負性抵抗とメモリ

質問

私は半導体回路設計の分野で仕事をしていますが、今まで２度、「負性抵抗があればメモリができるから。。。」という言葉を聞きました。一度は自分が入社したての時に当時の部長が、そして最近出席した学会の発表で同じ言葉を聞きました。どちらも今となっては本人に聞き返すことができず、心に引っ掛かっています。「負性抵抗」と「メモリ」あるいは「記憶素子」がどう結びつくのでしょうか。曖昧な質問ですみませんが、よろしくお願いいたします。

回答No.1

foobar · ベストアンサー

負性抵抗領域の左右（上下）には通常の正抵抗の領域があります。
そこで、つなぐ電源をうまく選べば同じ電圧（あるいは電流）で、安定な動作点が負性抵抗の左右にひとつづつできます。
一度、どちらかの状態に落ち着くと、電圧などを変えてやらない限り、その状態を維持します。
これを使えば、メモリとして動作します。

例えば、電圧を上げていったときに
電流が上昇、次いで下降、その後また上昇、という電流特性（イタリックのNみたいな形）を持つ場合、極大と極小の間の電流の定電流源で駆動すると、安定な電圧の動作点が二つできます（真ん中の動作点は不安定）。
電流値を一旦大きくして、戻すと、電圧の高いほうの動作点に、逆に電流を一旦下げて戻すと電圧の低いほうに落ち着いて、その状態を維持します。これはメモリ動作そのものです。

補足

ていねいな回答、どうもありがとうございます。多分50%くらい理解したと思うのですが、確認させて下さい。

X軸にV(電圧)を、Y軸にI(電流)を取るとします。そしてVを徐々に上げて行くと、まず右上がりにIが増え、それが一旦極大に達した後、さらにVを上げて行くとIは今度は右下がりに減り(ここが負性抵抗)、一旦極小に達した後、さらにまたVを上げて行くとIは再び増加に転じ、右上がりに増えていくとします。これが"イタリックのNの形"というわけですね。

ここからが理解がちょっと怪しくなるのですが、今度はVを変化させるのではなく、Iをゼロから徐々に増加させて行くとします。すると一旦極大の点のに達するのですが、ここでも強制的に(?)Iを増加させて行こうとすると、ピョンとN字型の極小部を含んだ谷の部分を飛んで正の抵抗部分に行き、さらにIを増加するとVもそのまま増加して行くと。逆にそこからIを下げて行くと、今度は極小の点に達し、さらに強制的にIを小さくすると、今度はN字型の左の山にあたる部分をピョンと飛んで反対側に達し、されにIを下げると、そのままVも下がって行く - この理解でいいのでしょうか？つまり、Vを変えて行く場合にはN字をなぞる形でIが変わるが、Iを変えて行く場合にはひし形のヒステリシスのように違う経路でVは上がって下がると。そしてIが一定でも、２カ所の取りうるVの場所ができると。

この理解が合っているとしても、どうもI「を増加させて行く時に、極大点に達した後、Vが不連続にジャンプして増加する(あるいはその逆)」という所がピンと来ないような感じがするのですが。

回答No.2

foobar

「Iを変えて行く場合にはひし形のヒステリシスのように違う経路でVは上がって下がると。そしてIが一定でも、２カ所の取りうるVの場所ができると。」で正しいです。
（ヒステリシスを持つ現象は、ヒステリシスの中に負性抵抗のような領域がある、として扱うことが多いかと思います。）

電流を変えた場合、極大値を超えると不連続に電圧が変化します。この途中の過渡的なところはその周辺（漏れインダクタンス、浮遊容量、配線抵抗など）も含めて過渡的な挙動を考えることになるかと思います。
定性的には、極大値のところから電流をあげようとして印加電圧が増えて負性抵抗領域に入り、ここでは不安定（電圧が上がると電流が下がろうとする）なので極短時間で極大値に対応するもうひとつの電圧のところまで状態が移る、というような説明になるかと思います。