(57)【要約】【課題】入力信号のノイズに対してロバストな出力信号を生成することができるようにする。【解決手段】非線形応答システム１２によって、入力信号に対して、非線形応答特性を有する出力信号を生成して出力し、非線形応答システム１２からの出力信号に、一定強度を有する内部ノイズが加算され、有機電界効果トランジスタ１０から出力される。このとき、有機電界効果トランジスタ１０では緩やかな確率共鳴が起こり、外部ノイズ強度が増加しても入出力相関係数はほぼ一定であり、入力に含まれるノイズに関わらずほぼ一定のパフォーマンスで信号伝達が可能であり、ノイズロバスト効果が得られる。【選択図】図２
2018029312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号に対して、非線形応答特性を有する出力信号であって、内部ノイズを付加した出力信号を生成して出力する有機電界効果トランジスタであって、
前記入力信号に含まれる外部ノイズによる、前記出力信号の変動が所定値以下である有機電界効果トランジスタ。
【請求項２】
入力信号に対して、非線形応答特性を有する出力信号であって、内部ノイズを付加した出力信号を生成して出力する有機電界効果トランジスタであって、
前記出力信号に付加される内部ノイズが大きいほど、前記入力信号に含まれる外部ノイズによる、前記出力信号の変動が小さくなる有機電界効果トランジスタ。
【請求項３】
入力信号のバイアスから入力信号電圧及び閾値電圧を差し引いた値が負の値である場合、以下の式に示す条件を満たす請求項１記載の有機電界効果トランジスタ。
Ｅ≦２０かつＥ≦Ｉ／（−Ａ´Ｄ）かつＩ≦２０Ａ´Ｄ2
ただし、Ｅは、入力信号電圧で正規化した外部ノイズ強度を示し、Ｉは、入力信号電圧で正規化した内部ノイズ強度を示し、Ａ´は、前記非線形応答特性に含まれる傾きに前記入力信号電圧を掛けた値を示し、Ｄは、入力信号のバイアスから入力信号電圧及び閾値電圧を差し引いた値を、入力信号電圧で正規化した値を示す。
【請求項４】
入力信号のバイアスから入力信号電圧及び閾値電圧を差し引いた値が負の値である場合、以下の式に示す条件を満たす請求項２記載の有機電界効果トランジスタ。
Ｅ≦２０かつＩ≧２０Ａ´Ｄ2かつＥ≧２０／３−１４ｌｏｇ10（３−Ａ´-0.4×Ｉ0.4）
ただし、Ｅは、入力信号電圧で正規化した外部ノイズ強度を示し、Ｉは、入力信号電圧で正規化した内部ノイズ強度を示し、Ａ´は、前記非線形応答特性に含まれる傾きに前記入力信号電圧を掛けた値を示し、Ｄは、入力信号のバイアスから入力信号電圧及び閾値電圧を差し引いた値を、入力信号電圧で正規化した値を示す。
【請求項５】
入力信号のバイアスから入力信号電圧及び閾値電圧を差し引いた値が０以上である場合、以下の式に示す条件を満たす請求項２記載の有機電界効果トランジスタ。
Ｅ≦２０かつＥ≧２０／３×１０D/3−１４ｌｏｇ10（３−Ａ´-0.4×Ｉ0.4）
ただし、Ｅは、入力信号電圧で正規化した外部ノイズ強度を示し、Ｉは、入力信号電圧で正規化した内部ノイズ強度を示し、Ａ´は、前記非線形応答特性に含まれる傾きに前記入力信号電圧を掛けた値を示し、Ｄは、入力信号のバイアスから入力信号電圧及び閾値電圧を差し引いた値を、入力信号電圧で正規化した値を示す。
【請求項６】
前記入力信号をゲート端子に受け、ドレイン端子にバイアス電圧が印加され、ソース端子の電圧を、前記出力信号として出力する請求項１〜請求項５の何れか１項記載の有機電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、有機電界効果トランジスタに係り、特に、非線形応答特性を有する出力信号を生成する有機電界効果トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、非線形応答特性を有するシステムにノイズを加えることにより、信号伝達のパフォーマンスが向上することがある。この現象を確率共鳴といい、これまで不要なものとされてきたノイズを有効利用できるとして注目されている。しかし最適なノイズ強度が存在し、ノイズ強度の変化に伴いパフォーマンスが大きく変化してしまうため応用しにくかった。Collinsらにより、システムを多数並列接続することで広範囲のノイズ強度に対して確率共鳴が有効であることが示され（非特許文献１参照）、特許文献１では微弱信号の増幅に利用する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】J.J.Collins, C.C.Chow and T.T.Imhoff, ``Stochastic resonance without tuning", Nature, vol.376, pp.236-238, 20 July, 1995.
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２１２５５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、システム数が多く必要であり全体のサイズが肥大化することや、ノイズ強度の変化によるパフォーマンスの変化が大きいという問題点が存在する。
【０００６】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、簡易な構成で、入力信号のノイズに対してロバストな出力信号を生成することができる有機電界効果トランジスタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために第１の発明に係る有機電界効果トランジスタは、入力信号に対して、非線形応答特性を有する出力信号であって、内部ノイズを付加した出力信号を生成して出力する有機電界効果トランジスタであって、前記入力信号に含まれる外部ノイズによる、前記出力信号の変動が所定値以下である。
【０００８】
第１の発明に係る有機電界効果トランジスタによれば、入力信号に対して、非線形応答特性を有する出力信号であって、内部ノイズを付加した出力信号を生成する際に、入力信号に含まれる外部ノイズによる、前記出力信号の変動が所定値以下となる。このように、緩やかな確率共鳴が起こり、入力に含まれるノイズに関わらずほぼ一定のパフォーマンスで信号伝達が可能である。
【０００９】
第２の発明に係る有機電界効果トランジスタは、入力信号に対して、非線形応答特性を有する出力信号であって、内部ノイズを付加した出力信号を生成して出力する有機電界効果トランジスタであって、前記出力信号に付加される内部ノイズが大きいほど、前記入力信号に含まれる外部ノイズによる、前記出力信号の変動が小さくなる。
【００１０】
第２の発明に係る有機電界効果トランジスタによれば、入力信号に対して、非線形応答特性を有する出力信号であって、内部ノイズを付加した出力信号を生成する際に、出力信号に付加される内部ノイズが大きいほど、前記入力信号に含まれる外部ノイズによる、前記出力信号の変動が小さくなる。このように、緩やかな確率共鳴が起こり、入力に含まれるノイズに関わらずほぼ一定のパフォーマンスで信号伝達が可能である。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明の有機電界効果トランジスタによれば、内部ノイズを付加した出力信号を生成し、確率共鳴を生じさせて、入力信号に含まれる外部ノイズによる、出力信号の変動が所定値以下となるか、又は出力信号に付加される内部ノイズが大きいほど、前記入力信号に含まれる外部ノイズによる、前記出力信号の変動が小さくなることにより、簡易な構成で、入力信号のノイズに対してロバストな出力信号を生成することができる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る有機電界効果トランジスタの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る有機電界効果トランジスタの機能構成を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る有機電界効果トランジスタの非線形応答システムの構成を示す回路図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る有機電界効果トランジスタの入出力特性を示すグラフである。
【図５】外部ノイズの強度の変化に対する入出力相関係数の変化を示すグラフである。
【図６】閾値から入力信号までの距離の無次元パラメータＤがＤ＜０であるときのシミュレーション結果を示す図である。
【図７】閾値から入力信号までの距離の無次元パラメータＤがＤ＜０であるときのシミュレーション結果を示す図である。
【図８】閾値から入力信号までの距離の無次元パラメータＤがＤ＝０であるときのシミュレーション結果を示す図である。
【図９】閾値から入力信号までの距離の無次元パラメータＤがＤ＞０であるときのシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】実験における有機電界効果トランジスタの入出力特性を示すグラフである。
【図１１】実験結果における外部ノイズの強度の変化に対する入出力相関係数の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００１４】
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る有機電界効果トランジスタ１０は、ボトムコンタクト−トップゲート型構造の半導体素子である。ソース・ドレイン電極２４のギャップ間に埋まるように半導体層２６が形成され、その上に絶縁層２８、ゲート電極３０の順に積層した構造となっている。
【００１５】
図２に示すように、有機電界効果トランジスタ１０は、機能的には、非線形応答システム１２を備え、非線形応答システム１２の出力に内部ノイズを加算して出力する。
【００１６】
内部ノイズは、一定強度を有し、有機電界効果トランジスタ１０は、非線形応答システム１２の出力信号に内部ノイズを加算して、内部ノイズを出力信号に付加する。内部ノイズが付加された出力信号が、有機電界効果トランジスタ１０の出力となる。
【００１７】
図３に示すように、有機電界効果トランジスタ１０は、アナログ信号を伝達するドレイン接地増幅回路であり、有機電界効果トランジスタ１０のゲート端子には、入力信号とノイズを足し合わされた電圧Ｖsignal+noiseが入力され、ドレイン端子にバイアス電圧ＶDDが印加される。ソース端子には負荷抵抗２２が接続され、負荷抵抗２２を介して接地され、ソース端子の電圧が、出力信号Ｖoutputとして出力される。
【００１８】
次に、本実施の形態に係る有機電界効果トランジスタ１０の動作について説明する。
【００１９】
まず、外部ノイズが付加された入力信号が、有機電界効果トランジスタ１０に入力されると、非線形応答システム１２によって、入力信号に対して非線形応答特性を有する出力信号を出力する。
【００２０】
また、非線形応答システム１２からの出力信号に、一定強度を有する内部ノイズが加算され、有機電界効果トランジスタ１０から出力される。
【００２１】
例えば、バイアス電圧VDD=-15Vとし、負荷抵抗２２を4.4kΩとしたときに、図４に示すような入出力特性が得られる。入力信号に対して非線形応答を示し、また内部ノイズがみられる。
【００２２】
また、入力信号と同時に外部ノイズを加えたときには、図５に示すような信号伝達のパフォーマンスが得られる。図５では、外部ノイズの強度を変えたときの信号伝達のパフォーマンスの変化を示している。信号伝達のパフォーマンスの指標として、ここでは、入力信号と出力信号との間の相関係数を用いている。有機電界効果トランジスタ１０では緩やかな確率共鳴が起こり、外部ノイズ強度が増加しても入出力相関係数はほぼ一定であり、入力に含まれるノイズに関わらずほぼ一定のパフォーマンスで信号伝達が可能であり、ノイズロバスト効果が得られる。
【００２３】
＜実施例＞
まず、ノイズロバスト効果を評価することについて説明する。ここで、ノイズロバスト効果とは、外部ノイズによる信号伝達能の変動を小さくすることであり、信号伝達能とは、入出力信号間の相関係数Ｃのことである。
【００２４】
外部ノイズによる信号伝達能の変動の大きさの指標を評価量とし、例えば、回帰分析による相関比η2を、評価量として用いる。これにより、η2が小さい条件を探せばよいことになる。
【００２５】
【数１】
2018029312.tif 000003
【００２６】
ただし、ｘijは、各条件及び各試行における要因（例えば、外部ノイズ強度）を表し、Ｔjは、条件ｊにおける要因の平均を表し、Ｇは、要因の全平均を表す。
【００２７】
【表１】
2018029312.tif 000004
【００２８】
また、外部ノイズ強度Ｖnoise、内部ノイズ強度σ、入力信号強度Ｖsignal、入力ｄｃバイアスＶbias、入出力特性の傾きＡ、入出力特性の閾値Ｖthの各パラメータの無次元化を行う。
【００２９】
ただし、入出力特性を、以下の式で表わしたとき、
【００３０】
【数２】
2018029312.tif 000005
【００３１】
内部ノイズ強度σは、以下の式で表わされる。
【００３２】
【数３】
2018029312.tif 000006
【００３３】
外部ノイズ強度の無次元パラメータＥは、以下の式で表わされる。
【００３４】
【数４】
2018029312.tif 000007
【００３５】
内部ノイズ強度の無次元パラメータＩは、以下の式で表わされる。
【００３６】
【数５】
2018029312.tif 000008
【００３７】
閾値から入力信号までの距離の無次元パラメータＤは、以下の式で表わされる。
【００３８】
【数６】
2018029312.tif 000009
【００３９】
入出力特性の傾きの無次元パラメータＡ’は、以下の式で表わされる。
【００４０】
【数７】
2018029312.tif 000010
【００４１】
次に、ノイズロバスト効果が有効な条件について説明する。
【００４２】
ノイズロバスト効果が有効な条件としては、以下の条件１と、条件２−１又は条件２−２とを有する条件が適する。
【００４３】
条件１：ある程度の信号伝達能を持つこと。すなわち、相関係数Ｃ≠０でことであり、例えば、Ｃ≧0.2であることとする。
【００４４】
条件２−１：外部ノイズによる信号伝達能の変動が小さいここと。すわなち、η2が小さいことであり、例えば、η2 ≦0.05であることとする。
【００４５】
条件２−２：内部ノイズを印加することによって信号伝達能の変動が小さくなること。すわなち、内部ノイズが大きい方がη2が小さくなること。
【００４６】
また、閾値から入力信号までの距離の無次元パラメータＤを可変とし、内部ノイズ強度、外部ノイズ強度に対する、入出力信号間の相関係数Ｃ及び外部ノイズによる信号伝達能の変動の大きさに関する評価量（相関比）η2を求めるシミュレーションを行った。
【００４７】
図６、図７に、閾値から入力信号までの距離の無次元パラメータＤがＤ＜０であるときのシミュレーション結果を示す。図６の方が、Ｄがより小さい場合のシミュレーション結果を示している。
【００４８】
上記のシミュレーション結果より、外部ノイズによる信号伝達能の変動の大きさに関する評価量η2が低く、かつ、入出力信号間の相関係数Ｃが高い領域は、以下の（１）式で表わされる。
【００４９】
Ｅ≦２０かつＥ≦Ｉ／（−Ａ´Ｄ）かつＩ≦２０Ａ´Ｄ2      ・・・（１）
【００５０】
また、外部ノイズによる信号伝達能の変動の大きさに関する評価量η2が高いが、内部ノイズが変動を小さくする領域は、以下の（２）式で表わされる。
【００５１】
Ｅ≦２０かつＩ≧２０Ａ´Ｄ2かつ
Ｅ≧２０／３−１４ｌｏｇ10（３−Ａ´-0.4×Ｉ0.4）      ・・・（２）
【００５２】
図８に、閾値から入力信号までの距離の無次元パラメータＤがＤ＝０であるときのシミュレーション結果を示し、図９に、閾値から入力信号までの距離の無次元パラメータＤがＤ＞０であるときのシミュレーション結果を示す。
【００５３】
上記のシミュレーション結果より、外部ノイズによる信号伝達能の変動の大きさに関する評価量η2が高いが、内部ノイズが変動を小さくする領域は、以下の（３）式で表わされる。
【００５４】
Ｅ≦２０かつＥ≧２０／３×１０D/3−１４ｌｏｇ10（３−Ａ´-0.4×Ｉ0.4）
・・・（３）
【００５５】
以上より、上記（１）式を満たすように有機電界効果トランジスタ１０を構成することにより、入力信号に含まれる外部ノイズによる、出力信号の変動が小さくなるように、緩やかな確率共鳴が起こり、外部ノイズ強度が増加しても入出力相関係数はほぼ一定であり、入力に含まれるノイズに関わらずほぼ一定のパフォーマンスで信号伝達が可能となる。
【００５６】
また、上記（２）式又は（３）式を満たすように有機電界効果トランジスタ１０を構成することにより、内部ノイズが大きいほど、入力信号に含まれる外部ノイズによる、出力信号の変動が小さくなるように、緩やかな確率共鳴が起こり、外部ノイズ強度が増加しても入出力相関係数はほぼ一定であり、入力に含まれるノイズに関わらずほぼ一定のパフォーマンスで信号伝達が可能となる。
【００５７】
＜実験例＞
本発明の実施の形態に係る手法と、従来の確率共鳴を利用した技術とにより、外部ノイズ強度を変化させたときの入出力相関係数を求める実験を行った結果について説明する。
【００５８】
ここでは、図１０に示すように、従来のような入力値に対して出力値が一意的に決まるような入出力特性と、そこに更に一定強度のノイズを加え内部ノイズを持たせた入出力特性とを用いた。
【００５９】
図１１に示すように、従来のような内部ノイズのない入出力特性を用いた技術では、入力される外部ノイズ強度変化に対し入出力相関係数が大きく変化する。入力バイアスが0,2,4Vのとき、変動値はそれぞれ約0.8,0.8,0.3であり、ノイズにより信号伝達能が大きく変化する。特にノイズ強度が0から10VPPにかけての変化が大きく、0.2以上の変化が見られる。
【００６０】
一方、本発明の実施の形態に係る手法では入出力相関係数の変動は最大でも約0.2であり、外部ノイズに対して一定の信号伝達能を持つ。このように有機電界効果トランジスタ１０に内部ノイズを持たせることにより、緩やかな確率共鳴効果が得られ、入力ノイズに対するロバスト性（恒常性）が向上する。
【００６１】
以上説明したように、本実施の形態に係る有機電界効果トランジスタによれば、入力信号に対して、非線形応答特性を有する出力信号を生成し、内部ノイズを付加して、確率共鳴を生じさせることにより、簡易な構成で、入力信号のノイズに対してロバストな出力信号を生成することができる。また、ヒト由来の微弱な生体信号を検出する検出センサに、本発明の実施の形態を適用した場合には、入力信号のノイズに対してロバストな出力信号を生成することができるため、ヒト由来の微弱な生体信号を精度よく検出することができる。
【００６２】
なお、上記の実施の形態では、有機電界効果トランジスタとして、ボトムコンタクト−トップゲート型構造の半導体素子を用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、ノイズロバスト効果が有効な条件を満たす有機電界効果トランジスタであれば、他の構造の半導体素子であってもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１０   有機電界効果トランジスタ
１２   非線形応答システム
２２   負荷抵抗
【図１】
2018029312.tif 000011
【図２】
2018029312.tif 000012
【図３】
2018029312.tif 000013
【図４】
2018029312.tif 000014
【図５】
2018029312.tif 000015
【図６】
2018029312.tif 000016
【図７】
2018029312.tif 000017
【図８】
2018029312.tif 000018
【図９】
2018029312.tif 000019
【図１０】
2018029312.tif 000020
【図１１】
2018029312.tif 000021