(57)【要約】【課題】  複数の負性抵抗素子からなり、単独の負性抵抗素子では得られない電流−電圧特性を発現する複合負性抵抗素子を提供すること。【解決手段】  負性抵抗素子１の入力端子３を入力端子とし、負性抵抗素子２の出力端子６を出力端子として、直列接続した負性抵抗素子１と負性抵抗素子２の全体を１つの機能素子として用いる。この場合、負性抵抗素子１および２が負性抵抗特性を示すバイアス電圧領域およびその前後のバイアス電圧領域における電流−電圧特性の違いによって、複合負性抵抗素子１０が負性抵抗特性を示す２つの電圧領域を有する場合と、負性抵抗特性を示す１つの電圧領域とヒステリシス特性を示す１つの電圧領域とを有する場合と、ヒステリシス特性を示す２つの電圧領域を有する場合とがある。ゲート電圧で負性抵抗特性を変更できる素子で構成すれば、１つの複合負性抵抗素子をゲート電圧の違いによって２通りに使いわけることもできる。【選択図】          図１
2009158698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負性抵抗素子の出力端子が別の負性抵抗素子の入力端子に接続されることによって、複数の負性抵抗素子が接続されて形成された複合負性抵抗素子であって、
前記した複数の負性抵抗素子の各入出力端子のうち、負性抵抗素子間の接続点とされ  た端子以外の入力端子および出力端子が、それぞれ、前記複合負性抵抗素子の入力端子  および出力端子として用いられ、
複数のバイアス電圧領域において負性抵抗特性又はヒステリシス特性を示す電流−電  圧特性を有する、
複合負性抵抗素子。
【請求項２】
前記複数の負性抵抗素子に、制御端子に印加される電圧によってその電流−電圧特性が変化する負性抵抗素子が含まれ、前記制御端子に印加される電圧によって前記負性抵抗特性又はヒステリシス特性が変更される、請求項１に記載した複合負性抵抗素子。
【請求項３】
前記制御端子に印加される電圧によって、前記負性抵抗特性又はヒステリシス特性における電流値が変更される、請求項２に記載した複合負性抵抗素子。
【請求項４】
前記制御端子に印加される電圧によって、前記負性抵抗特性又はヒステリシス特性を示すバイアス電圧領域が変更される、請求項２に記載した複合負性抵抗素子。
【請求項５】
２個の負性抵抗素子が直列に接続され、負性抵抗特性を示す２つのバイアス電圧領域を有する、請求項１又は２に記載した複合負性抵抗素子。
【請求項６】
２個の負性抵抗素子が直列に接続され、負性抵抗特性を示す１つのバイアス電圧領域とヒステリシス特性を示す１つのバイアス電圧領域とを有する、請求項１又は２に記載した複合負性抵抗素子。
【請求項７】
２個の負性抵抗素子が直列に接続され、ヒステリシス特性を示す２つのバイアス電圧領域を有する、請求項１又は２に記載した複合負性抵抗素子。
【請求項８】
複数の入力信号を受け取り、各入力信号に対し、入力信号とその入力信号に対する結合荷重との積である重み付け信号を作り出す入力部と、前記の複数の重み付け信号の総和を求める加算部と、前記総和の関数として出力信号を出力する出力部とを有するニューロン素子の、前記出力信号を定める素子として前記出力部に用いられる、請求項１又は２に記載した複合負性抵抗素子。
【請求項９】
前記複数の負性抵抗素子に、機能性分子によって構成されている機能性分子負性抵抗素子が含まれる、請求項１又は２に記載した複合負性抵抗素子。
【請求項１０】
前記機能性分子において、
複数の電極が対向して配置された対向電極が形成されており、π電子共役系からなる  略平面形構造を有する骨格部に側鎖部が結合してなるπ電子共役系分子が、前記側鎖部  において前記電極に吸着されることによって、前記骨格部の前記略平面形構造が前記対  向電極に対してほぼ平行になるように配置された被吸着分子が、前記対向電極のいずれ  に対しても形成され、
少なくとも前記被吸着分子と前記対向電極とからなる構造体が、前記対向電極間に印  加された印加電圧に応じて、前記略平面形構造に交差する方向に電流を流す機能を有す  る
、請求項９に記載した複合負性抵抗素子。
【請求項１１】
前記機能性分子素子において、
前記構造体の一部として、前記被吸着分子と同種のπ電子共役系分子又は／及び別種  のπ電子共役系分子が、前記被吸着分子の前記骨格部に対し、前記骨格部における分子  間π−πスタッキングによって一方向に積み重なった配列構造体が、前記対向電極間に  形成されており、
前記構造体は、前記配列構造体の積層方向に電流を流す機能を有する、
請求項１０に記載した複合負性抵抗素子。
【請求項１２】
前記機能性分子素子の、前記負性微分抵抗を示す印加電圧領域が、ゲート電界の作用で変化する、請求項１０に記載した複合負性抵抗素子。
【請求項１３】
前記機能性分子素子において、前記π電子共役系分子の前記側鎖部がフレキシブルな構造を有している、請求項１０に記載した複合負性抵抗素子。
【請求項１４】
前記π電子共役系分子の前記側鎖部が、アルキル基、アルコキシ基、シラニル基、或いはアルキル基、アルコキシ基、又はシラニル基が結合した芳香族環からなる、請求項１４に記載した複合負性抵抗素子。
【請求項１５】
前記機能性分子素子において、前記π電子共役系分子が、中心金属イオンとリニアテトラピロール誘導体との錯体である、請求項１０に記載した複合負性抵抗素子。
【請求項１６】
少なくとも前記π電子共役系分子が、下記一般式（１）で表されるビラジエノン誘導体である、請求項１６に記載した複合負性抵抗素子。
一般式（１）：
【化１】
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（この一般式（１）において、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、及びＲ4は、各々互いに独立した同一又は異なった、炭素数が３〜１２のアルキル基である。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の負性抵抗素子からなる複合負性抵抗素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
負性抵抗特性を有するエサキ・ダイオードや共鳴トンネルダイオード（Resonant Tunneling Diode：ＲＴＤ）は、トンネル電流領域を用いる高速負性抵抗素子として、高速度スイッチング回路や、マイクロ波からミリ波に達する超高周波の発振回路および増幅回路に利用されている。また、電流−電圧特性にヒステリシス特性を有する抵抗素子は、ヒステリシスを示すバイアス電圧領域において複数の動作状態を有するため、シュミットトリガ回路のような波形整形回路に応用されている。
【０００３】
一方、負性抵抗素子を複数個直列に接続した複合負性抵抗素子は、メモリ素子などとして用いることが提案されている。例えば、後述の特許文献１には、多数のワード線１０１と多数のビット線１０２との各交差点に、メモリセルが配置されて構成されたメモリ装置において、２個の負性抵抗素子を直列接続した複合負性抵抗素子を用いる例が提案されている。図１９は、特許文献１に示されているメモリセルの回路図（ａ）、この回路に用いた負性抵抗素子の電流−電圧曲線（ｂ）、およびこの回路の待機時における動作説明図（ｃ）である。
【０００４】
図１９（ａ）に示すように、メモリセルは、ゲート電極およびドレイン電極がそれぞれワード線１０１およびビット線１０２に接続されているＮチャネルＦＥＴ（電界効果トランジスタ）１０３と、ＮチャネルＦＥＴ１０３のソース電極とセルプレートＣＰとの間に接続されたセル容量１０４と、ワード線１０１と基準電圧線１０８との間に接続された複合負性抵抗素子１０７とを備えている。複合負性抵抗素子１０７は、第１の負性抵抗素子１０５と第２の負性抵抗素子１０６とが対向するように直列に接続され、両者の接続点ＭＮがＮチャネルＦＥＴ１０３のソース電極と、セル容量１０４の一方の端子とに接続されている。
【０００５】
図１９（ｂ）に示すように、第１の負性抵抗素子１０５および第２の負性抵抗素子１０６は、エサキ・ダイオードやＲＴＤなどのトンネルダイオードなどであり、Ｎ型の電圧制御型の負性抵抗特性を有する。図１９（ａ）において、メモリセルが待機状態にあるときには、ＮチャネルＦＥＴ１０３をオフ状態にするために、複合負性抵抗素子１０７の一方の端子が接続されているワード線１０１の電位は、０Ｖに保たれている。また、基準電圧線１０８に接続された、複合負性抵抗素子１０７の他方の端子の電位は、電源電位ＶＤＤに保たれている。
【０００６】
このとき、負性抵抗素子１０５と負性抵抗素子１０６との接続点であるメモリセルノードＭＮの電位が０Ｖから電源電位ＶＤＤまで変化すると、図１９（ｃ）に示すように、素子１０５および素子１０６には、それぞれ、曲線１０９および曲線１１０で示される電流が流れる。ただし、素子１０５に流れる電流を示す曲線１０９には、素子１０６に流れる電流を示す曲線１１０に、セル容量１０４から流れ出る電流が加算されている。負性抵抗素子１０５および１０６からなる複合負性抵抗素子１０７は、曲線１０９と曲線１１０との交点である２つの安定点１１１および１１２において安定に動作する。
【０００７】
この結果、待機時のメモリセルノードＭＮの電位は、２つの安定点１１１または１１２の電位ＶＬまたはＶＨのいずれかに固定され、電源電圧が供給されている限り同一状態に保たれる。このため、セル容量１０４に蓄積された電荷量も、電源電圧が供給されている限り、メモリセルノードＭＮの電位ＶＬまたはＶＨに対応する２つの電荷量の一方に維持される。従って、図１９（ａ）に示したメモリセルは、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）と異なり、リフレッシュ操作の不要なメモリとして用いることができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−５１１８４号公報（第３頁、図１−３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
エサキ・ダイオードやＲＴＤなどの負性抵抗素子では、電流−電圧特性において抵抗が極大値となり、電流が極小値をとる点は１つだけである。これを複数に増やすことができれば、電流−電圧特性において複数の安定状態を有する素子を実現でき、多値メモリや新規演算素子に応用できる。しかし、このような素子を構成する方法は知られていない。
【００１０】
また、上述したように、電流−電圧特性にヒステリシス特性を有する抵抗素子は、シュミットトリガ回路のような波形整形回路に応用されているが、この抵抗素子がヒステリシス特性を示すバイアス電圧領域を変更することはできないので、波形整形の自由度は十分ではない。
【００１１】
一方、複数個の負性抵抗素子を接続した複合負性抵抗素子としては、特許文献１のように、負性抵抗素子間の接続点の電位を情報などとして用いる素子は提案されている。しかしながら、複合負性抵抗素子全体を１つの機能素子、例えば抵抗素子などとして用いる例は、提案されていない。このような複合負性抵抗素子によって上記の課題が解決できるのであれば、きわめて好ましい。
【００１２】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、複数の負性抵抗素子からなり、単独の負性抵抗素子では得られない電流−電圧特性を発現する複合負性抵抗素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
即ち、本発明は、負性抵抗素子の出力端子が別の負性抵抗素子の入力端子に接続されることによって、複数の負性抵抗素子が接続されて形成された複合負性抵抗素子であって、
前記した複数の負性抵抗素子の各入出力端子のうち、負性抵抗素子間の接続点とされ  た端子以外の入力端子および出力端子が、それぞれ、前記複合負性抵抗素子の入力端子  および出力端子として用いられ、
複数のバイアス電圧領域において負性抵抗特性又はヒステリシス特性を示す電流−電  圧特性を有する、
複合負性抵抗素子に係わるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の複合負性抵抗素子では、負性抵抗素子の出力端子が別の負性抵抗素子の入力端子に接続される。従って、複数の負性抵抗素子は、基本的には直列接続によって接続される。ただし、複数の負性抵抗素子が並列に接続されたものが、別の負性抵抗素子と直列に接続されていてもよい。そして、負性抵抗素子間の接続点の電位が情報として用いられるのではなく、接続された複数個の負性抵抗素子からなる複合負性抵抗素子全体が、１個の機能素子として用いられる。このため、前記した複数の負性抵抗素子の各入出力端子のうち、負性抵抗素子間の接続点とされた端子以外の入力端子および出力端子が、それぞれ、前記複合負性抵抗素子の入力端子および出力端子として用いられる。
【００１５】
このように構成された本発明の複合負性抵抗素子は、負性抵抗特性を示すバイアス電圧領域を有する負性抵抗素子によって構成されているため、単独の負性抵抗素子では得られない効果、すなわち、複数のバイアス電圧領域において負性抵抗特性又はヒステリシス特性を示す電流−電圧特性が得られるという効果を発現する。このような特性をもった素子を従来の負性抵抗素子の代わりに用いれば、より多機能なスイッチング回路、波形整形回路、および発振回路などを形成することができる。また、多数の安定状態を有する多値メモリや新規演算素子に応用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の複合負性抵抗素子において、前記複数の負性抵抗素子に、制御端子に印加される電圧によってその電流−電圧特性が変化する負性抵抗素子が含まれ、前記制御端子に印加される電圧によって前記負性抵抗特性又はヒステリシス特性が変更されるのがよい。この場合、前記制御端子に印加される電圧によって、前記負性抵抗特性又はヒステリシス特性における電流値が変更されるか、又は、前記制御端子に印加される電圧によって、前記負性抵抗特性又はヒステリシス特性を示すバイアス電圧領域が変更されるのがよい。これらにより、ヒステリシス特性を示すバイアス電圧領域が変調可能な抵抗素子が実現でき、波形整形の中心電圧および電圧幅を変更可能なシュミットトリガ回路や、抵抗素子の望ましくないヒステリシス特性をその特性に応じて補償する回路を形成することが可能になる。
【００１７】
また、２個の負性抵抗素子が直列に接続され、負性抵抗特性を示す２つのバイアス電圧領域を有するか、負性抵抗特性を示す１つのバイアス電圧領域とヒステリシス特性を示す１つのバイアス電圧領域とを有するか、或いは、ヒステリシス特性を示す２つのバイアス電圧領域を有するかであるのがよい。これらは、本発明の複合負性抵抗素子の基本的な応用形態である。
【００１８】
また、複数の入力信号を受け取り、各入力信号に対し、入力信号とその入力信号に対する結合荷重との積である重み付け信号を作り出す入力部と、前記の複数の重み付け信号の総和を求める加算部と、前記総和の関数として出力信号を出力する出力部とを有するニューロン素子の、前記出力信号を定める素子として前記出力部に用いられるのがよい。
【００１９】
また、前記複数の負性抵抗素子に、機能性分子によって構成されている機能性分子負性抵抗素子が含まれるのがよい。
【００２０】
この際、前記機能性分子において、
複数の電極が対向して配置された対向電極が形成されており、π電子共役系からなる  略平面形構造を有する骨格部に側鎖部が結合してなるπ電子共役系分子が、前記側鎖部  において前記電極に吸着されることによって、前記骨格部の前記略平面形構造が前記対  向電極に対してほぼ平行になるように配置された被吸着分子が、前記対向電極のいずれ  に対しても形成され、
少なくとも前記被吸着分子と前記対向電極とからなる構造体が、前記対向電極間に印  加された印加電圧に応じて、前記略平面形構造に交差する方向に電流を流す機能を有す  る
のがよい。
【００２１】
従来の機能性分子素子では、機能性分子と電極との接触抵抗が大きく、この結果、素子性能が制限されることが多い。これに対し、上記の機能性分子素子によれば、前記π電子共役系分子が、π電子共役系からなる略平面形構造を有する骨格部に側鎖部が結合して形成されている。このため、前記被吸着分子では、前記側鎖部が電極に吸着されることによって、前記骨格部の前記略平面形構造が前記電極に対してほぼ平行に配置され、前記電極に密着した構造をとることができる。この結果、前記π電子共役系を形成するπ電子と前記電極との電気的な相互作用が良好になり、前記π電子共役系分子と前記電極との接触抵抗が小さく抑えられる。
【００２２】
上記の機能性分子素子は、少なくとも前記被吸着分子と前記対向電極とからなる構造体が、前記対向電極間に印加されたバイアス電圧に応じて、前記略平面形構造に交差する方向に電流を流す機能を有する機能性分子素子である。この際、上述したように前記対向電極における接触抵抗が小さく抑えられ、その影響が小さくなっているため、前記機能性分子素子の電流−電圧特性は、主として、前記対向電極間に存在する前記被吸着分子および前記π電子共役系分子などの集合体の電気的特性によって決定されることになる。
【００２３】
この際、上記の機能性分子素子において、前記構造体の一部として、前記被吸着分子と同種のπ電子共役系分子又は／及び別種のπ電子共役系分子が、前記被吸着分子の前記骨格部に対し、前記骨格部における分子間π−πスタッキングによって一方向に積み重なった配列構造体が、前記対向電極間に形成されており、前記構造体は、前記配列構造体の積層方向に電流を流す機能を有するのがよい。上記のように、前記配列構造体が前記分子間π−πスタッキングによって形成されていると、π電子間の相互作用によって効果的に前記配列構造体の積層方向に電流を流すことができる。
【００２４】
また、ゲート電界の作用で前記負性微分抵抗を示すバイアス電圧領域が変化するのがよい。このようなユニークな電気特性を利用すれば、これまでどのような素材を用いても一素子では実現できなかった、負性微分抵抗のピークトップ電圧位置を第３電極（ゲート電極）から変調するような機能性分子素子を構成することができる。
【００２５】
また、前記機能性分子において、前記π電子共役系分子の前記側鎖部がフレキシブルな構造を有しているのがよい。このようであれば、前記側鎖部が前記電極上に吸着されやすくなり、前記電極との間の抵抗を減少させることができる。この前記側鎖部は、アルキル基、アルコキシ基、シラニル基、或いはアルキル基、アルコキシ基、又はシラニル基が結合した芳香族環からなるのがよい。
【００２６】
また、前記機能性分子において、前記π電子共役系分子、及び／又は前記別種のπ電子共役系分子が、中心金属イオンとリニアテトラピロール誘導体との錯体であるのがよい。特に、亜鉛イオンを中心金属イオンとする錯体からなる前記配列構造体は、作用される電界の有無によって電導性が良好なＯＮとＯＦＦのスイッチング特性を示すのでスイッチング回路などを作製することができる。前記中心金属イオンとしては、亜鉛イオン以外に銅イオンやニッケルイオンなどの遷移元素や典型元素の金属イオンを用いることができる。
【００２７】
この際、少なくとも前記π電子共役系分子が、下記一般式（１）で表されるビラジエノン誘導体であるのがよい。
一般式（１）：
【化１】
2009158698.tif 000003
（この一般式（１）において、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、及びＲ4は、各々互いに独立した同一又は異なった、炭素数が３〜１２のアルキル基である。）
【００２８】
ここで、Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、及びＲ4としては、炭素原子数３〜１２であればよく、例えば−Ｃ10Ｈ21、−Ｃ12Ｈ25が挙げられる。このような炭素原子数を有する側鎖であれば、前記π電子共役系分子が結晶化することなしに電極上に良好に配向した状態で固定されると共に、合成も容易である。一方、炭素原子数が１又は２であると、前記π電子共役系分子が結晶化しやすくなり、液晶的な物性を示さなくなって配向不良を生じ易くなる。また、炭素原子数が１３以上になると、かえって配向し難くなり、合成も困難となる。
【００２９】
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に、より具体的に説明する。
【００３０】
実施の形態１
実施の形態１では、主として、請求項１、および請求項６に記載した、負性抵抗特性を示す１つのバイアス電圧領域とヒステリシス特性を示す１つのバイアス電圧領域とを有する複合負性抵抗素子に関わる例について説明する。
【００３１】
図１は、実施の形態１に基づく複合負性抵抗素子１０の構成を示す概略図（ａ）、ならびに複合負性抵抗素子１０を構成する負性抵抗素子１および２にそれぞれ印加される電圧間の関係を示すグラフ（ｂ）である。図１（ａ）に示すように、複合負性抵抗素子１０では、負性抵抗素子１の出力端子４と負性抵抗素子２の入力端子５とが接続され、負性抵抗素子１の入力端子３および負性抵抗素子２の出力端子６が、それぞれ、複合負性抵抗素子１０の入力端子および出力端子として用いられている。負性抵抗素子１と負性抵抗素子２とは直列に接続されているので、素子１と素子２とには、同じ大きさの電流Ｉが流れる。また、複合負性抵抗素子１０が電圧Ｖの電源に接続されているとき、素子１および素子２にそれぞれ印加される電圧をＶ1およびＶ2とすると、
Ｖ＝Ｖ1＋Ｖ2
の関係がある。以下、Ｖ1とＶ2との配分について検討する。
【００３２】
図２は、負性抵抗素子１および２の電流−電圧特性を示す説明図である。図２（ａ）に示すように各負性抵抗素子に電源を接続し、各素子単独の電流−電圧特性を測定すると、負性抵抗素子１および２は、それぞれ、図２（ｂ）に示すＮ字形の電圧制御型の負性抵抗特性を示す。すなわち、電圧を印加していない状態から出発して印加電圧ＶＳを徐々に増加させていくと、初め電流ＩＳは電圧ＶＳの増加とともに増加するが、電流値がＡ点で極大値ＩＡに達した後、電流ＩＳが電圧ＶＳの増加につれて減少する負性抵抗領域Ａ−Ｂが現れ、電流値がＢ点で極小値ＩＢを示した後、再び電流ＩＳが電圧ＶＳの増加とともに増加する。このような負性抵抗素子として、エサキ・ダイオードやＲＴＤなどのトンネルダイオードが挙げられる。
【００３３】
本実施の形態では、説明を簡単にするため、素子１と素子２は、同一の電流−電圧特性を有するものとする。また、実際の負性抵抗素子の電流−電圧曲線は曲線であるが、３本の直線Ｏ−Ａ、Ａ−Ｂ、およびＢ−Ｃで近似できるものとする。そして、Ａ点の電圧をＶＡ、Ｂ点の電圧をＶＢとおく。また、直線Ｂ−Ｃ上で電流値がＡ点と同じになる点をＤ、その電圧をＶＤとし、直線Ｏ−Ａ上で電流値がＢ点と同じになる点をＥ、その電圧をＶＥとおく。
【００３４】
図１（ａ）に示したように電源を接続して、電源電圧Ｖをゼロから徐々に増加させていくと、電流Ｉは、素子１および素子２にそれぞれ印加される電圧Ｖ1およびＶ2と、図２（ｂ）に示した電流−電圧特性を満たしながら変化して行く。このとき、負性抵抗領域Ａ−Ｂと同じ電流値を示す領域が区間Ａ−Ｅおよび区間Ｄ−Ｂにあるため、各素子が負性抵抗領域Ａ−Ｂを通過するときのしかたによって、素子１および素子２に印加される電圧Ｖ1およびＶ2には３通りの変化のパターンが起こり得る。図１（ｂ）はこれら３通りのパターンを示している。
【００３５】
すなわち、図１（ｂ）では、に示したグラフは、横方向に素子１に印加される電圧Ｖ1をとり、縦方向に素子２に印加される電圧Ｖ2をとり、素子１を流れる電流と素子２を流れる電流とが等しいという条件を満たしながら、Ｖの増加とともに変化して行くＶ1およびＶ2を図示している。素子１および素子２が同時に区間Ａ−Ｂを通過し、常にＶ1＝Ｖ2である場合には、点（Ｖ1、Ｖ2）は、実線および破線で示した傾き４５度の直線ＯＯ−ＣＣ上を左から右へ動く。これに対し、素子１が区間Ａ−Ｂを通過した後に、素子２が遅れて区間Ａ−Ｂを通過する場合には、点（Ｖ1、Ｖ2）は、上記直線からＡＡ点で分れ、実線で示したグラフＯＯ−ＡＡ−ＢＥ−ＤＡ−ＢＢ−ＣＣ上を動く。また、素子２が区間ＡＢを通過した後に、素子１が遅れて区間ＡＢを通過する場合には、点（Ｖ1、Ｖ2）は、上記直線からＡＡ点で分れ、実線および点線で示したグラフＯＯ−ＡＡ−ＥＢ−ＡＤ−ＢＢ−ＣＣ上を移動する。なお、任意のＶに対し、どのようなＶ1とＶ2との組（Ｖ1、Ｖ2）があるのか知るためには、Ｖ＝Ｖ1＋Ｖ2のグラフと上記の３本のグラフとの交点（例えば、図１（ｂ）の白ヌキ点、黒点、および細白ヌキ点）を見ればよい。
【００３６】
上記の３通りのパターンのうち、あとの２つは素子１と素子２が役割を交換したのに過ぎないので、複合負性抵抗素子１０の電流−電圧特性は同じになる。以下、点（Ｖ1、Ｖ2）がグラフＯＯ−ＣＣ上を動く場合と、グラフＯＯ−ＡＡ−ＢＥ−ＤＡ−ＢＢ−ＣＣ上を動く場合との電流−電圧特性について、より詳しく説明する。
【００３７】
なお、グラフＯＯ−ＡＡ−ＢＥ−ＤＡ−ＢＢ−ＣＣの形状、および点（Ｖ1、Ｖ2）がこの上を動く場合の電流−電圧曲線の形状は、区間Ａ−Ｂの電圧差ＶＢ−ＶＡと、区間Ｅ−Ａの電圧差ＶＡ−ＶＥ、および区間Ｂ−Ｄの電圧差ＶＤ−ＶＢとの大小関係によって、４つの場合に分類することができる。実施の形態１では、このうち、
ＶＢ−ＶＡ＞ＶＡ−ＶＥ      ∴２ＶＡ＜ＶＢ＋ＶＥ
ＶＢ−ＶＡ＜ＶＤ−ＶＢ      ∴ＶＤ＋ＶＡ＞２ＶＢ
である場合について説明し、残りは実施の形態２〜４で説明する。
【００３８】
また、説明を簡単にするため、
ＶＢ＝２ＶＡ
ＩＡ＝２ＩＢ
ＶＤ＝４ＶＡ
とする。従って
ＶＥ＝(１／２)ＶＡ
である。
【００３９】
図３（ａ）は、点（Ｖ1、Ｖ2）がグラフＯＯ−ＣＣ上を動く場合の、複合負性抵抗素子１０の電流−電圧曲線を示すグラフであり、図３（ｂ）は、それを説明する、素子１および素子２にそれぞれ印加される電圧Ｖ1およびＶ2と電流Ｉとの関係を示すグラフである。
【００４０】
この場合、図３（ｂ）に示すように、常にＶ1＝Ｖ2であり、各素子は、図２（ｂ）に示した各素子単独の場合の電流−電圧曲線上を左から右へ単調に進むだけである。各素子に印加される電圧Ｖ1＝Ｖ2は複合負性抵抗素子１０に印加される電圧Ｖの半分になるので、同じ大きさの電流Ｉを得るためには、各素子単独の場合の電圧ＶＳの２倍の電圧Ｖが必要になる。この結果、複合負性抵抗素子１０の電流−電圧曲線は、各素子単独の場合の電流−電圧曲線の電圧を２倍に大きくしたものになる。２つの素子が同時に負性抵抗領域Ａ−Ｂを通過するので、負性抵抗を示す領域は区間ＡＡ−ＢＢに１回現れるだけで、各素子単独の場合と本質的な違いはない。
【００４１】
一方、図４（ａ）および（ｂ）は、点（Ｖ1、Ｖ2）がグラフＯＯ−ＡＡ−ＢＥ−ＤＡ−ＢＢ−ＣＣ上を動く場合の、複合負性抵抗素子１０の電流−電圧曲線を示すグラフであり、図４（ｃ）および図５は、それを説明する、素子１および素子２にそれぞれ印加される電圧Ｖ1およびＶ2と電流Ｉとの関係を示すグラフである。
【００４２】
この場合、図４（ｃ）および図５に示すように、初めのステップ（１）では、両素子とも電流−電圧曲線のＯ−Ａ上を左から右へ進むが、次のステップ（２）では、素子１が負性抵抗領域Ａ−Ｂ上を左から右へ進むのに対し、素子２は電流−電圧曲線のＡ−Ｅ上を右から左へ逆もどりする。この後、ステップ（３）では、両素子はそれぞれ電流−電圧曲線のＢ−Ｄ上、およびＥ−Ａ上を左から右へ進むが、次のステップ（４）では、素子２が負性抵抗領域Ａ−Ｂ上を左から右へ進むのに対し、素子１は電流−電圧曲線のＤ−Ｂ上を右から左へ逆もどりする。この後、ステップ（５）では、両素子とも電流−電圧曲線のＢ−Ｃ上を左から右へ進む。
【００４３】
以上の考察から、点（Ｖ1、Ｖ2）がグラフＯＯ−ＡＡ−ＢＥ−ＤＡ−ＢＢ−ＣＣ上を動く場合の、複合負性抵抗素子１０の電流−電圧曲線として、図４（ａ）に示したグラフが得られる。このグラフでは、ステップ（２）で素子１が負性抵抗領域Ａ−Ｂを通過し、ステップ（４）で素子２が負性抵抗領域Ａ−Ｂを通過することに対応して、区間ＡＡ−ＢＥおよび区間ＤＡ−ＢＢで電流Ｉが減少する。この結果、電流が極大値および極小値を示す点の数がそれぞれ２つになるなど、各素子単独の場合の電流−電圧曲線の形状と比べて本質的に異なるものになる。
【００４４】
ただし、本実施の形態では、
ＶＢ−ＶＡ＜ＶＤ−ＶＢ（ＶＤ＋ＶＡ＞２ＶＢ）
であるため、上記の考察は、図４（ａ）に点線で囲んで示した、ステップ（４）での複合負性抵抗素子１０の動作を修正する必要がある。ステップ（４）では、素子２が電流−電圧曲線のＡ−Ｂ上を左から右へ進むことによるＶ２の増加分＋(ＶＢ−ＶＡ)に比べて、素子１が電流−電圧曲線のＤ−Ｂ上を右から左へ逆もどりすることによるＶ１の減少分−(ＶＤ−ＶＢ)の絶対値(ＶＤ−ＶＢ)の方が大きいので、図４（ａ）に示すように、ステップ（４）における電圧Ｖの変化は負になる。従って、電圧Ｖを増加させていくときには、複合負性抵抗素子１０は電流−電圧曲線のＤＡ−ＢＢ上を進むことができず、図４（ｂ−１）に示すように、点ＤＡから直線ＢＢ−ＣＣ上の点ＦＦへ遷移する。直線ＢＢ−ＣＣ上の点ＦＦでは素子１と素子２に印加される電圧は等しいので、これをＶＦとおくと、
２ＶＦ＝ＶＤ＋ＶＡ
である。
【００４５】
同様のことは、複合負性抵抗素子１０に加える電圧Ｖを減少させていく場合にも起こる。図４（ａ）に示すように、ＣＣ点からＶを減少させて電流−電圧曲線上をＢＢ点までくると、点ＢＢから点ＤＡへの電圧Ｖの変化は正であるので、電圧Ｖを減少させていくときには、複合負性抵抗素子１０は電流−電圧曲線のＢＢ−ＤＡ上を進むことができない。このため、図４（ｂ−２）に示すように、点ＢＢから直線ＤＡ−ＢＥ上の点Ｇへ遷移する。
【００４６】
このように、電圧Ｖを増加させていくときにも、電圧Ｖを減少させていくときにも、複合負性抵抗素子１０が電流−電圧曲線のＢＢ−ＤＡ上を進むことはなく、点ＤＡおよび点ＢＢで不連続の遷移が起こる。このとき
ΔＶ＝ＶＤＡ−ＶＢＢ＝ＶＤ＋ＶＡ−２ＶＢ＞０
であるので、複合負性抵抗素子１０の電流−電圧曲線は、電圧が増加するときと電圧が減少するときとで進む経路が異なり、平行四辺形の空隙を囲むヒステリシスを有する形状になる。そして、ΔＶ＝ＶＤ＋ＶＡ−２ＶＢが、ヒステリシスの幅を決定するので、適当なＶＡ、ＶＢ、およびＶＤを有する負性抵抗素子を選択することによって、所望の電圧幅のヒステリシスを有する複合負性抵抗素子１０を構成することができる。
【００４７】
図６は、上記の変化を、素子１および素子２に印加される電圧Ｖ1とＶ2との関係を示す図１（ｂ）のグラフ上の黒点（Ｖ1、Ｖ2）の移動として示した説明図である。比較として、点（Ｖ1、Ｖ2）がグラフＯＯ−ＣＣ上を移動する場合を白ヌキ点で示した。電圧Ｖをゼロから始めて徐々に増加させていくとき、黒点は、ステップ（１）では白ヌキ点と同様にＯＯ−ＡＡ上を進むが、ステップ（２）では分岐してＡＡ−ＢＥ上を進む。これが負性抵抗領域である。その後、ステップ（３）でＢＥ−ＤＡを経て、ステップ（４）のヒステリシス領域へ進む。ステップ（４）では、修正として上述したように、黒点（Ｖ1、Ｖ2）はＤＡからＢＢ−ＣＣ上の点ＦＦへ遷移し、ＤＡ−ＢＢ上を進むことはない。その後、ステップ（５）では、黒点は白ヌキ点と同様にＦＦ−ＣＣ上を進む。
【００４８】
図６（６）は、ＣＣから始めて電圧Ｖを徐々に減少させていくとき、点ＢＢでＤＡ−ＢＥ上の点Ｇへ遷移する変化を示した。図６（４）および（６）に示したように、電流−電圧曲線がヒステリシス領域を有することに対応して、多角形ＡＡ−ＢＥ−ＤＡ−ＢＢ−ＡＤ−ＥＢ−ＡＡの角ＢＢは凹角になる。
【００４９】
以上をまとめると図７が得られる。図７は、複合負性抵抗素子１０を構成する負性抵抗素子１および２の電流−電圧特性を示すグラフ（ａ）、複合負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフ（ｂ）、および各負性抵抗素子に印加される電圧間の関係を示すグラフ（ｃ）である。
【００５０】
図７（ａ）に示した負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフでは、
ＶＢ−ＶＡ＞ＶＡ−ＶＥ（２ＶＡ＜ＶＢ＋ＶＥ）
ＶＢ−ＶＡ＜ＶＤ−ＶＢ（ＶＤ＋ＶＡ＞２ＶＢ）
である。このとき、上記負性抵抗素子を２個直列接続した複合負性抵抗素子は、図７（ｂ）に示すように、１つの負性抵抗領域ＡＡ−ＢＥと１つのヒステリシス領域を有する電流−電圧特性を示す。
【００５１】
図８は、複合負性抵抗素子１０で発生する単位時間当たりの発熱量Ｑを、負性抵抗素子２に印加される電圧Ｖ２の全電圧Ｖに対する割合Ｖ２／Ｖに対して図示したグラフである。図８には、電圧Ｖを０．１Ｖから５．７Ｖまで変化させた例を示した。また、ＶＡ＝１Ｖ、ＶＢ＝２Ｖ、ＶＤ＝４Ｖ、ＶＥ＝０．５Ｖ、ＩＡ＝１Ａ、およびＩＢ＝０．５Ａとした。発熱量Ｑは下記の式
Ｑ＝ＩＶ１＋ＩＶ２＝Ｉ（Ｖ１＋Ｖ２）＝ＩＶ
で与えられる。
【００５２】
Ｖ２／Ｖは、電圧Ｖが負性抵抗素子１および２に配分される割合を表すパラメータであり、複合負性抵抗素子１０が図７（ｃ）の直線ＯＯ−ＣＣ上を動く場合には常に
Ｖ２／Ｖ＝０．５
であり、ＯＯ−ＡＡ−ＢＥ−ＤＡ−ＦＦ−ＣＣ上を動く場合には、ＯＯ−ＣＣ上以外の領域ではＶ１＞Ｖ２であるから、
Ｖ２／Ｖ＜０．５
である。
【００５３】
与えられた電圧下で、図１（ａ）に示した複合負性抵抗素子を流れる電流値は、単位時間当たりの発熱量Ｑが極小となる値をとると考えられる（例えば、イリヤ・プリゴジン、ディリプ・コンデプディ、「現代熱力学―熱機関から散逸構造へ」、みすず書房  参照。）。
【００５４】
この原理に基づいて図８から複合負性抵抗素子の電流−電圧曲線を決定することを考えると、電圧Ｖを増加させていったときと減少させていったときとで、電流値が異なる場合があることがわかる。すなわち、Ｖをゼロから徐々に上げていくと、Ｖ＝１．７Ｖ付近で状態はＶ１＝Ｖ２から分岐の極小点へと移り、Ｖ＝４．３Ｖ付近で再びＶ１＝Ｖ２に戻る。一方、十分高い電圧（例えば、Ｖ＝５．７Ｖ）からＶを下げていくと、Ｖ＝４．１Ｖ付近までＶ１＝Ｖ２の状態をとった後、分岐に移り、Ｖ＝１．３Ｖ付近で再びＶ１＝Ｖ２に戻る。その結果、電流−電圧特性は図７（ｂ）のようになり、ヒステリシスをもつことになる。
【００５５】
実施の形態２
実施の形態２では、主として、請求項６に記載した、負性抵抗特性を示す１つのバイアス電圧領域とヒステリシス特性を示す１つのバイアス電圧領域とを有する複合負性抵抗素子であって、実施の形態１で説明した例とは別の例について説明する。
【００５６】
図９は、実施の形態２に基づく複合負性抵抗素子を構成する負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフ（ａ）、複合負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフ（ｂ）、および各負性抵抗素子に印加される電圧間の関係を示すグラフ（ｃ）である。
【００５７】
図９（ａ）に示した負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフでは、
ＶＢ−ＶＡ＜ＶＡ−ＶＥ（２ＶＡ＞ＶＢ＋ＶＥ）
ＶＢ−ＶＡ＞ＶＤ−ＶＢ（ＶＤ＋ＶＡ＜２ＶＢ）
である。このとき、図９（ｂ）に示すように、上記負性抵抗素子を２個直列接続した複合負性抵抗素子は、１つのヒステリシス領域と１つの負性抵抗領域ＤＡ−ＢＢとを有する電流−電圧特性を示す。
【００５８】
実施の形態３
実施の形態３では、主として、請求項７に記載した、ヒステリシス特性を示す２つのバイアス電圧領域を有する複合負性抵抗素子の例について説明する。
【００５９】
図１０は、実施の形態３に基づく複合負性抵抗素子を構成する負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフ（ａ）、複合負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフ（ｂ）、および各負性抵抗素子に印加される電圧間の関係を示すグラフ（ｃ）である。
【００６０】
図１０（ａ）に示した負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフでは、
ＶＢ−ＶＡ＜ＶＡ−ＶＥ（２ＶＡ＞ＶＢ＋ＶＥ）
ＶＢ−ＶＡ＜ＶＤ−ＶＢ（ＶＤ＋ＶＡ＞２ＶＢ）
である。このとき、図１０（ｂ）に示すように、上記負性抵抗素子を２個直列接続した複合負性抵抗素子は、２つのヒステリシス領域を有する電流−電圧特性を示す。
【００６１】
実施の形態４
実施の形態４では、主として、請求項５に記載した、負性抵抗特性を示す２つのバイアス電圧領域を有する複合負性抵抗素子の例について説明する。
【００６２】
図１１は、実施の形態４に基づく複合負性抵抗素子を構成する負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフ（ａ）、複合負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフ（ｂ）、および各負性抵抗素子に印加される電圧間の関係を示すグラフ（ｃ）である。
【００６３】
図１１（ａ）に示した負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフでは、
ＶＢ−ＶＡ＞ＶＡ−ＶＥ（２ＶＡ＜ＶＢ＋ＶＥ）
ＶＢ−ＶＡ＞ＶＤ−ＶＢ（ＶＤ＋ＶＡ＜２ＶＢ）
である。このとき、図１１（ｂ）に示すように、上記負性抵抗素子を２個直列接続した複合負性抵抗素子は、２つの負性抵抗領域ＡＡ−ＢＥおよびＤＡ−ＢＢを有する電流−電圧特性を示す。
【００６４】
実施の形態４に基づく複合負性抵抗素子は、複数の入力信号を受け取り、各入力信号に対し、入力信号とその入力信号に対する結合荷重との積である重み付け信号を作り出す入力部と、前記の複数の重み付け信号の総和を求める加算部と、前記総和の関数として出力信号を出力する出力部とを有するニューロン素子の、出力信号を定める素子として出力部に用いられるのがよい。
【００６５】
ニューラルネットワーク（神経回路網）は、脳における情報処理の特徴を模倣した情報処理回路網であり、このネットワークを構成する素子が、神経細胞（ニューロン）を模倣したニューロン素子である（ニューラルネットの基礎と応用，馬場則夫，小島史男，小澤誠一，共立出版，１９９４年、実践ニューラルネット，宮沢丈夫，月刊アスキー，第１２巻，１９８８年９月号，p.237〜第１３巻，１９８９年４月号，p.341）。
【００６６】
図１２（ａ）は、ニューロン素子の機能をモデル的に示す概略説明図である。図１２（ａ）に示すように、ニューロン素子２０は入力部２１と、加算部２２と、出力部２３からなる。
【００６７】
入力部２１は、神経細胞の入力部であるシナプスの機能に対応して、他のニューロン素子からの各入力信号ｘi（ｉ＝１〜ｎ）に対し、入力信号ｘiと、その入力に対応する結合荷重ｗi（ｉ＝１〜ｎ）との積である重み付け信号ｗiｘi（ｉ＝１〜ｎ）を作り出す。結合荷重ｗiはシナプスにおける信号伝達特性に対応する。
【００６８】
加算部２２は、神経細胞の本体である細胞体の機能に対応して、すべての入力信号ｘi（ｉ＝１〜ｎ）に対して次式
Ｘ＝ｗ1ｘ1＋ｗ2ｘ2＋・・・＋ｗnｘn
で定義される重み付け信号ｗiｘiの総和（ネット値）Ｘを求め、出力部２３へ出力する。総和（ネット値）Ｘは入力信号によって生じる軸索電位の上昇に対応する。
【００６９】
このモデルでは、結合荷重ｗiを大きくすれば、入力信号ｘiを与える入力側ニューロン素子がニューロン素子２０に対して強い影響を与えることを表現することができる。また、結合荷重ｗiを０にすれば、入力信号ｘiを与えるニューロン素子がニューロン素子２０に対する有効な作用をもたないことを表現することができ、結合荷重ｗiを負にすれば、入力信号ｘiを与えるニューロン素子が、ニューロン素子２０に対して抑制的に作用することを表現することができる。
【００７０】
出力部２３は、総和（ネット値）Ｘの関数として出力信号Ｙ（Ｘ）を定め、出力する。図１２（ｂ−１）は、出力関数Ｙ（Ｘ）がθをしきい値とするしきい値型関数（ステップ関数）である例を示している。これは、マカロックとピッツが初めて神経細胞の動作をモデル化し、多入力１出力の関数として形式ニューロンを定義したときに採用したもので、出力部２３は、
Ｘ＜θの場合、Ｙ＝０
Ｘ＝θまたはＸ＞θの場合、Ｙ＝１
を出力する。
【００７１】
図１２（ｂ−２）は、出力関数Ｙ（Ｘ）がシグモイド型関数
Ｙ＝１／（１＋ｅｘｐ（−ａＸ））
である例を示している。シグモイド型関数は、入力Ｘに対して非線形な特性をもつが、Ｘの増加によって０から１まで単調に増加する関数である。式中のａは関数の傾きの急峻さを決めるパラメータであり、ａが大きくなるほど、関数Ｙはステップ関数に近づく。また、上式を
Ｙ＝１／（１＋ｅｘｐ（−ａ（Ｘ−θ）））
に変更すれば、シグモイド型関数にしきい値θを導入することができる。
【００７２】
図１２（ｂ−３）は、出力関数Ｙ（Ｘ）が２つのしきい値を有するしきい値型関数（ステップ関数）である例を示している。図１２（ｂ−３−１）に示した例では、出力部２３は、
Ｘ＝−θまたはＸ＜−θの場合、Ｙ＝−１
−θ＜Ｘ＜θの場合、Ｙ＝０
Ｘ＝θまたはＸ＞θの場合、Ｙ＝１
を出力する。
【００７３】
また、図１２（ｂ−３−２）に示した例では、出力部２３は、
Ｘ＝−θまたはＸ＜−θの場合、Ｙ＝０
−θ＜Ｘ＜０の場合、Ｙ＝−１
Ｘ＝０の場合、Ｙ＝０
０＜Ｘ＜θの場合、Ｙ＝１
Ｘ＝θまたはＸ＞θの場合、Ｙ＝０
を出力する。
【００７４】
上述したニューロン素子２０を複数個組み合わせることによって論理演算が可能になり、多数個接続することによってニューラルネットワークを形成することができる。この際、ニューロン素子の接続の仕方によってネットワークの構造と特徴が決まる。ニューラルネットワークは、ネットワーク構造の違いによって階層型ネットワークと相互結合型ネットワークとに大別される。
【００７５】
階層型ニューラルネットワークは、例えば、入力層、中間層、および出力層からなり、入力信号は入力層のニューロン素子に加えられ、それに対する出力信号が出力層のニューロン素子から取り出される。この例のように、階層型ネットワークは、ニューロン素子が複数の層に配置され、ニューロン素子同士が層間で結合されることによって構成され、信号は入力層から出力層へ向かって層から層へと一方向にのみ伝えられる。
【００７６】
階層型ニューラルネットワークでは、ある入力信号に対する実際の出力信号と望ましい出力信号との誤差に基づいて、各ニューロン素子の結合荷重ｗi、および出力関数のしきい値θを変更することによって、より好ましい出力信号が得られるようにすることができる。これが階層型ニューラルネットワークが有する学習機能である。階層型ニューラルネットワークは、ネットワークを構成するニューロン素子として、出力関数Ｙ（Ｘ）がステップ関数ではなく、アナログ型のシグモイド型関数であるニューロン素子を用いると、学習・判別能力が格段に向上することが知られている。
【００７７】
相互結合型ニューラルネットワークの一例であるホップフィールドネットワークでは、結合荷重ｗiｊは系をモデル化する際にパラメータとして固定され、計算過程で自律的な学習が行われることはない。しかし、結合荷重を適切に設定すると、各ニューロン素子の値は最適値に収束するとされている。この際、ネットワークを構成するニューロン素子として、出力関数Ｙ（Ｘ）がステップ関数ではなく、アナログ型のシグモイド型関数であるニューロン素子を用いると、収束性が格段に向上することが知られている。
【００７８】
また、図１２（ｂ−３）を用いて説明した、出力関数Ｙ（Ｘ）が２つのしきい値を有するしきい値型関数（ステップ関数）であるニューロン素子を用いると、記憶容量を増大させたり、想起の障害となるノイズ成分を除去したりできる等、ホップフィールドネットワークの性能を向上させることができる可能性が理論的に示唆されている（M.Shiino and T.Fukai, Phys. Rev., E48 (1993), 867-897）。
【００７９】
上記のように、出力信号を工夫することでネットワークの性能を向上させることができるので、ニューロン素子の出力信号を定める素子として、本実施の形態の、負性抵抗特性を示す２つのバイアス電圧領域を有する複合負性抵抗素子を用いれば、ネットワークの性能を向上させる効果が期待できる。
【００８０】
実施の形態５
実施の形態５では、主として、請求項９〜１６に関わる例として、前記複数の負性抵抗素子に、機能性分子によって構成されている機能性分子負性抵抗素子が含まれる例について説明する。
【００８１】
ここで用いる機能性分子負性抵抗素子では、先述したように、π電子共役系からなる略平面形構造を有する骨格部に側鎖部が結合してなるπ電子共役系分子が、その側鎖部において対向電極の各電極主面に吸着されることによって、その骨格部の略平面形構造が対向電極に対してほぼ平行になるように配置される。さらに、被吸着分子と対向電極とからなる構造体の一部として、対向電極間に、被吸着分子と同種のπ電子共役系分子が、分子間π−πスタッキングによって被吸着分子の骨格部に対し一方向に積み重なった配列構造体が形成されている（機能性分子素子４０の詳細については、特開２００６−３５１６２３号公報および特願２００６−３０８８８１参照。）。
【００８２】
図１２（ａ）は、前記被吸着分子および前記配列構造体を形成するπ電子共役系分子４１の、分子構造の一例を示す構造式である。図１２（ｂ）は、図１１（ａ）に示したπ電子共役系分子４１の、主として略円盤状骨格部４２の立体構造を示すための模式図である。図１１（ｂ）中、骨格部４２を形成している金属イオンＭ、窒素原子、炭素原子、および酸素原子は球として示されており、水素原子は図示省略され、側鎖部４３はごく簡単に省略して示されている。
【００８３】
図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、π電子共役系分子４１の骨格部４２は、ビラジエノン（詳しくは、４，９−ビラジエン−１−オン）を基本構造としている。ビラジエノンは、開環したポルフィリン環に相当する構造を有するリニアテトラピロールの１種である。骨格部４２は、π電子共役系によってポルフィリン様のリジッドな略平面形構造を形成しているが、開環したポルフィリン環の開裂部に２つのカルボニル基（Ｃ＝Ｏ基）が形成され、これらが対向し合っているため、平面形から少しねじれ、フレキシビリティを残したらせん巻きの略円盤状の形状になっている。略円盤状構造の中心部にあるＭは、亜鉛イオンなどの金属イオンであり、機能性分子素子がスイッチング特性を示すためには有用である。
【００８４】
π電子共役系分子４１は、上記骨格部４２に、ｐ−アルキルフェニル基からなる側鎖部４３が結合して形成されている。側鎖部４３は、Ｃ−Ｃ軸まわりの分子内回転によってフレキシブルな鎖状構造を形成している。
【００８５】
図１３（ａ）は、機能性分子素子４０の構造をモデル的に示す概略図であり、図１３（ｂ）は、分子素子４０を構成する配列構造体４４の第１層のπ電子共役系分子４１（電極表面に吸着されている前記被吸着分子４７）の、電極に対する配向構造を示す説明図である。
【００８６】
図１３（ａ）は、略円盤状の骨格部４２を有するπ電子共役系分子４１が、ナノスケールのギャップをもつ、例えば金からなる２つの電極４５および４６の間に、その円盤面を電極４５および４６の表面に平行に配向させて一方向に配列し、カラム状配列構造体４４を形成した機能性分子素子４０を示している。
【００８７】
従来から、π電子共役系分子４１のように、リジッドな円盤または略円盤状の骨格部を有するπ電子共役系分子を用いて配列構造体を形成すると、各分子の円盤または略円盤状の骨格部はπ-π電子相互作用によって互いに平行に（face-to-faceに対向するように）スタックし、π電子はスタックした骨格部の間に非局在化することが知られている。特に、長鎖（炭素数６以上）のアルキル基側鎖を有する分子（ディスコティック液晶など）の場合には、π電子共役系分子はカラム状に積層され、積層方向に高い導電性を示すことができる。また、円盤または略円盤状の骨格部の中心付近に金属イオンを配位させていてもよいとされている。
【００８８】
上記のように、リニアテトラピロールなどの略円盤状のπ電子共役系分子がπ-πスタッキングして形成された配列構造体の機能の一例として、積層方向に電子の流れを通すパイプ（channel chain）としての機能が考えられる。通常の導電性鎖状分子に比べて、電流通路の径が大きく、電流を多く流すことが可能である。
【００８９】
ただし、上記の配列構造体を導電体として用いる場合、図１３（ａ）に示すように、電流を流そうとする方向（電極５と電極６とを結ぶ方向）に配列構造体４４の積層方向を一致させ、かつ、電極４５および４６における接触抵抗が小さくなるように、配列構造体４４の端部が電極４５および４６の表面に密着するように配置することが必要である。
【００９０】
配列構造体を構成するπ電子共役系分子として側鎖のない分子を用いると、電極表面上での吸着状態を制御して、円盤面を選択的に電極表面に平行に配向させる作用を有する基が存在しないため、電極表面に対するπ電子共役系分子の配向や分子の積層方向を制御することができない。
【００９１】
そこで、本実施の形態では、π電子共役系分子として、図１２（ａ）に示したフレキシブルな側鎖部４３を有するπ電子共役系分子４１を用いる。そして、π電子共役系分子４１の濃度を適切に調節したπ電子共役系分子４１の溶液を調製し、この溶液をキャスト法などの塗布法などで電極４５または４６に被着させ、溶液から溶媒を蒸発させた後、必要ならアニール処理を施し、前記被吸着分子である被吸着分子４７を電極４５または４６の表面に密着させて配置する。そして、この被吸着分子４７の上にπ-πスタッキングによってπ電子共役系分子を積み重ね、配列構造体４４を形成する。ここで積層するπ電子共役系分子は、π電子共役系分子４１に対してπ-πスタッキングを形成できる分子であること以外に特に制限はない。図１３（ａ）には、π電子共役系分子４１と同種の分子を積層する例を示したが、前記別種のπ電子共役系分子を積層してもよい。
【００９２】
この際、図１３（ｂ）に示すように、配列構造体４４の第１層を形成するπ電子共役系分子４１（被吸着分子４７）は、フレキシブルな側鎖部４３が電極４５（または４６）の表面に吸着され、骨格部４２の略円盤面が電極４５（または４６）の表面にほぼ平行に密着するように固定されることが重要である。この結果、骨格部４２のπ電子が電極上に非局在化することができ、配列構造体４４と電極４５（または４６）との界面での接触抵抗が小さく抑えられる。
【００９３】
また、配列構造体４４の第２層以後の分子層の積層方向は、電極面に平行に配置された、被吸着分子４７の骨格部４２の略円盤面を基準として、下層分子層の骨格部の略円盤面の上に、上層分子層の骨格部の略円盤面が平行に重なるように、π-π相互作用によって制御される。配列構造体４４は、π電子間の相互作用によって効果的に積層方向に電流を流すことができる。
【００９４】
図１４は、本実施の形態に基づく別の機能性分子素子５０の構造を示す断面図である。図１４に示すように、機能性分子素子５０は、絶縁ゲート型電界効果トランジスタと同様の構造をもっており、ドープされたシリコン基板５１が、配列構造体４４に電界を作用させるゲート電極５３を兼ねている。シリコン基板５１の表面にはゲート絶縁膜５２として酸化シリコン層が形成され、その上に、例えばクロム層と金層が積層されたソース電極５４およびドレイン電極５５が前記対向電極として形成され、これらの電極間に機能性分子素子４０と同様の配列構造体４４が配置されている。ソース電極５４とドレイン電極５５との間の間隔（ギャップ）は、約１０ｎｍ（分子層数にして１０層程度）である。ゲート電極５３は、配列構造体４４の導電方向である積層方向に沿って設けられていて、ゲート電極５３に印加される電圧によって配列構造体４４の導電方向に直交する方向に電界が作用し、配列構造体４４の導電性が制御される。
【００９５】
＜機能性分子素子５０の作製＞
図１５（ａ）は、機能性分子素子５０の作製に用いたπ電子共役系分子４１の構造式であり、図１５（ｂ）は、機能性分子素子４０の作製の際に用いた溶媒である4−ペンチル−4’−シアノビフェニル（５ＣＢ）の構造式である。図１５（ａ）に示したπ電子共役系分子４１は、フレキシブルな側鎖部４３として、パラ位にドデシル基−Ｃ12Ｈ25が結合したフェニル基を有するビラジエノン誘導体の亜鉛錯体である。
【００９６】
機能性分子素子５０は、下記のようにして作製する。まず、中心金属イオンのないビラジエノン誘導体に酢酸亜鉛を反応させて、π電子共役系分子４１を形成する。これを５ＣＢに溶解させ、濃度２ｍＭの溶液を作製する。一方、ドープされたシリコン基板５１を用意し、その表面に厚さ７０ｎｍの酸化シリコンＳiＯ2層からなる絶縁層５２を形成する。続いて、その上に厚さ５ｎｍのクロム層と、厚さ２０ｎｍの金層を積層して形成し、電子ビームリソグラフィによって１６ｎｍのギャップを有する対向電極５４および５５を形成する。次に、溶液１μＬを対向電極間のギャップの位置に滴下し、このまま７日間保存する。その後、室温で真空下において溶媒分子である５ＣＢを蒸発させ、機能性分子素子５０から除去する。
【００９７】
＜電気的測定＞
機能性分子素子５０は、電気的測定を行う前に、π電子共役系分子４１に所定の配向状態をとらせるための前処理として、−２Ｖから＋２Ｖまでのバイアス電圧を２時間以上をかけて印加する。この際、π電子共役系分子４１を所定の配向状態に導くためには、印加するバイアス電圧を５０ｍＶずつ増加させていくのが重要である。そこで、初めに−２Ｖのバイアス電圧を印加し、１ステップにつき５０ｍＶずつバイアス電圧を増加させ、８０ステップ後に＋２Ｖのバイアス電圧になるようにする。
【００９８】
図１７（ａ）は、室温下における機能性分子素子５０の電流−電圧曲線であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）中に点線で囲んで示した負性微分抵抗（ＮＤＲ）領域の拡大図である。機能性分子素子５０では、ゲート電圧Ｖｇが印加されていないときには、ＮＤＲを示す２つの領域が、負のバイアス電圧側と正のバイアス電圧側に対称的に存在する。負のゲート電圧Ｖｇが印加されているときには、２つの追加的なＮＤＲピークが、正のバイアス電圧側の、上記ＮＤＲ領域よりもバイアス電圧が小さい領域に現れる。正のゲート電圧が印加された場合には、ＮＤＲを示す領域は存在しない（データは図示省略した。）。
【００９９】
上記のように、機能性分子素子５０では、ゲート電極に負のゲート電圧を印加することによって、負性微分抵抗を示すバイアス電圧領域およびその領域における電流−電圧特性を変化させることができる。このようなユニークな性質を利用すれば、実施の形態１〜４で説明した複合負性抵抗素子において、負性抵抗特性およびヒステリシス特性を示すバイアス電圧領域や、その領域における電流−電圧特性を、ゲート電極に印加するゲート電圧によって変調できる複合負性抵抗素子を実現できる。また、同一の複合負性抵抗素子を、ゲート電極に印加するゲート電圧を変更することによって、ヒステリシス特性を示さない素子（メモリ素子）として使いわけることもできる。
【０１００】
図１８は、機能性分子素子５０が示す負性微分抵抗の発現機構を説明する説明図である。ゲート電圧が印加されていないときの機能性分子素子５０の電流電圧曲線には、２つのＮＤＲ領域が負のバイアス電圧側と正のバイアス電圧側に対称的に存在する。これらの対をなしているＮＤＲ領域は、バイアス電圧の変化によって、図１８に（１）および（４）として示す、強誘電体液晶における分極反転に類似した分極の反転が引き起こされ、発現したものであると考えられる。
【０１０１】
また、負のゲート電圧が印加されているときに現れる２つの追加的なＮＤＲピークは、ゲート電圧の印加によって、配列構造体４４を構成しているπ電子共役系分子４１の一部の分子で、機能性分子素子５０に残存する５ＣＢ分子の配向が変化し、それによってπ電子共役系分子４１の略円盤状の中心骨格が楕円形に変形するなどの分子構造及び／又は分子配向の変化が起こり、この結果、新たな分極配向が形成され、新たに追加的なＮＤＲピークが発現したものであると考えられる。また、配列構造体４４における分極は、予め行われた電界処理によって正バイアス方向に合うように配向しているので、正のゲート電圧が印加されている場合には、バイアス電圧の変化によって分極反転が起こらず、ＮＤＲ領域が発現しないものと考えられる。
【０１０２】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。例えば、上記の実施の形態では２個の同一特性の負性抵抗素子を直列接続した例を示したが、３個以上を直列接続してもよいし、並列接続を併用してもよいし、特性の異なる負性抵抗素子を接続してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明によれば、単独の負性抵抗素子では得られない電流−電圧特性を発現する複合負性抵抗素子を簡易に実現でき、スイッチング回路、波形整形回路、発振回路および増幅回路、或いはニューロネットワークに新たな特性を付与し、これらの回路の新たな発展と普及に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の実施の形態１に基づく複合負性抵抗素子の構成を示す概略図（ａ）、ならびに複合負性抵抗素子を構成する各負性抵抗素子にそれぞれ印加される電圧間の関係を示すグラフ（ｂ）である。
【図２】同、複合負性抵抗素子を構成する負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図３】同、複合負性抵抗素子の電流−電圧特性の１つを説明するグラフである。
【図４】同、複合負性抵抗素子の別の電流−電圧特性を説明するグラフである。
【図５】同、複合負性抵抗素子の別の電流−電圧特性を説明するグラフである。
【図６】同、複合負性抵抗素子の動作特性を、各負性抵抗素子に印加される電圧間の関係を示すグラフを用いて示す説明図である。
【図７】同、複合負性抵抗素子を構成する負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフ（ａ）、複合負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフ（ｂ）、および各負性抵抗素子に印加される電圧間の関係を示すグラフ（ｃ）である。
【図８】同、複合負性抵抗素子で単位時間に発生する発熱量を、負性抵抗素子２に印加される電圧Ｖ２の全電圧Ｖに対する割合Ｖ２／Ｖに対して図示したグラフである。
【図９】本発明の実施の形態２に基づく複合負性抵抗素子を構成する負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフ（ａ）、複合負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフ（ｂ）、および各負性抵抗素子に印加される電圧間の関係を示すグラフ（ｃ）である。
【図１０】本発明の実施の形態３に基づく複合負性抵抗素子を構成する負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフ（ａ）、複合負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフ（ｂ）、および各負性抵抗素子に印加される電圧間の関係を示すグラフ（ｃ）である。
【図１１】本発明の実施の形態４に基づく複合負性抵抗素子を構成する負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフ（ａ）、複合負性抵抗素子の電流−電圧特性を示すグラフ（ｂ）、および各負性抵抗素子に印加される電圧間の関係を示すグラフ（ｃ）である。
【図１２】同、ニューロン素子の機能をモデル的に示す概略説明図（ａ）、および、従来の出力関数の例を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施の形態５に基づく配列構造体を構成するπ電子共役系分子の分子構造の一例を示す構造式（ａ）、および、π電子共役系分子の略円盤状骨格部の立体構造を示すための模式図（ｂ）である。
【図１４】同、機能性分子素子の説明図（ａ）、および配列構造体の第１層のπ電子共役系分子（被吸着分子）の配向構造を示す説明図（ｂ）である。
【図１５】同、別の機能性分子素子の断面図である。
【図１６】同、機能性分子素子の作製に用いたπ電子共役系分子および溶媒の分子構造を示す構造式である。
【図１７】同、機能性分子素子の電流−電圧特性を示すグラフである。
【図１８】同、機能性分子素子において負性微分抵抗（ＮＤＲ）を示す領域が発現する機構を説明する説明図である。
【図１９】特許文献１に示されているメモリセルの回路図（ａ）、この回路に用いた負性抵抗素子の電流−電圧曲線（ｂ）、およびこの回路の待機時における動作説明図（ｃ）である。
【符号の説明】
【０１０５】
１…負性抵抗素子、２…負性抵抗素子、３…負性抵抗素子１の入力端子、
４…負性抵抗素子１の出力端子、５…負性抵抗素子２の入力端子、
６…負性抵抗素子２の出力端子、１０…複合負性抵抗素子、２０…ニューロン素子、
２１…入力部、２２…加算部、２３…出力部、４０…機能性分子素子、
４１…π電子共役系分子、４２…略円盤状骨格部、４３…フレキシブルな側鎖部、
４４…配列構造体、４５、４６…電極、４７…被吸着分子、５０…機能性分子素子、
５１…高濃度にドープされたシリコン基板（ゲート電極５３を兼ねる。）、
５２…ゲート絶縁膜（酸化シリコン層）、５４…ソース電極、５５…ドレイン電極、
５６…ゲート端子、５７…ソース端子、５８…ドレイン端子、１０１…ワード線、
１０２…ビット線、１０３…ＮチャネルＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、
１０４…セル容量、１０５…第１の負性抵抗素子、１０６…第２の負性抵抗素子、
１０７…複合負性抵抗素子、１０８…基準電圧線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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