11.7 億個の MOSFET により構成されている ) そこで扱われている基本回路とはどのようなものであるだろうか? どのように デジタル信号 (1,0) を扱っているのだろうか? Nvidia GeForce 600 size:29.4mm 2 (GPU:Graphic Processing Unit の代表格 ) インテル Core i7 980X エクストリーム 6 コア (CPU:Central Processing Unit の代表格 )

授業内容 5 はじめに CMOS 論理回路 ( 湊先生の講義でも 論理回路の詳細を学びます ) (1): MOSFET によるスイッチ動作 (2): インバータ回路 (3): インバータ回路の動作 (4): NAND 回路と NOR 回路 (5): 様々な論理回路 LSI(Intel CPU) の歴史 イメージセンサ

Logic circuit using CMOS [1] (Complementary Metal Oxide Semiconductor) nmosfet source gate substrate drain High 1 ON pmosfet source gate substrate drain Low: 0 ON

Logic circuit using CMOS [2] CMOS Inverter Truth table A 否定 :inverter Z = A A Z 1 0 0 1 VDD nmosfet gate High: ON Low: OFF source drain High 1 : VDD Low 0 : VSS Vin Vout pmosfet gate High: Low: OFF ON source drain VSS

Logic circuit using CMOS [3] Operation of CMOS Inverter VDD VDD High 1 : VDD Vin Low 0 : VSS Vout Low 0 : VSS Vin Vout High 1 : VDD VSS VSS Use of complementary switch characteristics for Logic operation

Logic circuit using CMOS [3] NAND/NOR circuit A B Z = A B A B Z = A+B NAND NOR VDD VDD VDD A B A Truth table AB Z 00 1 01 1 10 1 11 0 A B VSS Z:Vout Truth table AB Z 00 1 01 0 10 0 11 0 A B B VSS Z:Vout

Logic circuit using CMOS [4] Multi-input CMOS composite gate circuit Parallel VDD A B Serial A B C Z = A B+C A C C Z:Vout Serial B Parallel VSS In the Multi-input CMOS composite gate circuit AND components は pmos が並列 nmos が直列 OR はその逆

CMOS による論理回路構成 6- まとめ - CMOS スイッチの特性が重要 pmos:low レベルで ON nmos:high レベルで ON Inverter 回路が基本構成 CMOS の相補スイッチを論理演算に利用する 積和表現の論理演算は回路化できる 論理積 :pmos 並列 nmos 直列 論理和 :pmos 直列 nmos 並列

授業内容 12 はじめに CMOS 論理回路 LSI(Intel CPU) の歴史 (1): ムーアの法則 (2): 歴史と特徴 (3): アーキテクチャの変遷 イメージセンサ

ムーアの法則 半導体チップに集積されるトランジスターの数は約 2 年ごとに倍増する という Moore の予測は現在 ムーアの法則 という名で広く知られています http://www.intel.com/jp/technology/mooreslaw/index.htm

歴史と特徴 1-Intel 4004- Intel4004(1971 年 ): 4004 は世界初のマイクロプロセッサです この画期的な発明が Busicom 社の計算機の心臓部となり パーソナル コンピュータをはじめ生命の無い物にも知性を与える道を開いた 特徴 : 1 世界初のマイクロプロセッサ 2 クロック 750KHz 34 ビット 42300 個のトランジスタ

歴史と特徴 2-Intel 8086/88- Intel8086-8088 (1978 年 ) : IBM に新設された PC 事業部が開発したヒット製品 (IBM PC) の心臓部に 8088 が採用された 何百万台ものデスクトップ コンピュータで 8088 が活躍 ( 画像は 8086) セグメント方式 16bit 2 の 16 乗 =65536 1MB のメモリを 64kB に小分けして扱う 特徴 : 116 ビットプロセッサ 2 セグメント方式の採用 3 アドレス空間 1MB 4NEC の互換プロセッサ V30 58088 は IBM パソコンの CPU として採用 6MSDOS( マイクロソフト ) を採用

歴史と特徴 3-Intel486- ワイヤードロジック決まった演算をそのまま回路化したもの Intel486 (1989 年 ) : Intel486(TM) DX マイクロプロセッサが発表されたとき その処理速度は最初の 4004 チップの 50 倍を記録 国立スミソニアン博物館 アメリカ史部門の技術史家 David K. Allison は 486 世代になってコマンド レベルであったコンピュータが本当の意味でマウスで操作できるコンピュータに変わった とコメント 特徴 : 1 一次キャッシュ 2 改良された 5 段のパイプライン 3 一部の命令をワイヤードロジックで高速に実行 4 浮動小数点ユニットの搭載 5 内部動作周波数と外部動作周波数を区別

パイプライン処理 1 つのテーブルで組み立てると 1 体作るのに時間がかかる ( 頭 手 足で 3 工程 ) 3 つのテーブルで 3 工程を分けて流れ作業にすると実質 1 工程でロボット完成 特徴 : 一つの命令をステージに分けて効率よく実行する機構

歴史と特徴 4-Pentium- Pentium(R) (1993 年 ) : マイクロプロセッサのサラブレッド Pentium(R) プロセッサは 1 つのチップに 2 つのプロセッシング ユニットが搭載され 310 万ものトランジスタが集積されています Pentium プロセッサは高速 高性能の代名詞となり 米国では漫画やテレビのトーク ショーでも使われ 広く一般的に用いられる言葉となりました 特徴 : 1 第 5 世代 IA プロセッサ 22 ウエイスーパースケーラ 3 分岐予測機構 4 マルチプロセッサ対応 564 ビットに外部データバスを拡張

分岐予測処理 流れ作業でロボットを作る 3 個作ったら違う色のロボットを作るとする あらかじめ違う色のロボット部品を用意する 特徴 : 分岐命令 ( この場合色を変える ) をあらかじめ予測する

スーパースケーラ 特徴 : 依存性のない命令を複数同時に実行する機構

アーキテクチャの変遷とまとめ 処理の高速化 アプリケーション 2D 画像 音声整数演算処理 MMX 整数 SIMD 3D 画像浮動小数点処理 SSE 浮動少数 SIMD 効率的な処理 命令の実行パイプライン 分岐予測 同時並列実行スーパースケーラマルチスレッド マルチコア CPU の誕生 特徴 : アプリケーションと CPU 自体の効率化の解答がマルチコア SSE= 浮動少数 SIMD SIMD:Single Instruction Multi Data stream 1 つの命令で複数の浮動小数点演算を行う

授業内容 22 はじめに CMOS 論理回路 LSI(Intel CPU) の歴史 イメージセンサ (1): イメージセンサの動作 (2): 高画質化 ノイズ低減 (3): 高解像度化

アナログとデジタルが融合した高集積回路 23 アナログ回路とデジタル回路が融合した高集積回路に CMOS イメージセンサがある CMOS イメージセンサは 携帯カメラ 監視カメラ 一眼レフ等に幅広く使われている 今現在 500 万画素以上のセンサが集積化されたものが一般的となっている イメージセンサは どのような原理で動作するのだろうか? どのように高解像度化 高画質化や高集積化されるのだろうか? SONY CMOS イメージセンサ Exmor 静岡大高速 A/D 変換 CMOS イメージセンサ

垂直シフトレジスタ CMOS イメージセンサ用回路 1- 基本回路 - イメージセンサ構成例 (3trAPS: Active Pixel Sensor) 3 つのトランジスタと PD: Photo Diode で構成されている イメージセンサ row_reset PD row_select 列電流源 列 CDS 回路 column_signal 信号出力 水平シフトレジスタ 特徴 : 現在は 列並列で信号を読み出して 出力する (A/D 変換も行う )

CMOS イメージセンサ用回路 2 - 基本回路 - I イメージセンサ構成例 (3trAPS) V V 蓄積開始 e - e - 信号出力 hn row_reset PD Iphoto column_signal Row_reset Row_select Column_signal VDD analog value Exposure time row_select VPD 注 : この回路では極性が逆 M Amp リセット Signal Reset リセット出力 ポテンシャル図 水平転送回路からの信号 output CDS V bias M Select M Current Source follower 特徴 : 光情報を電荷量に変えて 電圧信号として読み出す t t CDS 電圧読み出し回路

CMOS イメージセンサ用回路 3 - 雑音補正回路 - CDS(Correlated Double Sampling: 相関 2 重サンプリング ) row_reset オフセット雑音 ( 固定された雑音 ) は 除去できる ランダム雑音は 時間相関があれば除去できる PD column_signal S/H Sample/Hold Buffer amp + - row_select S/H 特徴 : 画素回路ごとの製造バラツキ ( オフセット雑音 ) を信号出力値からリセット出力値を引くことでキャンセルする

CMOS イメージセンサ用回路 3 - 雑音補正回路 - 3Tr APS の CDS 画素 A 画素 B 画素毎のバラツキ 計測したい信号値 ( 電荷量 ) 画素 A 画素 B リセット リセット 信号値とリセット時の出力の差分を取れば 画素バラツキに ( バケツの底の高さ ) 依存しない信号出力が得られる 電圧レベルで読み出される 特徴 : 画素回路ごとの製造バラツキ ( オフセット雑音 ) を信号出力値からリセット出力値を引くことでキャンセルする

CMOS イメージセンサ用回路の高画質化 - 様々な雑音 - イメージセンサ構成例 (3trAPS) row_reset 熱雑音のホールド ( ランダム ) フォトダイオード暗電流バラツキ ( 固定 ) row_select column_signal MOSFET のしきい値バラツキ ( 固定 ) output 熱雑音のホールド 水平転送回路からの信号 CDS CMOS イメージセンサでは 様々な雑音の影響で CCD を超える画質を出すのが難しかった

CMOS イメージセンサ用回路の高画質化 - 様々な雑音 - 暗電流バラツキ ( プロセス依存 ) 回路設計者としては改善できない? しきい値バラツキ 回路技術で対応可能 熱雑音のホールド 4tr 型 ( 後述 ) のみ画素と回路技術で完全対応可能

CCD の動作原理 1 CCD による電荷転送 TG f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1 N P- N 信号電荷 埋め込みフォトダイオードは 暗電流バラツキの影響が少ない ポテンシャル図 特徴 : 複数位相のクロック信号を用いて 階段状のポテンシャルを形成して 信号電荷をバケツリレーする

CCD: Charge Coupled Device の動作原理 2 CCD による電荷転送 体系的に学ぶデジタルカメラのしくみ より特徴 :CCDでは 配線の代わりの電荷転送により 画素信号を転送する信号電荷をそのまま転送するため 雑音に強い

CMOS イメージセンサ用回路の高画質化 - ランダム雑音の克服 - 4Tr APS( 埋め込み PD) FD:Floating Diffusion V row_reset 蓄積開始 e - e - 信号蓄積 e - e - hn FD PD column_signal Transfer_sig Row_reset Row_select Column_signal analog value リセット出力 Iphoto row_select Exposure time transfer_sig 信号出力ポテンシャル図 特徴 :CDS の動作を工夫することで ランダム雑音にも対応する

CMOS イメージセンサ用回路の高画質化 - ランダム雑音の克服 - 3Tr APS の CDS 4Tr APS の CDS 画素 A 画素 A の PD 画素 A の FD リセット 画素 A 計測したい信号値 ( 電荷量 ) バケツをもう一つ用意する バケツのリセット状態をまず読み出す 画素 A の PD 画素 A の FD リセット 実際は リセットする度揺らいでいる 後からリセット状態を読み出すと 揺らぎの影響が出力される 電荷を移して (PD FD) 信号電荷を読み出す リセットの揺らぎ ( 熱雑音 ) に左右されない

CMOS イメージセンサ用回路の高画質化 - 暗電流バラツキの克服 - 4Tr APS( 埋め込み PD) TG:Tranfer Gate (Transfer_sig) Rst N N+ N+ P- FD CCD のように電荷を完全転送のためのポテンシャルの形成が非常に困難であったが TG のチャネル長等を制御することで低電圧で駆動が可能となった 完全転送のためのポテンシャルの形成 例 :FD の N+ の張り出し等を行ってゲート長を短くする ( 東芝 )

ピクセル回路の小型化 1- 高解像度化 - 3Tr APS( 埋め込み PD: ソニー ) row_reset FD_drive Transfer_sig FD PD column_signal Row_reset FD_drive Column_signal analog value Exposure time transfer_sig FD を駆動することで 増幅アンプ Tr の出力をコントロールし選択 Tr を省くことに成功した 低電圧に落とせば増幅アンプ出力は 0 となり ライン出力を停止できる 映像学技法 Vol.28,No23

ピクセル回路の小型化 2- 高解像度化 - 6Tr APS (1.5Tr/pixel: キャノン ) row_reset PD1 PD2 PD3 FD PD4 column_signal VR1 row_select TG1 TG2 TG3 TG4 CDS PD の共通化と 3Tr 構成により (FD 駆動の工夫 ) 開口率を高める VR2 VRS 映像学技法 Vol.28,No23

ピクセル回路の小型化 3- 高解像度化 - 7Tr APS (1.75Tr/pixel: 松下 ) TG1(l,l -1) TG2(l,l -1) row_reset PD1 PD2 PD3 FD PD4 column_signal row_select TG3(l,l+1) TG4(l,l+1) PD,TG 配線の共通化により 開口率を高める 映像学技法 Vol.28,No23

裏面照射型構造の採用 - 高解像度化 - 裏面照射型センサ センサを裏面照射型にすることで 表層の配線 トランジスタの影響を受けずに光を取り込むことができるようになった http://www.sony.co.jp/sonyinfo/technology/technology/theme/exmor_r_01.html

CMOS イメージセンサ - まとめ - PD と MOSFET に構成されている PD の蓄積電荷を電圧に変換する製造バラツキ ( オフセット雑音 ) を補正する機構が CDS CCD と同等の画質を得るための工夫 4Tr 構成でリセット雑音 ( ランダムな熱雑音 ) を補正埋め込み PD の採用 ( 暗電流の低減 ) 高解像度化への工夫画素回路の共有で開口率を挙げる裏面照射構成の採用で回路 配線部の影響を無くす