JPH04313111A - Photoelectron parallel multiplier - Google Patents
Photoelectron parallel multiplierInfo
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- JPH04313111A JPH04313111A JP3066407A JP6640791A JPH04313111A JP H04313111 A JPH04313111 A JP H04313111A JP 3066407 A JP3066407 A JP 3066407A JP 6640791 A JP6640791 A JP 6640791A JP H04313111 A JPH04313111 A JP H04313111A
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- Japan
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- parallel multiplier
- light
- phototransistor
- light receiving
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- Pending
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- Led Devices (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)
Abstract
Description
【0001】0001
【産業上の利用分野】この発明は、対称なnpnまたは
pnp構造を有し、フローティングベースヘテロ結合ト
ランジスタを2次元アレイ状に集積化した受光デバイス
を用いた光電子並列乗算器に関するものであり、情報処
理への応用を目指したものである。[Field of Industrial Application] This invention relates to a photoelectronic parallel multiplier using a photodetector device having a symmetrical npn or pnp structure and integrating floating base heterocoupled transistors in a two-dimensional array. The aim is to apply it to processing.
【0002】0002
【従来の技術】図6は、Japn.J.Appl.Ph
ys.vol28.L2101に示された従来の並列乗
算器である。図において、61は線状に発光する発光ダ
イオード(LED)を平面状に配列して構成したLED
アレイ、62は光を透過させる、あるいは透過させない
各エレメントを格子状に配列した光の透過マスク、63
は線状に伸びるPINフォトダイオード(PD)を平面
状に配列して構成したPDアレイである。いま各LED
61の状態をLEDが発光するとき1、発光しない時0
で表し、LEDアレイの状態を
vj(j=1,2,‥‥N)
(ここでNはLEDアレイにおけるLEDの数である。
)で表す。また、透過マスク2の状態を透過マスク62
の各エレメントが光を透過させるときは1、光を透過さ
せないなときは0として、マトリックスTij(i=1
,2,‥‥N,j=1,2,‥‥N)で表す。2. Description of the Related Art FIG. J. Appl. Ph
ys. vol28. This is a conventional parallel multiplier shown in L2101. In the figure, 61 is an LED constructed by arranging linear light emitting diodes (LEDs) in a plane.
Array 62 is a light transmission mask 63 in which elements that transmit or do not transmit light are arranged in a grid pattern.
is a PD array constructed by arranging linearly extending PIN photodiodes (PDs) in a plane. Now each LED
The status of 61 is 1 when the LED emits light, and 0 when it does not emit light.
The state of the LED array is represented by vj (j=1, 2, . . . N) (where N is the number of LEDs in the LED array). Also, the state of the transmission mask 2 can be changed to the transmission mask 62.
The matrix Tij (i=1
, 2, . . . N, j = 1, 2, . . . N).
【0003】ここで、PDアレイ63を構成するPDの
長手方向とLEDアレイ61を構成するLEDの長手方
向とは直交するように組立てられているので、PDアレ
イで発生する光電流は、各PDについて、で表される光
量が照射されるため、この値に比例した光電流が発生す
ることになる。このようにして発生する光電流を各PD
ごとにUi とおけば、
(ηは光−電子変換効率である)となり、ベクトル−マ
トリックス並列乗算機能が実現されていることがわかる
。[0003] Here, since the longitudinal direction of the PDs constituting the PD array 63 and the longitudinal direction of the LEDs constituting the LED array 61 are assembled so as to be perpendicular to each other, the photocurrent generated in the PD array is Since the amount of light expressed by is irradiated, a photocurrent proportional to this value is generated. The photocurrent generated in this way is
If Ui is set for each time, (η is the photo-electronic conversion efficiency), it can be seen that a vector-matrix parallel multiplication function is realized.
【0004】図7は図6におけるPDアレイ3の回路構
成概念図であり、各列ごとにN個のPINフォトダイオ
ードが並列に接続され片方に逆バイアスを加えることに
よりフォトダイオードとして機能する。図8はPINフ
ォトダイオードのエネルギーバンド図であり、入射した
光がi層における空乏層で吸収され、電子−正孔対が生
じ、それらがドリフトすることにより光電流が生じる。
この電流の流れる方向は決まっており、向きを変えるこ
とはできない。FIG. 7 is a conceptual diagram of the circuit configuration of the PD array 3 in FIG. 6, in which N PIN photodiodes are connected in parallel in each column and function as photodiodes by applying a reverse bias to one side. FIG. 8 is an energy band diagram of a PIN photodiode, in which incident light is absorbed by the depletion layer in the i-layer, electron-hole pairs are generated, and photocurrent is generated by the drift of these pairs. The direction in which this current flows is fixed and cannot be changed.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】従来の光並列乗算器は
以上のように構成されているので、マトリックスTij
の要素を演算において変化させることができず、汎用性
に欠ける。また、PDアレイを構成する各PINフォト
ダイオードで発生する光電流は流れる方向が一定である
ため、上記Ui の演算において加算は可能であるが減
算は不可能であって、減算を必要とする場合にはこの並
列乗算器を2組用意し、一方を加算用、他方を減算用と
し、その両者の値(光電流)を例えば別に用意したコン
ピュータなどを用いて加減算を行う必要があるという問
題があった。[Problems to be Solved by the Invention] Since the conventional optical parallel multiplier is constructed as described above, the matrix Tij
It is not possible to change the elements in calculations, so it lacks versatility. In addition, since the photocurrent generated in each PIN photodiode that makes up the PD array flows in the same direction, addition is possible in the calculation of Ui above, but subtraction is not possible. The problem is that it is necessary to prepare two sets of parallel multipliers, one for addition and the other for subtraction, and to add and subtract the values (photocurrent) of both using, for example, a separately prepared computer. there were.
【0006】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、マトリックス要素を各演算ご
とに可変にさせることができるデバイスを得ることを目
的としており、さらに加減演算を1組の並列演算器で実
行できるようにすることを目的とする。The present invention was made to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a device that can make matrix elements variable for each operation. The purpose is to enable execution on a set of parallel arithmetic units.
【0007】[0007]
【課題を解決するための手段】この発明に係る光並列乗
算装置は、図6における透過マスク62とPDアレイ6
3を構成するPINフォトダイオードを、対称な材料構
成を有するnpnまたはpnpヘテロ接合フローティン
グベースフォトトランジスタ(フローティングベースフ
ォトトランジスタとはベースへの配線を行なわず、エミ
ッタ、コレクタ両端子のみで動作させる構造のフォトト
ランジスタのことである。)で置き換えたものであり、
ヘテロ接合フローティングベースフォトトランジスタの
エミッタ、コレクタ間の電圧VECによって発生する光
電流を変化させることができるようにしたものである。[Means for Solving the Problems] An optical parallel multiplication device according to the present invention includes a transmission mask 62 and a PD array 6 in FIG.
The PIN photodiode constituting 3 is connected to an npn or pnp heterojunction floating base phototransistor (a floating base phototransistor is a structure in which the emitter and collector terminals are operated without wiring to the base and has a symmetrical material composition). It is a phototransistor.)
It is possible to change the photocurrent generated by the voltage VEC between the emitter and collector of a heterojunction floating base phototransistor.
【0008】[0008]
【作用】上記のようなフォトトランジスタにおいては、
エミッタ−コレクタ間電圧VECを変化させると、逆バ
イアス状態になったこのフォトトランジスタのpn接合
部分では空乏層がエミッタ−コレクタ間電圧VECに応
じて広がり、この空乏層で発生する光電流が変化する。
この光電流の変化によってトランジスタの増幅率が変化
し、フォトトランジスタの出力電流が変化する。この電
流の変化をベクトル−マトリックス並列乗算における各
行列要素の値の変化に対応させることができる。また、
VECの極性を行列Tijの各要素の正負値に対応させ
ることができるため、このように構成した光並列乗算器
によって加減算を同時に実行することができる。[Operation] In the above phototransistor,
When the emitter-collector voltage VEC is changed, the depletion layer expands in accordance with the emitter-collector voltage VEC at the pn junction of this phototransistor, which is in a reverse bias state, and the photocurrent generated in this depletion layer changes. . Due to this change in photocurrent, the amplification factor of the transistor changes, and the output current of the phototransistor changes. Changes in this current can be made to correspond to changes in the values of each matrix element in vector-matrix parallel multiplication. Also,
Since the polarity of VEC can be made to correspond to the positive and negative values of each element of matrix Tij, addition and subtraction can be performed simultaneously by the optical parallel multiplier configured in this manner.
【0009】[0009]
【実施例】実施例1.図1は、この発明の一実施例を示
す断面図であり、面発光デバイス1と受光デバイス2の
両者から構成されており、このうち面発光デバイス1は
上述した従来の並列乗算器におけると同様なLEDアレ
イである。同様に、LEDアレイの電極3も同様である
。[Example] Example 1. FIG. 1 is a cross-sectional view showing one embodiment of the present invention, which is composed of both a surface emitting device 1 and a light receiving device 2, of which the surface emitting device 1 is similar to the conventional parallel multiplier described above. It is a LED array. Similarly, the electrode 3 of the LED array is also the same.
【0010】図2は、図1における受光デバイス2の回
路構成図であり、上述した従来の並列乗算器におけるP
INフォトダイオードのかわりに対称構造フローティン
グベースヘテロ接合バイポーラフォトトランジスタ(以
下S−HPT(Symmetric Hetero j
unction Photo Transister)
と略記する)が用いられている。S−HPTのコレクタ
ーは各列ごとにN個並列に接続され接地されている。し
かし、エミッタ側は従来のPINフォトダイオードとは
異なり、各素子ごとに配線され、エミッタを制御するこ
とによって各S−HPTの受光電流が変調されるように
なっている。これにより図1における受光デバイス2は
光の受光能力とともに光電流の変調機能をもつようにな
るため、ベクトル−マトリックス演算におけるマトリッ
クス要素を演算ごとに変化させる機能が実現できる。FIG. 2 is a circuit diagram of the light receiving device 2 in FIG.
Instead of an IN photodiode, a symmetric structure floating base heterojunction bipolar phototransistor (hereinafter referred to as S-HPT) is used.
(unction Photo Transistor)
) is used. N collectors of the S-HPT are connected in parallel and grounded for each column. However, unlike a conventional PIN photodiode, the emitter side is wired for each element, and the light receiving current of each S-HPT is modulated by controlling the emitter. As a result, the light-receiving device 2 in FIG. 1 has a photocurrent modulation function as well as a light-receiving ability, so that a function of changing matrix elements in vector-matrix calculations for each calculation can be realized.
【0011】すなわち、従来のような行列要素を示す透
過マスクは不要となり、光並列乗算器の構成を簡単にす
ることができる。例えば、集積化して1チップ上に一体
の光並列乗算器を実現することができる。図3にS−H
PTのバイアス電圧を加えない場合のエネルギーバンド
図を示す。この例ではnpn型S−HPTを例にとって
説明する。S−HPTのエミッタとコレクタはそれぞれ
n型AlGaAs で構成されており、AlGaAs
のバンドギャップは発光デバイスの発する光のエネルギ
ーよりも大きくとることによって、光の透過性をもたせ
てある。
そしてベースはp型GaAsで構成されており、光は主
にベースで吸収される。In other words, the conventional transmission mask indicating matrix elements is no longer necessary, and the configuration of the optical parallel multiplier can be simplified. For example, it is possible to implement an integrated optical parallel multiplier on one chip. In Figure 3, S-H
An energy band diagram when no bias voltage is applied to PT is shown. This example will be explained using an npn type S-HPT as an example. The emitter and collector of S-HPT are each made of n-type AlGaAs.
By making the bandgap larger than the energy of the light emitted by the light emitting device, the light transmittance is achieved. The base is made of p-type GaAs, and light is mainly absorbed by the base.
【0012】図4にS−HPTのエミッタ側に負のバイ
アス電圧を加えた場合のエネルギーバンド図を示す。こ
の場合、エミッタ−ベース間のpn接合は順バイアス状
態となり、ベース−コレクタ間のpn接合は逆バイアス
状態となる。そのため、ベース−コレクタ間のpn接合
部分はエミッタにかける逆バイアス電圧に応じた幅の空
乏層が広がることになり、この空乏層の幅に比例した量
だけ光が吸収され、電子−正孔対が発生する。この電子
−正孔対は、ドリフトして電子はコレクタ側へ、正孔は
ベース側へ流入する。正孔のベース側への注入は従来の
トランジスタのベース電流に相当するため、そのベース
電流に応じた増幅率のトランジスタ作用が生じ、電子が
エミッタからベースへ注入されベース中を拡散してコレ
クタへ達し、コレクタ電流が生じる。ここでベース電流
がエミッタ−コレクタ間にかける逆バイアス電圧に応じ
て変化する点が重要であり、これによってトランジスタ
の増幅率が変化する。これが光電流を変調できる原理と
なる。FIG. 4 shows an energy band diagram when a negative bias voltage is applied to the emitter side of the S-HPT. In this case, the pn junction between the emitter and base is in a forward bias state, and the pn junction between the base and collector is in a reverse bias state. Therefore, at the pn junction between the base and the collector, a depletion layer with a width corresponding to the reverse bias voltage applied to the emitter expands, and light is absorbed in an amount proportional to the width of this depletion layer, causing electron-hole pairing. occurs. This electron-hole pair drifts, and the electrons flow toward the collector side and the holes flow toward the base side. Since the injection of holes into the base side corresponds to the base current of a conventional transistor, a transistor action with an amplification factor corresponding to the base current occurs, and electrons are injected from the emitter to the base, diffuse through the base, and reach the collector. reaches the collector current. It is important here that the base current changes depending on the reverse bias voltage applied between the emitter and the collector, and this changes the amplification factor of the transistor. This is the principle by which photocurrent can be modulated.
【0013】次に、図5にエミッタ側に正のバイアス電
圧を加えた場合のエネルギーバンド図を示す。この場合
、エミッタ−ベース間のpn接合が逆バイアス状態とな
り、ベース−コレクタ間のpn接合が順バイアス状態と
なる。光は、このときエミッタ−ベース間で吸収され、
それによりベース電流が生じるが、図4と向きが逆であ
るため今度はコレクタからベースへ電子が注入されてト
ランジスタ作用が生じる。この場合、トランジスタは全
く対称な構造をしているため図4と同じ増幅率が得られ
る。この時流れる電流は図4の場合と逆向きである。つ
まりこのS−HPTは双方向に光電流を流すことが可能
である。Next, FIG. 5 shows an energy band diagram when a positive bias voltage is applied to the emitter side. In this case, the pn junction between the emitter and the base is in a reverse bias state, and the pn junction between the base and collector is in a forward bias state. At this time, the light is absorbed between the emitter and the base,
This generates a base current, but since the direction is opposite to that in FIG. 4, electrons are injected from the collector to the base, resulting in a transistor action. In this case, since the transistors have a completely symmetrical structure, the same amplification factor as in FIG. 4 can be obtained. The current flowing at this time is in the opposite direction to that in the case of FIG. In other words, this S-HPT allows photocurrent to flow in both directions.
【0014】実施例2.上記実施例では発光デバイスと
してLEDアレイを用いる場合について説明したが、発
光デバイスとして2次元LEDアレイもしくは面発光レ
ーザアレイを用いることもできることはいうまでもない
。もちろん、この実施例においても上記実施例と同様に
集積化することが可能である。Example 2. In the above embodiment, a case has been described in which an LED array is used as a light emitting device, but it goes without saying that a two-dimensional LED array or a surface emitting laser array can also be used as a light emitting device. Of course, this embodiment can also be integrated in the same way as the above embodiment.
【0015】実施例3.また、上記実施例では受光デバ
イスとしてnpn型のS−HPTを用いる場合について
について説明したが、pnp型のS−HPTを用いても
同様に実現できることはいうまでもない。Example 3. Further, in the above embodiment, the case where an npn type S-HPT is used as the light receiving device has been described, but it goes without saying that the same can be realized using a pnp type S-HPT.
【0016】実施例4.さらに、上記実施例ではS−H
PTとしてAlGaAs−GlAs 系の材料を用いた
場合を示したが、他の化合物半導体を用いても同様に実
現できることはいうまでもない。Example 4. Furthermore, in the above embodiment, S-H
Although the case where an AlGaAs-GlAs-based material is used as the PT has been shown, it goes without saying that the same can be achieved using other compound semiconductors.
【0017】[0017]
【発明の効果】以上のように、この発明によれば、光電
子並列乗算器におけるベクトル−マトリックス演算にお
いて、各行列要素を各演算ごとに変化させることができ
、しかも光を用いた正負の演算が可能であるように構成
したので、光電子並列乗算器の機能を飛躍的に向上させ
る効果がある。そして、この発明の光電子並列乗算器を
ニューラルネットワークのハードウェアとして用いるこ
とにより、その機能を飛躍的に向上させることができる
。As described above, according to the present invention, each matrix element can be changed for each operation in vector-matrix operations in a photoelectronic parallel multiplier, and positive and negative operations using light can be performed. Since the structure is configured such that this is possible, it has the effect of dramatically improving the functionality of the optoelectronic parallel multiplier. By using the optoelectronic parallel multiplier of the present invention as hardware for a neural network, its functionality can be dramatically improved.
【図1】本発明の簡単な概念図[Figure 1] Simple conceptual diagram of the present invention
【図2】図1におけるPDアレイの回路図[Figure 2] Circuit diagram of the PD array in Figure 1
【図3】S−
HPTの動作を示すエネルギーバンド図[Figure 3] S-
Energy band diagram showing HPT operation
【図4】S−H
PTの動作を示すエネルギーバンド図[Figure 4] S-H
Energy band diagram showing PT operation
【図5】S−HP
Tの動作を示すエネルギーバンド図[Figure 5] S-HP
Energy band diagram showing the operation of T
【図6】従来の光電
子並列乗算器の概念図[Figure 6] Conceptual diagram of a conventional optoelectronic parallel multiplier
【図7】図6におけるPDアレイ
の回路図[Figure 7] Circuit diagram of the PD array in Figure 6
【図8】PINフォトダイオードの動作を示す
エネルギーバンド図[Figure 8] Energy band diagram showing the operation of a PIN photodiode
1 LEDアレイ 2 受光デバイス 3 LED電極 4 受光デバイス電極 1 LED array 2 Light receiving device 3 LED electrode 4 Light receiving device electrode
Claims (3)
列した発光デバイスと、複数のフォトトランジスタを2
次元アレイ状に配列して、この各フォトトランジスタの
受光電流を外部からそれぞれ独立に制御できるようにし
た受光デバイスとからなることを特徴とする光電子並列
乗算器。Claim 1: A light-emitting device in which a plurality of light-emitting elements are arranged in a two-dimensional array, and a plurality of phototransistors.
A photoelectronic parallel multiplier comprising light receiving devices arranged in a dimensional array so that the light receiving current of each phototransistor can be controlled independently from the outside.
ベースヘテロ結合トランジスタからなり、このフローテ
ィングベースヘテロ結合トランジスタのヘテロ結合部の
空乏層幅を上記フローティングベースヘテロ結合トラン
ジスタのエミッタ−コレクタ間電圧により制御すること
により受光電流を制御するようにしたことを特徴とする
請求項1記載の光電子並列乗算器。2. The phototransistor is composed of a floating base heterojunction transistor, and the width of the depletion layer of the heterojunction part of the floating base heterojunction transistor is controlled by the emitter-collector voltage of the floating base heterojunction transistor, thereby increasing the light receiving current. 2. The optoelectronic parallel multiplier according to claim 1, wherein the optoelectronic parallel multiplier is configured to control.
エミッタ、コレクタによって構成し、かつ対称なnpn
またはpnp構造として、上記フォトトランジスタの光
電流を双方向に流すことができるようにしたことを特徴
とする請求項1記載の光電子並列乗算器。[Claim 3] The phototransistor is composed of an emitter and a collector made of the same material, and has a symmetrical npn structure.
2. The photoelectronic parallel multiplier according to claim 1, wherein the photoelectronic parallel multiplier has a pnp structure so that the photocurrent of the phototransistor can flow in both directions.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3066407A JPH04313111A (en) | 1991-03-29 | 1991-03-29 | Photoelectron parallel multiplier |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3066407A JPH04313111A (en) | 1991-03-29 | 1991-03-29 | Photoelectron parallel multiplier |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04313111A true JPH04313111A (en) | 1992-11-05 |
Family
ID=13314915
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3066407A Pending JPH04313111A (en) | 1991-03-29 | 1991-03-29 | Photoelectron parallel multiplier |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04313111A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019528873A (en) * | 2016-09-09 | 2019-10-17 | ウトゥク・ビュユクシャヒンUtku BUYUKSAHIN | Biomechatronics data communication system |
-
1991
- 1991-03-29 JP JP3066407A patent/JPH04313111A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2019528873A (en) * | 2016-09-09 | 2019-10-17 | ウトゥク・ビュユクシャヒンUtku BUYUKSAHIN | Biomechatronics data communication system |
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