显示系统及显示系统的工作方法与流程

本发明的一个方式涉及一种显示系统及显示系统的工作方法。

注意，本发明的一个方式不局限于上述技术领域。本说明书等所公开的发明的一个方式的技术领域涉及一种物体、方法或制造方法。或者，本发明的一个方式涉及一种程序(process)、机器(machine)、产品(manufacture)或者组成物(compositionofmatter)。由此，更具体而言，作为本说明书所公开的本发明的一个方式的技术领域的一个例子可以举出半导体装置、显示装置、液晶显示装置、发光装置、照明装置、蓄电装置、存储装置、摄像装置、这些装置的驱动方法或者这些装置的制造方法。

注意，本说明书等中的半导体装置是指通过利用半导体特性而能够工作的所有装置。晶体管和半导体电路为半导体装置的一个方式。另外，存储装置、显示装置、摄像装置、电子设备有时包括半导体装置。

背景技术：

具备用来拍摄车辆周围的信息的摄像装置及用来显示通过摄像获得的信息的显示装置的车辆被广泛使用(例如，专利文献1)。

[先行技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利申请公开第2017-5678号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

用来拍摄车辆周围的信息的摄像装置需要拍摄明暗差较大的对象。例如，在隧道出口附近，隧道内的照度低，隧道外的照度高，因此摄像装置获取的摄像数据是明暗差大的摄像数据。由此，用来拍摄车辆周围的信息的摄像装置需要具有高动态范围。在此，当用来显示通过摄像获得的信息的显示装置的动态范围低于摄像装置的动态范围时，需要通过将摄像数据的灰度转换为可以由显示装置表现的灰度来进行动态范围压缩。然而，因动态范围压缩导致显示图像变得不清楚，有时发生曝光不足及曝光过度。

本发明的一个方式的目的之一是提供一种能够在抑制显示图像变得不清楚的同时进行动态范围压缩的显示系统。或者，本发明的一个方式的目的之一是提供一种能够在抑制发生曝光不足及曝光过度的同时进行动态范围压缩的显示系统。或者，本发明的一个方式的目的之一是提供一种可见度得到提高的显示系统。或者，本发明的一个方式的目的之一是提供一种高速工作的显示系统。或者，本发明的一个方式的目的之一是提供一种新颖的显示系统。

本发明的一个方式的目的之一是提供一种能够在抑制显示图像变得不清楚的同时进行动态范围压缩的显示系统的工作方法。或者，本发明的一个方式的目的之一是提供一种能够在抑制发生曝光不足及曝光过度的同时进行动态范围压缩的显示系统的工作方法。或者，本发明的一个方式的目的之一是提供一种可见度得到提高的显示系统的工作方法。或者，本发明的一个方式的目的之一是提供一种高速工作的显示系统的工作方法。或者，本发明的一个方式的目的之一是提供一种新颖的显示系统的工作方法。

注意，这些目的的记载不妨碍其他目的的存在。本发明的一个方式并不需要实现所有上述目的。另外，根据说明书、附图、权利要求书等的记载，这些目的以外的目的是显而易见的，可以从说明书、附图、权利要求书等的记载中衍生出这些以外的目的。

解决技术问题的手段

本发明的一个方式是一种显示系统，包括：摄像装置、控制装置以及显示装置，其中，摄像装置包括配置为矩阵状的第一像素，显示装置包括配置为矩阵状的第二像素，摄像装置具有根据照射到第一像素的光的照度生成第一图像数据的功能，控制装置具有根据第一图像数据生成直方图的功能，控制装置具有将直方图分割为两个以上的照度区域的功能，控制装置具有对第一图像数据作为信息所具有的与照射到第一像素的光的照度对应的灰度进行转换来生成对第一图像数据进行动态范围压缩而成的第二图像数据的功能，并且，控制装置具有根据各照度区域的直方图的积分值按每个照度区域算出动态范围压缩的压缩率的功能。

另外，在上述方式中，积分值大的照度区域的压缩率也可以小于积分值小的照度区域的压缩率。

另外，在上述方式中，控制装置也可以包括神经网络，并且神经网络具有根据第一图像数据预测在获得第一图像数据的帧期间之后的帧期间摄像装置获得的第三图像数据的功能。

另外，在上述方式中，控制装置也可以具有根据第三图像数据判定是否更新压缩率的功能。

另外，本发明的一个方式是一种显示系统的工作方法，该显示系统包括第一像素被配置为矩阵状的摄像装置、控制装置、以及第二像素被配置为矩阵状的显示装置，在该工作方法中：摄像装置根据照射到第一像素的光的照度生成第一图像数据；控制装置根据第一图像数据生成直方图；控制装置将直方图分割为两个以上的照度区域；控制装置对第一图像数据作为信息所具有的与照射到第一像素的光的照度对应的灰度进行转换来生成以根据各照度区域的直方图的积分值按每个照度区域算出的压缩率对第一图像数据进行动态范围压缩而成的第二图像数据。

另外，在上述方式中，也可以以积分值大的照度区域的压缩率小于积分值小的照度区域的压缩率的方式对第一图像数据进行动态范围压缩。

另外，在上述方式中，控制装置也可以包括神经网络，利用神经网络根据第一图像数据预测在获得第一图像数据的帧期间之后的帧期间摄像装置获得的第三图像数据，根据第三图像数据判定是否更新压缩率。

发明效果

通过本发明的一个方式，可以提供一种能够在抑制显示图像变得不清楚的同时进行动态范围压缩的显示系统。或者，通过本发明的一个方式，可以提供一种能够在抑制发生曝光不足及曝光过度的同时进行动态范围压缩的显示系统。或者，通过本发明的一个方式，可以提供一种可见度得到提高的显示系统。或者，通过本发明的一个方式，可以提供一种高速工作的显示系统。或者，通过本发明的一个方式，可以提供一种新颖的显示系统。

通过本发明的一个方式，可以提供一种能够在抑制显示图像变得不清楚的同时进行动态范围压缩的显示系统的工作方法。或者，通过本发明的一个方式，可以提供一种能够在抑制发生曝光不足及曝光过度的同时进行动态范围压缩的显示系统的工作方法。或者，通过本发明的一个方式，可以提供一种可见度得到提高的显示系统的工作方法。或者，通过本发明的一个方式，可以提供一种高速工作的显示系统的工作方法。或者，通过本发明的一个方式，可以提供一种新颖的显示系统的工作方法。

注意，本发明的一个方式不局限于上述效果。例如，根据情况或状况，本发明的一个方式有时具有上述效果以外的效果。或者，例如，根据情况或状况，本发明的一个方式有时不具有上述效果。

附图简要说明

[图1]说明显示系统的结构例子的方框图。

[图2]说明显示系统的图。

[图3]说明显示系统的图。

[图4]说明显示系统的图。

[图5]说明显示系统的结构例子的方框图。

[图6]说明显示系统的工作方法的一个例子的流程图。

[图7]说明显示系统的工作方法的一个例子的流程图。

[图8]说明像素电路的结构例子的图以及说明摄像的工作方法的一个例子的时序图。

[图9]说明摄像装置的像素的结构例子的图。

[图10]说明摄像装置的像素的结构例子的图。

[图11]说明摄像装置的像素的结构例子的图。

[图12]说明摄像装置的像素的结构例子的图。

[图13]说明摄像装置的像素的结构例子的图。

[图14]收纳摄像装置的封装、模块的立体图。

[图15]说明显示装置的结构例子的电路图。

[图16]说明显示装置的结构例子的图。

[图17]说明显示装置的结构例子的图。

[图18]说明存储电路的结构例子的方框图。

[图19]说明存储电路的结构例子的图。

[图20]示出神经网络的结构例子的图。

[图21]说明半导体装置的结构例子的图。

[图22]说明存储单元的结构例子的图。

[图23]说明偏置电路的结构例子的图。

[图24]说明半导体装置的工作方法的一个例子的时序图。

[图25]说明移动体的一个例子的图。

实施发明的方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。但是，本发明不局限于以下说明，所属技术领域的普通技术人员可以很容易地理解一个事实，就是本发明在不脱离其宗旨及其范围的条件下，其方式及详细内容可以被变换为各种各样的形式。因此，本发明不应该被解释为仅局限在以下所示的实施方式所记载的内容中。

在附图中，为便于清楚地说明，有时夸大表示大小、层的厚度或区域。因此，本发明并不局限于附图中的尺寸。此外，在附图中，示意性地示出理想的例子，因此本发明不局限于附图所示的形状或数值等。例如，本发明可以包括噪声或定时偏差等所引起的信号、电压或电流的不均匀等。

在本说明书等中，为了方便起见，有时使用“上”“下”等表示配置的词句以参照附图说明构成要素的位置关系。另外，构成要素的位置关系根据描述各构成要素的方向适当地变化。因此，不局限于本说明书中所说明的词句，根据情况可以适当地改换词句。

在附图中记载的方框图的各电路方框的位置关系是为了便于说明而指定的，即便方框图示出了以不同的电路方框实现不同的功能的情况，也可能实际上有以同一个电路方框实现不同的功能的情况。此外，各电路方框的功能是为了便于说明而指定的，即便示出的是由一个电路方框进行处理的情况，也可能实际上有由多个电路方框进行该处理的情况。

在本说明书等中，半导体装置是指利用半导体特性的装置以及包括半导体元件(晶体管、二极管等)的电路及包括该电路的装置等。另外，半导体装置是指能够利用半导体特性而工作的所有装置。例如，集成电路(ic)或具备ic的芯片是半导体装置的一个例子。另外，存储装置、显示装置、发光装置、照明装置以及电子设备等有时本身是半导体装置，或者有时包括半导体装置。

在本说明书等中，当明确地记载为“x与y连接”时，表示在本说明书等中公开了如下情况：x与y电连接的情况；x与y在功能上连接的情况；以及x与y直接连接的情况。因此，不局限于附图或文中所示的连接关系，例如其他的连接关系也包括在附图或文中所记载的范围内。x和y都是对象物(例如，装置、元件、电路、布线、电极、端子、导电膜、层等)。

晶体管包括栅极、源极以及漏极这三个端子。栅极被用作控制晶体管的导通状态的控制节点。在用作源极或漏极的两个输入输出节点中，根据晶体管的类型或者供应到各端子的电位电平将一个端子用作源极而将另一个端子用作漏极。因此，在本说明书等中，“源极”和“漏极”可以互相调换。

节点可以根据电路结构或装置结构等换称为端子、布线、电极、导电层、导电体或杂质区域等。另外，端子、布线等也可以换称为节点。

电压大多是指某个电位与标准电位(例如，接地电位(gnd)或源极电位)之间的电位差。由此，可以将电压换称为电位。电位是相对性的。因此，即使记载为“接地电位”，也并不一定是指0v。

在本说明书等中，“膜”和“层”可以根据情形或状况相互调换。例如，有时可以将“导电层”调换为“导电膜”。例如，有时可以将“绝缘膜”调换为“绝缘层”。

在本说明书等中，有时为了避免构成要素的混淆而附上“第一”、“第二”、“第三”等序数词，在此情况下，该序数词不是为了在数目方面上或者在顺序方面上进行限定而附上的。

在本说明书等中，人工神经网络(ann，以后称为神经网络)是指模拟生物的神经回路网的所有模型。一般而言，在神经网络中，以神经元为模型的单元通过以神经突触为模型的单元彼此结合。

通过对神经网络提供现有的信息，可以改变神经突触的结合(神经元的结合)强度(也称为权重系数)。有时将这样的对神经网络提供现有的信息决定结合强度的处理称为“学习”。

并且，通过对“学习”(决定了结合强度)过的神经网络提供某个信息，可以根据其结合强度输出新信息。有时将这样的在神经网络中根据被提供的信息和结合强度输出新信息的处理称为“推论”或“认知”。

作为神经网络的模型，例如可以举出hopfield网络、分层神经网络等。尤其是，将具有多层结构的神经网络称为“深度神经网络”(dnn)，将利用深度神经网络的机械学习称为“深度学习”。

在本说明书等中，金属氧化物(metaloxide)是指广义上的金属的氧化物。金属氧化物被分类为氧化物绝缘体、氧化物导电体(包括透明氧化物导电体)和氧化物半导体(oxidesemiconductor，也可以简称为os)等。例如，在将金属氧化物用于晶体管的活性层的情况下，有时将该金属氧化物称为氧化物半导体。换言之，在金属氧化物能够构成包括具有放大作用、整流作用及开关作用中的至少一个的晶体管的沟道形成区域时，该金属氧化物称为金属氧化物半导体(metaloxidesemiconductor)，简称为os。此外，可以将osfet(或os晶体管)换称为包含金属氧化物或氧化物半导体的晶体管。

此外，在本说明书等中，有时记载为caac(c-axisalignedcrystal)或cac(cloud-alignedcomposite)。注意，caac是指结晶结构的一个例子，cac是指功能或材料构成的一个例子。

此外，在本说明书等中，cac-os或cac-metaloxide在材料的一部分中具有导电性的功能，在材料的另一部分中具有绝缘性的功能，作为材料的整体具有半导体的功能。此外，在将cac-os或cac-metaloxide用于晶体管的活性层的情况下，导电性的功能是使被用作载流子的电子(或空穴)流过的功能，绝缘性的功能是不使被用作载流子的电子流过的功能。通过导电性的功能和绝缘性的功能的互补作用，可以使cac-os或cac-metaloxide具有开关功能(开启/关闭的功能)。通过在cac-os或cac-metaloxide中使各功能分离，可以最大限度地提高各功能。

此外，在本说明书等中，cac-os或cac-metaloxide包括导电性区域及绝缘性区域。导电性区域具有上述导电性的功能，绝缘性区域具有上述绝缘性的功能。此外，在材料中，导电性区域和绝缘性区域有时以纳米粒子级分离。另外，导电性区域和绝缘性区域有时在材料中不均匀地分布。此外，有时导电性区域被观察到其边缘模糊且以云状连接。

在cac-os或cac-metaloxide中，有时导电性区域及绝缘性区域以0.5nm以上且10nm以下，优选为0.5nm以上且3nm以下的尺寸分散在材料中。

此外，cac-os或cac-metaloxide由具有不同带隙的成分构成。例如，cac-os或cac-metaloxide由具有起因于绝缘性区域的宽隙的成分及具有起因于导电性区域的窄隙的成分构成。在该构成中，当使载流子流过时，载流子主要在具有窄隙的成分中流过。此外，具有窄隙的成分与具有宽隙的成分起互补作用，与具有窄隙的成分联动地载流子也流过具有宽隙的成分中。因此，在将上述cac-os或cac-metaloxide用于晶体管的沟道区域时，在晶体管的导通状态中可以得到高电流驱动力，即大通态电流(on-statecurrent)及高场效应迁移率。

就是说，也可以将cac-os或cac-metaloxide称为基质复合材料(matrixcomposite)或金属基质复合材料(metalmatrixcomposite)。

(实施方式1)

在本实施方式中，参照附图说明本发明的一个方式的显示系统。

本发明的一个方式涉及一种包括摄像装置、控制装置及显示装置的显示系统及其工作方法。在摄像装置及显示装置中，像素被配置为矩阵状。此外，摄像装置设置有a/d转换电路，显示装置设置有d/a转换电路。

由摄像装置所包括的像素获得模拟摄像数据，由设置在摄像装置中的a/d转换电路将该摄像数据转换为数字图像数据。由控制装置对该图像数据进行动态范围压缩。由显示装置所包括的d/a转换电路将动态范围压缩后的图像数据转换为模拟显示数据。由此，即使显示装置的动态范围低于摄像装置的动态范围，显示装置也可以显示对应于摄像数据的图像。

在本说明书等中，有时将动态范围压缩前的图像数据称为第一图像数据。此外，有时将动态范围压缩后的图像数据称为第二图像数据。

在本发明的一个方式中，按每个照度区域使第一图像数据的动态范围压缩率不同。具体而言，在照射到摄像装置所包括的像素的光之中，将照射到多数像素的照度区域的动态范围压缩率设定为低，将照射到少数像素的照度区域的动态范围压缩率设定为高。由此，即使进行动态范围压缩，也可以抑制显示装置所显示的图像变得不清楚。此外，可以抑制发生曝光不足及曝光过度。由此，可以提高显示装置所显示的图像的可见度。

另外，控制装置也可以包括神经网络。神经网络可以根据第一图像数据预测后面的帧的第一图像数据。控制装置可以根据预测结果例如决定动态范围压缩率的更新频率。例如，可以在预测到第一图像数据的照度变化小的情况下，将动态范围压缩率的更新频率设定为低，在预测到第一图像数据的照度变化大的情况下，将动态范围压缩率的更新频率设定为高。或者，可以在预测到发生曝光不足或曝光过度的情况下，更新动态范围压缩率。由此，不需要例如在每个帧期间更新动态范围压缩率，而可以提高显示系统的工作速度。此外，可以以适当的时序更新动态范围压缩率，所以可以在降低动态范围压缩率的更新频率的同时抑制显示装置所显示的图像的可见度下降。

当摄像装置安装在汽车等移动体时，该摄像装置需要具有高动态范围。因此，本发明的一个方式的显示系统尤其优选应用于汽车等移动体。

<显示系统的结构例子1>

图1是示出本发明的一个方式的显示系统的显示系统10的结构例子的方框图。显示系统10包括摄像装置20、控制装置30及显示装置40。

摄像装置20包括具有被排列为矩阵状的像素21的像素阵列22、行驱动器23、a/d转换电路25及列驱动器26。此外，也可以设置有cds电路等。

摄像装置20按像素阵列22的每个行设置有布线178，一个布线178电连接于一个行的像素21以及行驱动器23。此外，摄像装置20按像素阵列22的每个列设置有布线174，一个布线174电连接于一个列的像素21以及a/d转换电路25及列驱动器26。

摄像装置20具有获得与照射到像素21的光的照度对应的模拟摄像数据的功能。此外，在图1所示的结构的摄像装置20中，行驱动器23具有选择像素阵列22的行的功能。列驱动器26具有选择像素阵列22的列的功能。a/d转换电路25具有将摄像数据转换为数字图像数据img1并将与列驱动器26所选择的列对应的图像数据img1输出到控制装置30的功能。在图像数据img1中，照射到像素21的光的照度被表现为灰度。

具体而言，摄像装置20例如是安装于汽车等移动体的相机模块。因此，摄像装置20优选包括高动态范围的摄像元件。例如，通过将包含硒的摄像元件设置在像素21中，可以在拍摄明暗差大的对象时减小摄像数据的不清楚的部分。

控制装置30包括分析电路31及灰度决定电路32。控制装置30具有将图像数据img1作为信息所具有的与照射到像素21的光的照度对应的灰度转换为可以由显示装置40所包括的像素41表现的灰度的功能。在此，将其灰度被控制装置30转换之后的图像数据称为图像数据img2。通过将图像数据img1转换为图像数据img2，可以进行动态范围压缩。

在图1所示的结构的控制装置30中，分析电路31具有根据图像数据img1按被照射的光的照度对像素21的数量进行计数并生成直方图的功能。

灰度决定电路32具有根据直方图决定图像数据img1的动态范围压缩率的功能。例如，将直方图分割为两个以上的照度区域，按每个照度区域使动态范围压缩率不同，关于详细内容将在后面进行说明。具体而言，将照射到多数像素21的照度区域的动态范围压缩率设定为低，将照射到少数像素21的照度区域的动态范围压缩率设定为高。

灰度决定电路32具有在决定图像数据img1的动态范围压缩率之后根据所决定的动态范围压缩率对图像数据img1的灰度进行转换来生成图像数据img2的功能。

显示装置40包括具有被排列为矩阵状的像素41的像素阵列42、行驱动器43及列驱动器46。在此，列驱动器46设置有d/a转换电路。

显示装置40按像素阵列42的每个行设置有布线3178，一个布线3178电连接于一个行的像素41以及行驱动器43。此外，显示装置40按像素阵列42的每个列设置有布线3174，一个布线3174电连接于一个列的像素41以及列驱动器46。

显示装置40具有通过控制从像素41发射的光的照度显示图像的功能。此外，在图1所示的结构的显示装置40中，行驱动器43具有选择像素阵列42的行的功能。列驱动器46具有对数字图像数据img2进行d/a转换来生成模拟显示数据的功能。此外，列驱动器46具有将所生成的显示数据写入像素41的功能。由此，显示装置40可以显示对应于显示数据的图像。

在显示系统10中，通过由控制装置30对摄像装置20所生成的图像数据img1进行动态范围压缩，来生成从显示装置40所包括的像素41发射的光的照度被表现为灰度的图像数据img2。显示装置40显示对应于图像数据img2的图像。如上所述，摄像装置20优选具有高动态范围。因此，通过进行动态范围压缩，即使显示装置40的动态范围低于摄像装置20的动态范围，显示装置40也可以显示图像。

参照图2至图4详细地说明控制装置30的功能。图2是说明从图像数据img1向图像数据img2的转换的图。图2示出可以由图像数据img2表现的照度范围比可以由图像数据img1表现的照度范围窄的情况，即显示装置40的动态范围比摄像装置20的动态范围窄的情况。此外，作为一个例子，图2示出图像数据img1可以表现32级灰度，图像数据img2可以表现8级灰度的情况。在此，图像数据img2可以表现的灰度从低灰度一侧依次记为灰度47[1]至灰度47[8]。

在本说明书等中，表现高照度的灰度的灰度值比表现低照度的灰度的灰度值大。例如，在图2所示的灰度47[1]至灰度47[8]中，灰度47[1]的灰度值最小，灰度47[8]的灰度值最大。

如图2所示，例如将图像数据img1中的6级灰度统称为灰度47[1]。换言之，6级灰度的动态范围被压缩为1级灰度。另一方面，灰度47[2]相当于图像数据img1中的2级灰度。换言之，2级灰度的动态范围被压缩为1级灰度。在此，动态范围压缩率可以由“图像数据img2的灰度数/图像数据img1的灰度数”表示，该数值越小动态范围压缩率越高。在图2所示的情况下，将图像数据img1的灰度转换为灰度47[1]时的动态范围压缩率为1/6，将图像数据img2的灰度转换为灰度47[2]时的动态范围压缩率为1/2。因此，将摄像数据的灰度转换为灰度47[1]时的动态范围压缩率可以比将摄像数据的灰度转换为灰度47[2]时的动态范围压缩率高。

在本发明的一个方式中，在为了进行动态范围压缩将图像数据img1转换为图像数据img2时，如图2所示，可以按照度区域改变动态范围压缩率。

注意，图2示出可以由图像数据img2表现的照度的下限比可以由图像数据img1表现的照度的下限高，且可以由图像数据img2表现的照度的上限比可以由图像数据img1表现的照度的上限低的情况，但是本发明的一个方式不局限于此。例如，可以由图像数据img2表现的照度的下限也可以为可以由图像数据img1表现的照度的下限以下。或者，可以由图像数据img2表现的照度的上限也可以为可以由图像数据img1表现的照度的上限以上。

另外，图2示出可以由图像数据img2表现的灰度数比可以由图像数据img1表现的灰度数少的情况，但是本发明的一个方式不局限于此。例如，可以由图像数据img2表现的灰度数与可以由图像数据img1表现的灰度数也可以相同。

图3的上段图是由分析电路31获得的直方图，纵轴表示像素21的数量，横轴表示照射到像素21的光的照度。图3的下段图是示出对应于显示装置40所显示的图像的图像数据img2所表现的灰度与照射到摄像装置20所包括的像素21的光的照度的关系的图表。也就是说，在图3的下段图所示的图表中，纵轴表示从显示装置40所包括的像素41发射的光的照度，纵轴中越往上意味着照度越高。

另外，在图3的下段图中，由实线表示的图表示出灰度决定电路32使用图3的上段图所示的直方图决定动态范围压缩率的情况，由虚线表示的图表示出动态范围压缩率与照射到像素21的光的照度无关而恒定的情况。

在图3中，照射到像素21的光的照度被分割为照度区域50[1]至照度区域50[8]。在图3的上段图所示的直方图和图3的下段图所示的图表中，横轴是同一的，横轴左端表示像素21可检测出的光的照度的下限，横轴右端表示其上限。

如图3的下段图的实线图表所示，在照度区域50[1]至照度区域50[8]中，在照射到少数像素21的照度区域50，即，在图3的上段图所示的直方图中积分值小的照度区域50中，即使照射到像素21的光的照度增加，由图像数据img2表现的灰度值的上升量也小。也就是说，与图2所示的向灰度47[1]的转换同样，从图像数据img1向图像数据img2的转换时的动态范围压缩率高。另一方面，在照射到多数像素21的照度区域50，即，在图3的上段图所示的直方图中积分值大的照度区域50中，当照射到像素21的光的照度增加时，显示数据的灰度值大幅度增加。也就是说，与图2所示的向灰度47[2]的转换同样，从图像数据img1向图像数据img2的转换时的动态范围压缩率低。由此，在图3的下段图所示的图表中，从图像数据img1向图像数据img2的转换时的动态范围压缩率以倾斜度表示，倾斜度越陡峭，从摄像数据向显示数据的转换时的动态范围压缩率越低。

灰度决定电路32可以通过对图像数据img1按每个照度区域50以图3的下段图所示的压缩率进行动态范围压缩来生成图像数据img2。

参照图3说明动态范围压缩率的算出方法的一个例子。这里，假设显示装置40所包括的像素41可以表现100级灰度。

首先，按照度区域50[1]至照度区域50[8]的每一个算出在所有像素21中被照射与照度区域50[1]至照度区域50[8]对应的照度的光的像素21的比率。接着，根据算出的比率，决定分配给照度区域50[1]至照度区域50[8]的图像数据img2的灰度数。例如，当2％的像素21被照射与照度区域50[1]对应的照度的光时，作为图像数据img2的灰度，对照度区域50[1]分配给2级灰度。例如，当24％的像素21被照射与照度区域50[2]对应的照度的光时，作为图像数据img2的灰度，对照度区域50[2]分配给24级灰度。通过对照度区域50[1]至照度区域50[8]的全部进行上述步骤，可以算出照度区域50[1]至照度区域50[8]每一个的动态范围压缩率。

图4a1示出在如图3的下段图的虚线图表所示那样动态范围压缩率与照射到摄像装置20所包括的像素21的光的照度无关而恒定的情况下显示装置40所显示的图像。图4a2是显示装置40显示图4a1所示的图像时的直方图，纵轴表示显示装置40所包括的像素41的数量，横轴表示从像素41发射的光的照度。

图4b1示出在如图3的下段图的实线图表所示那样使用如图3的上段图所示的直方图按每个照度区域决定动态范围压缩率的情况下显示装置40所显示的图像。图4b2是显示装置40显示图4b1所示的图像时的直方图。

在图4a2、图4b2中，横轴左端表示像素41可发射的光的照度的下限，横轴右端表示其上限。

在图4a1、图4a2所示的情况下，发射下限附近的照度的光的像素41的数量及发射上限附近的照度的光的像素41的数量较多。因此，发生曝光不足及曝光过度，显示装置40所显示的图像变得不清楚。另一方面，与图4a1、图4a2所示的情况相比，在图4b1、图4b2所示的情况下，各个照度区域的像素41的数量被均匀化。因此，与图4a1、图4a2所示的情况相比，不发生曝光不足及曝光过度，显示装置40所显示的图像变得清楚，由此可以提高图像的可见度。

<显示系统的结构例子2>

图5是示出图1所示的显示系统10的变形例子的方框图。图5所示的结构的显示系统10与图4所示的结构的显示系统10的不同之处在于：除了分析电路31及灰度决定电路32之外还包括存储电路33及预测电路34。

存储电路33具有保持摄像装置20所生成的图像数据img1、分析电路31所生成的直方图、灰度决定电路32所算出的动态范围压缩率等的功能。预测电路34具有预测所接收的图像数据img1的下一帧以后的图像数据img1的功能。例如，预测电路34具有预测所接收的图像数据img1的下一帧的图像数据img1、或下两帧以后的图像数据img1的功能。

预测电路34例如具有根据保持在存储电路33中的图像数据img1、直方图及动态范围压缩率、储存在服务器52中的信息、器件53所获得的信息等预测图像数据img1的功能。服务器52通过网络51连接到预测电路34。

预测电路34例如具有对保持在存储电路33中的图像数据img1进行图像识别来获得与前方车辆、迎面车辆及行人等的位置、阳光、街灯及前灯等的照度、其他外部环境有关的数据的功能。此外，预测电路34例如具有从服务器52获取与当前时间等有关的信息的功能。此外，器件53例如可以为gps(globalpositioningsystem：全球定位系统)，其具有获得与安装有摄像装置20的移动体的位置及方向等有关的信息且将该信息输出到预测电路34的功能。根据上述信息等，预测电路34可以预测图像数据img1。此外，器件53也可以由两个以上的器件构成。

预测电路34可以根据上述预测结果决定动态范围压缩率的更新时序及频率等。例如，可以在预测到发生曝光不足或曝光过度的情况下，更新动态范围压缩率。或者，可以在预测到图像数据img1的照度变化小的情况下，将动态范围压缩率的更新频率设定为低，在预测到图像数据img1的照度变化大的情况下，将动态范围压缩率的更新频率设定为高。由此，不需要例如在每个帧期间更新动态范围压缩率，而可以提高显示系统10的工作速度。此外，可以以适当的时序更新动态范围压缩率，所以可以在降低动态范围压缩率的更新频率的同时抑制显示装置40所显示的图像的可见度下降。

在此，预测电路34可以为包括神经网络的电路。当预测电路34具有该结构时，可以高精度地预测图像数据img1。

神经网络通过进行学习获得上述功能。在学习时，首先，对神经网络输入图像数据img1以及从服务器52及器件53获取的信息等。然后，以所输入的图像数据img1的下一帧的图像数据img1、或下两帧以后的图像数据img1为监督数据使神经网络进行学习。具体而言，例如更新神经网络的权重系数。通过反复进行上述操作，神经网络可以高精度地预测图像数据img1。

<显示系统的工作方法例子>

接着，参照图6及图7说明图5所示的结构的显示系统10的工作方法的一个例子。图6是示出该工作方法的一个例子的流程图。

首先，摄像装置20获得与照射到像素21的光的照度对应的模拟摄像数据(步骤s01)。接着，设置在摄像装置20中的a/d转换电路25将通过步骤s01获得的摄像数据转换为数字图像数据img1(步骤s02)。然后，将图像数据img1发送到控制装置30所包括的各电路，具体为分析电路31、灰度决定电路32及存储电路33等。

接着，分析电路31根据从a/d转换电路25接收的图像数据img1按被照射的光的照度对像素21的数量进行计数，并生成图3的上段图所示那样的直方图(步骤s03)。所生成的直方图被发送到灰度决定电路32及存储电路33等。

然后，灰度决定电路32根据从分析电路31接收的直方图决定图像数据img1的动态范围压缩率。具体来说，如图3的上段图所示，将直方图分割为两个以上的照度区域，并按每个照度区域使动态范围压缩率不同(步骤s04)。如图3的下段图所示，在照射到多数像素21的照度区域，即，在直方图中积分值大的照度区域中，将动态范围压缩率设定为低。另一方面，在照射到少数像素21的照度区域，即，在直方图中积分值小的照度区域中，将动态范围压缩率设定为高。

接着，灰度决定电路32根据所决定的动态范围压缩率以图2所示的方式对图像数据img1的灰度进行转换，来生成动态范围被压缩的图像数据img2(步骤s05)。

接着，设置在显示装置40所包括的列驱动器46中的d/a转换电路将数字图像数据img2转换为模拟显示数据(步骤s06)。然后，列驱动器46对像素41写入显示数据，由此显示装置40显示对应于显示数据的图像(步骤s07)。

接着，预测电路34读出保持在存储电路33中的图像数据img1、直方图及动态范围压缩率等中的所需要的信息。此外，通过网络51从服务器52获取所需要的信息。并且，器件53获取所需要的信息，将获取的信息发送到预测电路34。根据上述获取的信息，预测电路34预测从存储电路33读出的图像数据img1的下一帧以后的图像数据img1(步骤s08)。例如，预测电路34预测从存储电路33读出的图像数据img1的下一帧的图像数据img1、或下两帧以后的图像数据img1。

接着，根据预测电路34的预测结果，判定是否需要进行动态范围压缩率的更新(步骤s09)。例如，根据预测到的图像数据img1及预测电路34所读出的动态范围压缩率，预测电路34预测当将该预测到的图像数据img1转换为图像数据img2时是否发生曝光不足或曝光过度。当预测到发生曝光不足或曝光过度时，判断为需要进行动态范围压缩率的更新，返回到步骤s01。当预测到不发生曝光不足或曝光过度时，判断为不需要进行动态范围压缩率的更新。在此情况下，以与步骤s01同样的方式摄像装置20获得摄像数据(步骤s10)，然后以与步骤s02同样的方式a/d转换电路25将通过步骤s10获得的摄像数据转换为图像数据img1(步骤s11)，将图像数据img1发送到控制装置30所包括的各电路。然后，省略步骤s03及步骤s04，返回到步骤s05。以上是图5所示的结构的显示系统10的工作方法的一个例子。

在此，当在步骤s09中判断为不需要进行动态范围压缩率的更新时，在步骤s05中读出保持在存储电路33中的动态范围压缩率，使用所读出的动态范围压缩率对图像数据img1的灰度进行转换。

另外，与通过步骤s09而得的判定结果有关的信息从预测电路34例如传输到分析电路31及灰度决定电路32。例如，通过将某种信号传输到分析电路31及灰度决定电路32可以传输与判定结果有关的信息，该信号当判定为需要进行动态范围压缩率的更新时成为高电位，而当判定为不需要进行动态范围压缩率的更新时成为低电位。上述信号的逻辑也可以相反。

图7示出图6所示的工作方法的变形例子，且是从灰度决定电路32决定动态范围压缩率经过n个帧期间之后(n为1以上的整数)更新动态范围压缩率的工作方法的一个例子。

在图7中，步骤s01至步骤s08与图6所示的例子相同。在步骤s08之后，根据预测到的图像数据img1等，预测电路34决定n值(步骤s21)。例如，在预测到图像数据img1的照度变化小的情况下，将n设定为大，在预测到图像数据img2的照度变化大的情况下，将n设定为小。

接着，判定是否从步骤s01经过n个帧期间(步骤s22)。当经过n个帧期间时，判断为需要进行动态范围压缩率的更新，返回到步骤s01。

当未经过n个帧期间时，首先，以与步骤s01同样的方式摄像装置20获得摄像数据(步骤s23)。接着，以与步骤s02同样的方式a/d转换电路25将通过步骤s23获得的摄像数据转换为图像数据img1(步骤s24)。然后，将图像数据img1发送到控制装置30所包括的各电路。

接着，灰度决定电路32从存储电路33读出通过步骤s04决定的动态范围压缩率，根据该动态范围压缩率对图像数据img1的灰度进行转换。由此生成图像数据img2(步骤s25)。

接着，与步骤s06同样地，设置在显示装置40所包括的列驱动器46中的d/a转换电路将数字图像数据img2转换为模拟显示数据(步骤s26)。然后，与步骤s07同样地，列驱动器46对像素41写入显示数据，由此显示装置40显示对应于显示数据的图像(步骤s27)。

接着，返回到步骤s22，再次判定是否从步骤s01经过n个帧期间。以上是图5所示的结构的显示系统10的工作方法的一个例子。

另外，与通过步骤s22而得的判定结果有关的信息从预测电路34例如传输到分析电路31及灰度决定电路32。例如，通过将表示n值的信号传输到分析电路31及灰度决定电路32等，可以传输与判定结果有关的信息。该信号可以为2位以上的信号。

通过以图6或图7所示的方法使显示系统10工作，不需要例如在每个帧期间更新动态范围压缩率，而可以提高显示系统10的工作速度。此外，可以以适当的时序更新动态范围压缩率，所以可以在降低动态范围压缩率的更新频率的同时抑制显示装置40所显示的图像的可见度下降。

另外，如图6及图7所示，当不进行动态范围压缩率的更新时，不进行步骤s03。因此，通过使分析电路31处于待机状态，可以降低分析电路31的功耗。此外，由于不进行步骤s04，所以不进行动态范围压缩率的计算。因此，可以减轻灰度决定电路32的工作负载，而可以降低灰度决定电路32的功耗。

<摄像装置的结构例子>

接着，参照图8至图14详细地说明摄像装置20的结构例子。

[像素电路的结构及工作方法的一个例子]

图8a是说明像素21的电路结构例子的图。也就是说，图8a是说明摄像装置20所包括的像素电路的结构例子的图。图8a所示的结构的像素21包括光电转换元件150、晶体管151、晶体管152、晶体管153、晶体管154、电容器155。

光电转换元件150的一个电极与晶体管151的源极和漏极中的一个电连接。晶体管151的源极和漏极中的一个与晶体管152的源极和漏极中的一个电连接。晶体管151的源极和漏极中的另一个与晶体管153的栅极电连接。晶体管153的栅极与电容器155的一个电极电连接。晶体管153的源极和漏极中的一个与晶体管154的源极和漏极中的一个电连接。注意，也可以不设置电容器155。

光电转换元件150的另一个电极与布线171电连接。晶体管151的栅极与布线176电连接。晶体管152的栅极与布线177电连接。晶体管152的源极和漏极中的另一个与布线172电连接。晶体管153的源极和漏极中的另一个与布线173电连接。晶体管154的源极和漏极中的另一个与布线174电连接。晶体管154的栅极与布线178电连接。电容器155的另一个电极与布线175电连接。

布线171、布线172、布线173及布线175具有电源线的功能。例如，布线171及布线173可以为高电位电源线，布线172及布线175可以为低电位电源线。布线176、布线177及布线178具有控制各晶体管的导通状态的信号线的功能。此外，布线174具有从像素21输出信号的输出线的功能。

在此，将与光电转换元件150的一个电极、晶体管151的源极和漏极中的一个及晶体管152的源极和漏极中的一个连接的布线称为电荷存储部nr。此外，将与晶体管151的源极和漏极中的另一个、晶体管153的栅极及电容器155的一个电极连接的布线称为电荷检测部nd。

晶体管151具有将根据光电转换元件150的工作而变化的电荷存储部nr的电位传送到电荷检测部nd的功能。晶体管152具有使电荷存储部nr及电荷检测部nd的电位初始化的功能。晶体管153具有输出与电荷检测部nd的电位对应的信号的功能。晶体管154具有选择读出信号的像素21的功能。

为了提高光检测灵敏度，作为光电转换元件150可以使用雪崩光电二极管。当使用雪崩光电二极管时，需要将较高的电位供应给布线171。

此时，作为与光电转换元件150连接的晶体管，优选使用可被施加高电压的高耐压晶体管。作为该晶体管，例如可以使用金属氧化物被用于沟道形成区域的晶体管的os晶体管。具体而言，优选作为晶体管151及晶体管152使用os晶体管。

另外，通过将os晶体管用作晶体管151及晶体管152，因它们的低关态电流特性而可以使在电荷检测部nd及电荷存储部nr中能够保持电荷的期间为极长。因此，可以以不使电路结构或工作方法为复杂的方式采用在全像素中同时进行电荷存储工作且依次进行读出工作的全局快门方式。

另一方面，由于晶体管153被要求具有良好的放大特性，所以晶体管153优选为通态电流高的晶体管。因此，作为晶体管153及晶体管154优选采用硅被用于沟道形成区域的晶体管(下面称为si晶体管)。

通过作为光电转换元件150使用雪崩光电二极管且使晶体管151至晶体管154具有上述结构，可以制造低照度下的光检测灵敏度高且能够输出噪音少的信号的摄像装置。此外，由于光检测灵敏度高，所以可以缩短提取光所需的时间而高速地进行摄像。

注意，不局限于上述结构，光电转换元件150也可以为不产生雪崩倍增的元件。此外，也可以对雪崩光电二极管施加不产生雪崩倍增的电位而使用。

另外，也可以作为晶体管153及晶体管154采用os晶体管。或者，也可以作为晶体管151及晶体管152采用si晶体管。在上述任一情况下都可以使像素21工作。

接着，使用图8b的时序图对像素21的工作方法的一个例子进行说明。注意，在下面说明的一个例子的工作中，各布线被供应的电位如下。布线176、布线177及布线178被供应作为高电位的vdd、作为低电位的gnd。布线171及布线173被供应vdd的电位。布线172及布线175被供应gnd的电位。注意，各布线也可以被供应上述以外的电位，例如布线171可以被供应高于vdd的电位hvdd。

在时刻t1，将布线176设定为高电位且将布线177设定为高电位，将电荷存储部nr及电荷检测部nd的电位设定为复位电位(gnd)(复位工作)。

在时刻t2，通过将布线176设定为低电位且将布线177设定为低电位，电荷存储部nr的电位开始变化(积蓄工作)。电荷存储部nr的电位根据入射到光电转换元件150的光的强度从gnd附近变化到vdd附近。

在时刻t3，将布线176设定为高电位且将布线177设定为低电位，将电荷存储部nr的电荷传送到电荷检测部nd(传送工作)。

在时刻t4，将布线176设定为低电位且将布线177设定为低电位，结束传送工作。此时，电荷检测部nd的电位被确定。

在时刻t5至时刻t6的期间，将布线176设定为低电位，将布线177设定为低电位，将布线178设定为高电位，将与电荷检测部nd的电位对应的信号输出到布线174。也就是说，可以获得与在进行积蓄工作的期间入射到光电转换元件150的光的强度对应的输出信号。

[像素的结构例子]

图9a示出包括上述像素电路的像素21的结构例子。图9a所示的像素是具有层161及层162的叠层结构的例子。

层161包括光电转换元件150。如图9c所示，光电转换元件150可以为层165a、层165b与层165c的叠层。

图9c所示的光电转换元件150是pn接合型光电二极管，例如，作为层165a使用p⁺型半导体，作为层165b使用n型半导体，作为层165c使用n⁺型半导体。或者，也可以作为层165a使用n⁺型半导体，作为层165b使用p型半导体，作为层165c使用p⁺型半导体。或者，也可以采用作为层165b使用i型半导体的pin接合型光电二极管。

上述pn结合型光电二极管或pin结合型光电二极管可以使用单晶硅形成。另外，pin结合型光电二极管可以使用非晶硅、微晶硅、多晶硅等的薄膜形成。

另外，如图9d所示，层161所包括的光电转换元件150也可以为层166a、层166b、层166c与层166d的叠层。图9d所示的光电转换元件150是雪崩光电二极管的一个例子，层166a及层166d相当于电极，层166b及层166c相当于光电转换部。

层166a优选使用低电阻的金属层等。例如，可以使用铝、钛、钨、钽、银的层或它们的叠层。

层166d优选使用对可见光具有高透过性的导电层。例如，作为层166d可以使用铟氧化物、锡氧化物、锌氧化物、铟锡氧化物、镓锌氧化物、铟镓锌氧化物或石墨烯等。另外，也可以省略层166d。

光电转换部的层166b及层166c例如可以具有以硒类材料为光电转换层的pn结合型光电二极管的结构。优选的是，作为层166b使用p型半导体的硒类材料，作为层166c使用n型半导体的镓氧化物等。

使用硒类材料的光电转换元件对可见光具有高外部量子效率。该光电转换元件通过利用雪崩倍增可以增加相对于入射光量的载流子放大量。另外，硒类材料具有高光吸收系数，所以具有生产上的优点，诸如可以以薄膜制造光电转换层。硒类材料的薄膜可以通过真空蒸镀法或溅射法等形成。

作为硒类材料可以使用单晶硒及多晶硒等结晶性硒、非晶硒、铜铟硒的化合物(cis)或者铜铟镓硒的化合物(cigs)等。

n型半导体优选由带隙宽且对可见光具有透过性的材料形成。例如，可以使用锌氧化物、镓氧化物、铟氧化物、锡氧化物或者混有上述物质的氧化物等。另外，这些材料也具有空穴注入阻挡层的功能，可以减少暗电流。

作为图9a所示的层162，例如可以使用硅衬底。在该硅衬底上设置si晶体管等，除了上述像素电路以外还可以设置驱动该像素电路的电路、图像信号的读出电路、图像处理电路等。

另外，如图9b所示，像素也可以具有层161、层163与层162的叠层结构。

层163可以包括os晶体管(例如，像素电路的晶体管151及晶体管152)。此时，层162优选包括si晶体管(例如，像素电路的晶体管153及晶体管154)。

通过采用该结构，可以将构成像素电路的要素分散到多个层，并可以重叠地设置该要素，所以可以减小摄像装置的面积。另外，在图9b的结构中，也可以将层162用作支撑衬底且在层161及层163中设置像素电路。

图10a是说明图9a所示的像素的截面的一个例子的图。层161作为光电转换元件150包括以硅为光电转换层的pn接合型光电二极管。层162包括构成像素电路的si晶体管等。

在光电转换元件150中，层165a可以为p⁺型区域、层165b可以为n型区域，层165c可以为n⁺型区域。另外，层165b设置有使电源线与层165c连接的区域136。例如，区域136可以为p⁺型区域。

虽然图10a示出si晶体管为在硅衬底140中具有沟道形成区域的平面型的结构，但是如图12a、图12b所示，也可以采用在硅衬底140中包括鳍型半导体层的结构。图12a相当于沟道长度方向的截面，图12b相当于沟道宽度方向的截面。

另外，如图12c所示，也可以采用包括硅薄膜的半导体层145的晶体管。例如，半导体层145可以为在硅衬底140上的绝缘层146上形成的单晶硅(soi(silicononinsulator))。

在此，图10a示出通过贴合技术使层161所包括的要素与层162所包括的要素电连接的结构例子。

层161中设置有绝缘层142、导电层133及导电层134。导电层133及导电层134具有埋入于绝缘层142的区域。导电层133与层165a电连接。导电层134与区域136电连接。另外，绝缘层142、导电层133及导电层134的表面被平坦化以使它们的高度都对齐。

层162中设置有绝缘层141、导电层131及导电层132。导电层131及导电层132具有埋入于绝缘层141的区域。导电层132与电源线电连接。导电层131与晶体管151的源极或漏极电连接。另外，绝缘层141、导电层131以及导电层132的表面被平坦化以使它们的高度都对齐。

在此，导电层131及导电层133的主要成分优选为相同的金属元素。导电层132及导电层134的主要成分优选为相同的金属元素。另外，绝缘层141及绝缘层142优选由相同的成分构成。

例如，作为导电层131、导电层132、导电层133、导电层134可以使用cu、al、sn、zn、w、ag、pt或au等。从接合的容易性的观点来看，优选使用cu、al、w或au。另外，作为绝缘层141及绝缘层142可以使用氧化硅、氧氮化硅、氮氧化硅、氮化硅、氮化钛等。

换言之，优选的是，作为导电层131和导电层133的组合以及导电层132和导电层134的组合都使用上述相同的金属材料。另外，优选的是，作为绝缘层141及绝缘层142都使用上述相同的绝缘材料。通过采用该结构，可以进行以层161和层162的边界为贴合位置的贴合工序。

通过上述贴合工序，可以获得导电层131与导电层133的组合及导电层132与导电层134的组合的各电连接。另外，可以获得绝缘层141与绝缘层142的具有机械强度的连接。

当接合金属层时，可以利用表面活化接合法，在该方法中，通过溅射处理等去除表面的氧化膜及杂质吸附层等并使清洁化且活化了的表面接触而接合。或者，可以利用并用温度及压力使表面接合的扩散接合法等。上述方法都可以发生原子级的结合，因此可以获得电气上和机械上都优异的接合。

另外，当接合绝缘层时，可以利用亲水性接合法等，在该方法中，在通过抛光等获得高平坦性之后，使利用氧等离子体等进行过亲水性处理的表面接触而暂时接合，利用热处理进行脱水，由此进行正式接合。亲水性接合法也发生原子级的结合，因此可以获得机械上优异的接合。

在贴合层161与层162的情况下，由于在各接合面绝缘层与金属层是混合的，所以，例如，组合表面活化接合法及亲水性接合法即可。

例如，可以采用在进行抛光之后使表面清洁化，对金属层的表面进行防氧处理，然后进行亲水性处理来进行接合的方法等。另外，也可以作为金属层的表面使用au等难氧化性金属，进行亲水性处理。另外，也可以使用上述以外的接合方法。

图10b是作为图9a所示的像素的层161使用以硒类材料为光电转换层的pn接合型光电二极管时的截面图。作为一个电极包括层166a，作为光电转换层包括层166b及层166c，作为另一个电极包括层166d。

在此情况下，层161可以直接形成在层162上。层166a与晶体管151的源极或漏极电连接。层166d通过导电层137与电源线电连接。

图11a是说明图9b所示的像素的截面的一个例子的图。层161作为光电转换元件150包括以硅为光电转换层的pn接合型光电二极管。层162包括si晶体管等。层163包括os晶体管等。在此示出层161与层163通过贴合工序得到电连接的结构例子。

在图11a中，os晶体管具有自对准结构，但是如图12d所示，也可以为非自对准结构的顶栅型晶体管。

虽然晶体管151包括背栅极135，但是也可以不包括背栅极。如图12e所示，背栅极135有时电连接于与其相对的晶体管的前栅极。或者，也可以采用可以对背栅极135供应与前栅极不同的恒定电位的结构。

在形成os晶体管的区域和形成si晶体管的区域之间设置具有防止氢的扩散的功能的绝缘层143。设置在晶体管153及晶体管154的沟道形成区域附近的绝缘层中的氢使硅的悬空键终结。另一方面，设置在晶体管151的沟道形成区域附近的绝缘层中的氢有可能成为在氧化物半导体层中生成载流子的原因之一。

通过设置绝缘层143将氢封闭在一侧的层中，可以提高晶体管153及晶体管154的可靠性。此外，由于能够抑制氢从一侧的层扩散到另一侧的层，所以可以提高晶体管151的可靠性。

绝缘层143例如可以使用氧化铝、氧氮化铝、氧化镓、氧氮化镓、氧化钇、氧氮化钇、氧化铪、氧氮化铪、氧化钇稳定氧化锆(ysz)等。

图11b是作为图9b所示的像素的层161使用以硒类材料为光电转换层的pn接合型光电二极管时的截面图。层161可以直接形成在层163上。层161、层162及层163的详细内容可以参照上述说明。

[其他的像素的构成要素]

图13a是示出对本发明的一个方式的摄像装置的像素附加滤色片等的例子的立体图。该立体图还示出多个像素的截面。在形成光电转换元件150的层161上形成绝缘层180。绝缘层180可以使用对可见光具有高透过性的氧化硅膜等。此外，也可以作为钝化膜层叠氮化硅膜。另外，也可以作为抗反射膜层叠氧化铪等的介电膜。

在绝缘层180上也可以形成有遮光层181。遮光层181具有防止透过上部的滤色片的光的颜色混合的功能。作为遮光层181，可以使用铝、钨等金属膜。另外，也可以层叠该金属膜与具有抗反射层的功能的介电膜。

在绝缘层180及遮光层181上也可以作为平坦化膜设置有机树脂层182。另外，在每个像素中形成滤色片183(滤色片183a、滤色片183b、滤色片183c)。例如，使滤色片183a、滤色片183b及滤色片183c具有r(红色)、g(绿色)、b(蓝色)、y(黄色)、c(青色)、m(品红色)等的颜色，由此可以获得彩色图像。

在滤色片183上也可以设置对可见光具有透过性的绝缘层186等。

此外，如图13b所示，也可以使用光学转换层185代替滤色片183。通过采用这种结构，可以实现能够获得各种各样的波长区域的图像的摄像装置。

例如，当作为光学转换层185使用阻挡可见光线的波长以下的光的滤光片时，可以获得红外线摄像装置。当作为光学转换层185使用阻挡近红外线的波长以下的光的滤光片时，可以获得远红外线摄像装置。另外，当作为光学转换层185使用阻挡可见光线的波长以上的光的滤光片时，可以获得紫外线摄像装置。可以组合可见光的滤色片与红外线或紫外线的滤光片。

另外，通过将闪烁体用于光学转换层185，可以实现用于x射线摄像装置等的获得使辐射强度可视化的图像的摄像装置。当透过拍摄对象的x射线等辐射入射到闪烁体时，由于光致发光现象而转换为可见光线或紫外光线等的光(荧光)。通过由光电转换元件150检测该光来获得图像数据。此外，也可以将该结构的摄像装置用于辐射探测器等。

闪烁体含有如下物质：当被照射x射线或伽马射线等辐射时吸收辐射的能量而发射可见光或紫外线的物质。例如，可以使用gd2o2s：tb、gd2o2s：pr、gd2o2s：eu、bafcl：eu、nai、csi、caf2、baf2、cef3、lif、lii、zno等分散在树脂或陶瓷中的材料。

另外，在使用硒类材料的光电转换元件150中，由于可以将x射线等辐射直接转换为电荷，因此可以不使用闪烁体。

另外，如图13c所示，也可以在滤色片183上设置微透镜阵列184。透过微透镜阵列184所具有的各透镜的光经由设置在其下的滤色片183而照射到光电转换元件150。此外，也可以在图13b所示的光学转换层185上设置微透镜阵列184。

[封装、模块的结构例子]

以下，说明安装有图像传感器芯片的封装及相机模块的一个例子。作为该图像传感器芯片可以使用上述摄像装置的结构。

图14a1是安装有图像传感器芯片的封装的顶面一侧的外观立体图。该封装包括使图像传感器芯片450固定的封装衬底410、玻璃盖板420及贴合两者的粘合剂430等。

图14a2是该封装的底面一侧的外观立体图。在封装的底面包括以焊球为凸块440的bga(ballgridarray；球栅阵列)。注意，不局限于bga，也可以包括lga(landgridarray：地栅阵列)、pga(pingridarray：针栅阵列)等。

图14a3是省略玻璃盖板420及粘合剂430的一部分而图示的封装的立体图。在封装衬底410上形成电极焊盘460，电极焊盘460与凸块440通过通孔电连接。电极焊盘460通过导线470与图像传感器芯片450电连接。

另外，图14b1是将图像传感器芯片安装在透镜一体型封装的相机模块的顶面一侧的外观立体图。该相机模块包括使图像传感器芯片451固定的封装衬底411、透镜盖421及透镜435等。另外，在封装衬底411与图像传感器芯片451之间设置有具有摄像装置的驱动电路及信号转换电路等的功能的ic芯片490，具有作为sip(systeminpackage：系统封装)的结构。

图14b2是该相机模块的底面一侧的外观立体图。封装衬底411的底面及侧面具有设置有安装用连接盘441的qfn(quadflatno-leadpackage：四侧无引脚扁平封装)的结构。注意，该结构仅为一个例子，也可以设置有qfp(quadflatpackage：四侧引脚扁平封装)或上述bga。

图14b3是省略透镜盖421及透镜435的一部分而图示的模块的立体图。连接盘441与电极焊盘461电连接，电极焊盘461通过导线471与图像传感器芯片451或ic芯片490电连接。

通过将图像传感器芯片安装在上述方式的封装中，可以容易安装在印刷电路板等，由此可以将图像传感器芯片组装在各种半导体装置、电子设备。

<显示装置的结构例子>

接着，参照图15至图17说明显示装置40的详细结构例子。

[像素电路的结构例子]

图15a是说明像素41的电路结构例子的图。也就是说，图15a是说明显示装置40所包括的像素电路的结构例子的图。图15a所示的结构的像素41包括晶体管3431、电容器3233、液晶元件3432。

晶体管3431的源极和漏极中的一个与布线3174电连接。晶体管3431的栅极与布线3178电连接。

电容器3233的一个电极与电容线cl电连接。电容器3233的另一个电极与晶体管3431的源极和漏极中的另一个电连接。例如，可以对电容线cl施加恒定电位。

液晶元件3432的一个电极被施加共同电位(公共电位)。液晶元件3432的另一个电极与晶体管3431的源极和漏极中的另一个电连接。

将与晶体管3431的源极和漏极中的另一个、电容器3233的另一个电极及液晶元件3432的另一个电极连接的节点称为节点3436。

晶体管3431具有控制对节点3436的数据信号的写入的功能。电容器3233具有保持写入到节点3436的数据的功能。包括在液晶元件3432中的液晶的取向状态取决于写入到节点3436的电位。

在此，作为液晶元件3432的模式，例如可以使用下列模式：tn模式；stn模式；va模式；asm(axiallysymmetricalignedmicro-cell：轴对称排列微单元)模式；ocb(opticallycompensatedbirefringence：光学补偿双折射)模式；flc(ferroelectricliquidcrystal：铁电液晶)模式；aflc(antiferroelectricliquidcrystal：反铁电液晶)模式；mva模式；pva(patternedverticalalignment：垂直取向构型)模式；ips模式；ffs模式；或者tba(transversebendalignment：横向弯曲取向)模式等。另外，作为其他例子，还有ecb(electricallycontrolledbirefringence：电控双折射)模式、pdlc(polymerdispersedliquidcrystal：聚合物分散液晶)模式、pnlc(polymernetworkliquidcrystal：聚合物网络液晶)模式、宾主模式等。注意，不限定于此，可以使用各种模式。

图15b是说明与图15a所示的像素电路不同的结构的像素41的电路结构例子的图。图15b所示的结构的像素41包括晶体管3431、晶体管3232、电容器3233、发光元件3125。

晶体管3431的源极和漏极中的一个与布线3174电连接。晶体管3431的源极和漏极中的另一个与电容器3233的一个电极及晶体管3232的栅极电连接。晶体管3431的栅极与布线3178电连接。

晶体管3232的源极和漏极中的一个与布线vl_a电连接。

发光元件3125的一个电极与布线vl_b电连接。发光元件3125的另一个电极与晶体管3232的源极和漏极中的另一个及电容器3233的另一个电极电连接。

布线vl_a可以为高电位电源线。布线vl_b可以为低电位电源线。此外，布线vl_b可以为高电位电源线，布线vl_a可以为低电位电源线。

将与晶体管3431的源极和漏极中的另一个、晶体管3232的栅极及电容器3233的一个电极连接的节点称为节点3435。将与晶体管3232的源极和漏极中的另一个、电容器3233的另一个电极及发光元件3125的另一个电极连接的节点称为节点3437。

晶体管3431具有控制对节点3435的数据信号的写入的功能。晶体管3232具有控制流过发光元件3125的电流的功能。电容器3233具有保持写入到节点3435的数据的作为存储电容器的功能。

作为发光元件3125例如可以使用有机el元件等。但是，不局限于此，例如也可以使用由无机材料构成的无机el元件。

[像素的结构例子]

图16a及图17a示出包括图15a所示的像素电路的像素41的结构例子。图16b及图17b示出包括图15b所示的像素电路的像素41的结构例子。

图16a和图16b所示的显示装置40包括导电层4015，导电层4015通过各向异性导电层4019电连接到fpc4018所包括的端子。导电层4015在形成在绝缘层4112、绝缘层4111及绝缘层4110中的开口中与布线4014电连接。导电层4015与导电层4030使用同一导电层形成。

设置在衬底4001上的像素41包括晶体管。在图16a中例示像素41所包括的晶体管3431，在图16b中例示像素41所包括的晶体管3232。作为衬底4001例如可以使用硅衬底。

晶体管3431及晶体管3232设置在绝缘层4102上。晶体管3431及晶体管3232包括形成在绝缘层4102上的导电层517，导电层517上形成有绝缘层4103。绝缘层4103上形成有半导体层512。半导体层512上形成有导电层510及导电层511，导电层510及导电层511上形成有绝缘层4110及绝缘层4111，绝缘层4110及绝缘层4111上形成有导电层516。导电层510及导电层511与布线4014使用同一导电层形成。

在晶体管3431及晶体管3232中，导电层517被用作栅极，导电层510被用作源极和漏极中的一个，导电层511被用作源极和漏极中的另一个，导电层516被用作背栅极。

当晶体管3431及晶体管3232具有底栅极结构且包括背栅极时，可以增大通态电流。另外，可以控制晶体管的阈值电压。另外，为了简化制造工序，也可以根据情况省略导电层516。

在晶体管3431及晶体管3232中，半导体层512被用作沟道形成区域。半导体层512可以使用结晶硅、多晶硅、非晶硅、金属氧化物、有机半导体等。另外，根据需要可以将杂质引入半导体层512以提高半导体层512的导电率或者控制晶体管的阈值电压。

在作为半导体层512使用金属氧化物的情况下，半导体层512优选包含铟(in)。在半导体层512为包含铟的金属氧化物的情况下，半导体层512的载流子迁移率(电子迁移率)得到提高。此外，半导体层512优选为包含元素m的金属氧化物。元素m优选是铝(al)、镓(ga)或锡(sn)等。作为可用作元素m的其他元素，有硼(b)、硅(si)、钛(ti)、铁(fe)、镍(ni)、锗(ge)、钇(y)、锆(zr)、钼(mo)、镧(la)、铈(ce)、钕(nd)、铪(hf)、钽(ta)、钨(w)等。注意，作为元素m，有时也可以组合多个上述元素。元素m例如是与氧的键能高的元素。元素m例如是与氧的键能高于铟的元素。此外，半导体层512优选为包含锌(zn)的金属氧化物。包含锌的金属氧化物有时容易晶化。

半导体层512不局限于包含铟的金属氧化物。半导体层512例如也可以是锌锡氧化物或镓锡氧化物等不包含铟但包含锌、镓或锡的金属氧化物等。

另外，当作为半导体层512使用结晶硅、多晶硅、非晶硅等包含硅的材料时，可以提高半导体层512的导电率。由此，可以提高晶体管3431及晶体管3232的通态电流，并可以提高像素41的工作速度。

另外，图16a及图16b所示的显示装置40包括电容器3233。电容器3233包括导电层511与导电层4021隔着绝缘层4103彼此重叠的区域。导电层4021与导电层517使用同一导电层形成。

图16a示出作为显示元件采用液晶元件的液晶显示装置的一个例子。在图16a中，作为显示元件的液晶元件3432包括导电层4030、导电层4031以及液晶层4008。注意，以夹持液晶层4008的方式设置有用作取向膜的绝缘层4032、绝缘层4033。导电层4031设置在衬底4006一侧，导电层4030与导电层4031隔着液晶层4008重叠。此外，与衬底4001同样地，作为衬底4006例如可以使用硅衬底。

此外，间隔物4035是通过对绝缘层选择性地进行蚀刻而得到的柱状间隔物，并且它是为控制导电层4030和导电层4031之间的间隔(单元间隙)而设置的。注意，还可以使用球状间隔物。

当作为显示元件使用液晶元件时，可以使用热致液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶、铁电液晶、反铁电液晶等。这些液晶材料根据条件呈现出胆甾相、近晶相、立方相、手向列相、各向同性相等。

此外，液晶材料的固有电阻为1×10⁹ω·cm以上，优选为1×10¹¹ω·cm以上，更优选为1×10¹²ω·cm以上。另外，本说明书等中的固有电阻的值为在20℃测量的值。

在晶体管3431使用os晶体管的情况下，晶体管3431可以降低关态电流值。因此，可以延长图像信号等的电信号的保持时间，并且，还可以延长供电状态下的写入间隔。因此，可以降低刷新工作的频率，所以具有抑制功耗的效果。

此外，在显示装置中，可以适当地设置黑矩阵(遮光层)、偏振构件、相位差构件、抗反射构件等的光学构件(光学衬底)等。例如，也可以使用利用偏振衬底以及相位差衬底的圆偏振。此外，作为光源，也可以使用背光、侧光等。

图16b为作为显示元件使用el元件等发光元件的显示装置的一个例子。el元件被分类为有机el元件及无机el元件。

在有机el元件中，通过施加电压，电子从一个电极注入到el层中，而空穴从另一个电极注入到el层中。一个电极是导电层4030和导电层4031中的一个，另一个电极是导电层4030和导电层4031中的另一个。通过这些载流子(电子及空穴)重新结合，发光有机化合物形成激发态，当从该激发态回到基态时发光。由于这种机理，这种发光元件被称为电流激发型发光元件。el层除了发光化合物以外也可以还包括空穴注入性高的物质、空穴传输性高的物质、空穴阻挡材料、电子传输性高的物质、电子注入性高的物质或双极性的物质(电子传输性及空穴传输性高的物质)等。el层可以通过蒸镀法(包括真空蒸镀法)、转印法、印刷法、喷墨法、涂敷法等的方法形成。

无机el元件根据其元件结构而分类为分散型无机el元件和薄膜型无机el元件。分散型无机el元件包括发光层，其中发光材料的粒子分散在粘合剂中，并且其发光机理是利用供体能级和受主能级的供体-受主重新结合型发光。薄膜型无机el元件是其中发光层夹在电介质层之间，并且该夹着发光层的电介质层夹在电极之间的结构，其发光机理是利用金属离子的内壳层电子跃迁的局部型发光。

图16b示出作为发光元件3125使用有机el元件的例子。

在图16b中，发光元件3125与设置在像素41中的晶体管3232电连接。虽然发光元件3125具有导电层4030、发光层4511及导电层4031的叠层结构，但是不局限于该结构。根据从发光元件3125取出光的方向等，可以适当地改变发光元件3125的结构。

分隔壁4510使用有机绝缘材料或无机绝缘材料形成。尤其优选使用感光树脂材料，在导电层4030上形成开口部，并且将该开口部的侧面形成为具有连续曲率的倾斜面。

发光层4511可以使用一个层构成，也可以使用多个层的叠层构成。

为了防止氧、氢、水分、二氧化碳等侵入发光元件3125，也可以在导电层4031及分隔壁4510上形成保护层。作为保护层，可以使用氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、氮化铝、氧氮化铝、氮氧化铝、dlc(diamondlikecarbon)等。此外，在由衬底4001、衬底4006以及密封剂4005密封的空间中设置有填充剂4514并被密封。如此，为了不暴露于外部气体，优选使用气密性高且脱气少的保护薄膜(粘合薄膜、紫外线固化树脂薄膜等)、覆盖材料进行封装(封入)。

作为填充剂4514，除了氮或氩等惰性气体以外，也可以使用紫外线固化树脂或热固化树脂，例如可以使用pvc(聚氯乙烯)、丙烯酸树脂、聚酰亚胺、环氧树脂、硅酮树脂、pvb(聚乙烯醇缩丁醛)或eva(乙烯-醋酸乙烯酯)等。填充剂4514也可以包含干燥剂。

作为密封剂4005，可以使用玻璃粉等玻璃材料或者两液混合型树脂等在常温下固化的固化树脂、光固化树脂、热固化树脂等树脂材料。密封剂4005也可以包含干燥剂。

另外，根据需要，也可以在发光元件的光射出面上适当地设置诸如偏振片或者圆偏振片(包括椭圆偏振片)、相位差板(λ/4板，λ/2板)、滤色片等的光学薄膜。此外，也可以在偏振片或者圆偏振片上设置抗反射膜。例如，可以进行抗眩光处理，该处理是通过利用表面的凹凸扩散反射光来降低反射眩光的处理。

通过使发光元件具有微腔结构，能够提取色纯度高的光。另外，通过组合微腔结构和滤色片，可以防止反射眩光，而可以提高图像的可见度。

作为导电层4030及导电层4031，可以使用包含氧化钨的铟氧化物、包含氧化钨的铟锌氧化物、包含氧化钛的铟氧化物、铟锡氧化物、包含氧化钛的铟锡氧化物、铟锌氧化物、添加有氧化硅的铟锡氧化物等具有透光性的导电材料。

此外，导电层4030及导电层4031可以使用钨(w)、钼(mo)、锆(zr)、铪(hf)、钒(v)、铌(nb)、钽(ta)、铬(cr)、钴(co)、镍(ni)、钛(ti)、铂(pt)、铝(al)、铜(cu)、银(ag)等金属、其合金和其氮化物中的一种以上形成。

此外，导电层4030及导电层4031可以使用包含导电高分子(也称为导电聚合体)的导电组成物形成。作为导电高分子，可以使用所谓的π电子共轭导电高分子。例如，可以举出聚苯胺或其衍生物、聚吡咯或其衍生物、聚噻吩或其衍生物、或者由苯胺、吡咯及噻吩中的两种以上构成的共聚物或其衍生物等。

为了将光从发光元件3125提取到外部，使导电层4030和导电层4031中的至少一个为透明。显示装置根据光提取方法被分为顶面发射(顶部发射)结构、底面发射(底部发射)结构及双面发射结构。顶面发射结构为从衬底4006提取光的结构。底面发射结构为衬底4001提取光的结构。双面发射结构为从衬底4006及衬底4001的双方提取光的结构。例如，在顶面发射结构中，导电层4031为透明。例如，在底面发射结构中，导电层4030为透明。例如，在双面发射结构中，导电层4030及导电层4031为透明，即可。

图17a示出作为图16a所示的晶体管3431设置顶栅型晶体管的情况下的截面图。同样地，图17b示出作为图16b所示的晶体管3232设置顶栅型晶体管的情况下的截面图。

在图17a、图17b的晶体管3431及晶体管3232中，导电层517被用作栅极，导电层510被用作源极和漏极中的一个，导电层511被用作源极和漏极中的另一个。

<存储电路的结构例子>

接着，参照图18及图19说明图5所示的存储电路33的详细结构例子。图18是说明存储电路33的结构例子的方框图。如图18所示，存储电路33包括控制器1405、行电路1410、列电路1415、存储单元以及读出放大器阵列1420(以下称为“mc-sa阵列1420”)。

行电路1410包括解码器1411、字线驱动电路1412、列选择器1413、读出放大器驱动电路1414。列电路1415包括全局读出放大器阵列1416、输入输出电路1417。全局读出放大器阵列1416包括多个全局读出放大器1447。mc-sa阵列1420包括存储单元阵列1422、读出放大器阵列1423、全局位线gbll、gblr。

[mc-sa阵列1420]

mc-sa阵列1420具有存储单元阵列1422层叠于读出放大器阵列1423上的叠层结构。全局位线gbll、gblr层叠于存储单元阵列1422上。在存储电路33中，作为位线结构采用局部位线和全局位线被分层化的分层位线结构。

存储单元阵列1422包括n个(n为2以上的整数)局部存储单元阵列1425<0>至1425<n-1>。存储单元阵列1423包括n个局部存储单元阵列1426<0>至1426<n-1>。图19a示出局部存储单元阵列1425的结构例子。局部存储单元阵列1425包括多个存储单元1445、多个字线wl、多个位线bll、多个位线blr。在图19a的例子中，局部存储单元阵列1425的结构为开位线型，但是也可以为折叠位线型。

图19b示出与共同的位线bll(blr)连接的一对存储单元1445a及存储单元1445b的电路结构例子。存储单元1445a包括晶体管mw1a、电容器cs1a、端子b1a、端子b2a，与字线wla及位线bll(blr)连接。此外，存储单元1445b包括晶体管mw1b、电容器cs1b、端子b1b、端子b2b，与字线wlb及位线bll(blr)连接。下面，在对关于存储单元1445a和存储单元1445b双方的内容进行说明的情况下有时不对存储单元1445及附随的构成要素附加a或b的符号。

晶体管mw1a具有控制电容器cs1a的充放电的功能，晶体管mw1b具有控制电容器cs1b的充放电的功能。晶体管mw1a的栅极与字线wla电连接，源极和漏极中的一个与位线bll(blr)电连接，源极和漏极中的另一个与电容器cs1a的一个电极电连接。此外，晶体管mw1b的栅极与字线wlb电连接，源极和漏极中的一个与位线bll(blr)电连接，源极和漏极中的另一个与电容器cs1b的一个电极电连接。如此，晶体管mw1a的源极和漏极中的一个和晶体管mw1b的源极和漏极中的一个都连接到位线bll(blr)。

晶体管mw1具有控制电容器cs1的充放电的功能。电容器cs1的另一个电极电连接于端子b2。端子b2被输入恒定电位(例如，低电源电位)。

作为晶体管mw1a及晶体管mw1b优选使用os晶体管。如上所述，os晶体管的关态电流小。由此，可以在电容器cs1a及电容器cs1b中长时间保持电荷，而可以降低刷新工作的频率。由此，可以降低显示系统10的功耗。注意，作为晶体管mw1a及晶体管mw1b也可以使用os晶体管以外的晶体管，诸如si晶体管等。

晶体管mw1包括背栅极，背栅极电连接于端子b1。因此，可以根据端子b1的电位改变晶体管mw1的阈值电压。例如，端子b1的电位可以是固定电位(例如，负的恒定电位)，也可以根据存储电路33的工作，改变端子b1的电位。

此外，也可以将晶体管mw1的背栅极电连接于晶体管mw1的栅极、源极或者漏极。或者，也可以在晶体管mw1中不设置背栅极。

本实施方式可以与其他实施方式的记载适当地组合。

(实施方式2)

在本实施方式中，说明能够用于在上述实施方式中说明的神经网络的半导体装置的结构例子。

如图20a所示，神经网络nn可以由输入层il、输出层ol及中间层(隐藏层)hl构成。输入层il、输出层ol及中间层hl都包括一个或多个神经元(单元)。注意，中间层hl可以为一层或两层以上。包括两层以上的中间层hl的神经网络可以被称为dnn(深度神经网络)，使用深度神经网络的学习可以被称为深度学习。

输入层il的各神经元被输入输入数据，中间层hl的各神经元被输入前一层或后一层的神经元的输出信号，输出层ol的各神经元被输入前一层的神经元的输出信号。注意，各神经元既可以与前一层和后一层的所有神经元连结(全连结)，又可以与部分神经元连结。

图20b示出利用神经元的运算的例子。在此，示出神经元n及向神经元n输出信号的前一层的两个神经元。神经元n被输入前一层的神经元的输出x1及前一层的神经元的输出x2。在神经元n中，算出输出x1与权重w1的乘法结果(x1w1)和输出x2与权重w2的乘法结果(x2w2)之总和x1w1+x2w2，然后根据需要对其加偏压b，从而得到值a＝x1w1+x2w2+b。值a被激活函数h变换，输出信号y＝h(a)从神经元n输出。

如此，利用神经元的运算包括对前一层的神经元的输出与权重之积进行加法的运算，即积和运算(上述x1w1+x2w2)。该积和运算既可以通过程序在软件上进行，又可以通过硬件进行。在通过硬件进行积和运算时，可以使用积和运算电路。作为该积和运算电路，既可以使用数字电路，又可以使用模拟电路。在作为积和运算电路使用模拟电路时，可以因积和运算电路的电路规模的缩小或向存储器访问的次数的减少而实现处理速度的提高及功耗的降低。

积和运算电路既可以由si晶体管构成，又可以由os晶体管构成。尤其是，因为os晶体管具有极小的关态电流，所以优选用作构成积和运算电路的存储器的晶体管。注意，也可以由si晶体管和os晶体管的双方构成积和运算电路。下面，说明具有积和运算电路的功能的半导体装置的结构例。

〈半导体装置的结构例〉

图21示出具有进行神经网络的运算的功能的半导体装置mac的结构例。半导体装置mac具有进行对应于神经元间的连结强度(权重)的第一数据与对应于输入数据的第二数据的积和运算的功能。注意，第一数据及第二数据分别可以为模拟数据或多值数字数据(分散数据)。此外，半导体装置mac具有使用激活函数对利用积和运算得到的数据进行变换的功能。

半导体装置mac包括单元阵列ca、电流源电路cs、电流镜电路cm、电路wdd、电路wld、电路cld、偏置电路ofst及激活函数电路actv。

单元阵列ca包括多个存储单元mc及多个存储单元mcref。图21示出单元阵列ca包括m行n列(m和n为1以上的整数)的存储单元mc(mc[1，1]至[m，n])及m个存储单元mcref(mcref[1]至[m])的结构例。存储单元mc具有储存第一数据的功能。此外，存储单元mcref具有储存用于积和运算的参考数据的功能。注意，参考数据可以为模拟数据或多值数字数据。

存储单元mc[i，j](i为1以上且m以下的整数，j为1以上且n以下的整数)连接于布线wl[i]、布线rw[i]、布线wd[j]及布线bl[j]。此外，存储单元mcref[i]连接于布线wl[i]、布线rw[i]、布线wdref及布线blref。在此，将流在存储单元mc[i，j]与布线bl[j]间的电流记载为imc[i，j]，将流在存储单元mcref[i]与布线blref间的电流记载为imcref[i]。

图22示出存储单元mc及存储单元mcref的具体结构例。虽然在图22中作为典型例子示出存储单元mc[1，1]、[2，1]及存储单元mcref[1]、[2]，但是在其他存储单元mc及存储单元mcref中可以使用同样的结构。存储单元mc及存储单元mcref都包括晶体管tr11、晶体管tr12、电容器c11。在此，说明晶体管tr11及晶体管tr12为n沟道型晶体管的情况。

在存储单元mc中，晶体管tr11的栅极连接于布线wl，源极和漏极中的一个连接于晶体管tr12的栅极及电容器c11的第一电极，源极和漏极中的另一个连接于布线wd。晶体管tr12的源极和漏极中的一个连接于布线bl，源极和漏极中的另一个连接于布线vr。电容器c11的第二电极连接于布线rw。布线vr具有供应预定电位的功能。在此，作为一个例子，说明从布线vr供应低电源电位(接地电位等)的情况。

将与晶体管tr11的源极和漏极中的一个、晶体管tr12的栅极以及电容器c11的第一电极连接的节点称为节点nm。此外，将存储单元mc[1，1]、[2，1]的节点nm分别称为节点nm[1，1]、[2，1]。

存储单元mcref也具有与存储单元mc同样的结构。但是，存储单元mcref连接于布线wdref代替布线wd并连接于布线blref代替布线bl。此外，在存储单元mcref[1]、[2]中，将连接于晶体管tr11的源极和漏极中的一个、晶体管tr12的栅极及电容器c11的第一电极的节点分别记载为节点nmref[1]、[2]。

节点nm和节点nmref分别被用作存储单元mc和存储单元mcref的保持节点。节点nm保持第一数据，节点nmref保持参考数据。另外，电流imc[1，1]、imc[2，1]分别从布线bl[1]流到存储单元mc[1，1]、[2，1]的晶体管tr12。另外，电流imcref[1]、imcref[2]分别从布线blref流到存储单元mcref[1]、[2]的晶体管tr12。

由于晶体管tr11具有保持节点nm或节点nmref的电位的功能，所以晶体管tr11的关态电流优选小。因此，作为晶体管tr11，优选使用关态电流极小的os晶体管。由此，可以抑制节点nm或节点nmref的电位变动而提高运算精度。此外，可以将刷新节点nm或节点nmref的电位的工作的频率抑制为低，由此可以降低功耗。

对晶体管tr12没有特别的限制，例如可以使用si晶体管或os晶体管等。在作为晶体管tr12使用os晶体管的情况下，能够使用与晶体管tr11相同的制造装置制造晶体管tr12，从而可以抑制制造成本。注意，晶体管tr12可以为n沟道型晶体管或p沟道型晶体管。

电流源电路cs连接于布线bl[1]至[n]及布线blref。电流源电路cs具有向布线bl[1]至[n]及布线blref供应电流的功能。注意，供应到布线bl[1]至[n]的电流值也可以与供应到布线blref的电流值不同。在此，将从电流源电路cs供应到布线bl[1]至[n]的电流记载为ic，将从电流源电路cs供应到布线blref的电流记载为icref。

电流镜电路cm包括布线il[1]至[n]及布线ilref。布线il[1]至[n]分别连接于布线bl[1]至[n]，布线ilref连接于布线blref。在此，布线il[1]至[n]与布线bl[1]至[n]的连接部分记载为节点np[1]至[n]。此外，布线ilref与布线blref的连接部分记载为节点npref。

电流镜电路cm具有将对应于节点npref的电位的电流icm流到布线ilref的功能及还将该电流icm流到布线il[1]至[n]的功能。图21示出电流icm从布线blref排出到布线ilref且电流icm从布线bl[1]至[n]排出到布线il[1]至[n]的例子。将从电流镜电路cm通过布线bl[1]至[n]流到单元阵列ca的电流记载为ib[1]至[n]。此外，将从电流镜电路cm通过布线blref流到单元阵列ca的电流记载为ibref。

电路wdd连接于布线wd[1]至[n]及布线wdref。电路wdd具有将对应于储存在存储单元mc中的第一数据的电位供应到布线wd[1]至[n]的功能。另外，电路wdd具有将对应于储存在存储单元mcref中的参考数据的电位供应到布线wdref的功能。电路wld与布线wl[1]至[m]连接。电路wld具有将选择写入数据的存储单元mc或存储单元mcref的信号供应到布线wl[1]至[m]的功能。电路cld与布线rw[1]至[m]连接。电路cld具有将对应于第二数据的电位供应到布线rw[1]至[m]的功能。

偏置电路ofst连接于布线bl[1]至[n]及布线ol[1]至[n]。偏置电路ofst具有检测出从布线bl[1]至[n]流到偏置电路ofst的电流量及/或从布线bl[1]至[n]流到偏置电路ofst的电流的变化量的功能。此外，偏置电路ofst具有将检测结果输出到布线ol[1]至[n]的功能。注意，偏置电路ofst既可以将对应于检测结果的电流输出到布线ol，又可以将对应于检测结果的电流变换为电压而将其输出到布线ol。将流在单元阵列ca与偏置电路ofst之间的电流记载为iα[1]至[n]。

图23示出偏置电路ofst的结构例。图23所示的偏置电路ofst包括电路oc[1]至[n]。电路oc[1]至[n]都包括晶体管tr21、晶体管tr22、晶体管tr23、电容器c21及电阻元件r1。各元件的连接关系如图23所示。注意，将连接于电容器c21的第一电极及电阻元件r1的第一端子的节点称为节点na。另外，将连接于电容器c21的第二电极、晶体管tr21的源极和漏极中的一个及晶体管tr22的栅极的节点称为节点nb。

布线vrefl具有供应电位vref的功能，布线val具有供应电位va的功能，布线vbl具有供应电位vb的功能。布线vddl具有供应电位vdd的功能，布线vssl具有供应电位vss的功能。在此，说明电位vdd是高电源电位且电位vss是低电源电位的情况。布线rst具有供应用来控制晶体管tr21的导通状态的电位的功能。由晶体管tr22、晶体管tr23、布线vddl、布线vssl及布线vbl构成源极跟随电路。

接着，说明电路oc[1]至[n]的工作例子。注意，虽然在此作为典型例子说明电路oc[1]的工作例子，但是电路oc[2]至[n]也可以与此同样地工作。首先，当第一电流流到布线bl[1]时，节点na的电位成为对应于第一电流与电阻元件r1的电阻值的电位。此时，晶体管tr21处于开启状态，电位va被供应到节点nb。然后，晶体管tr21成为关闭状态。

接着，当第二电流流到布线bl[1]时，节点na的电位变为对应于第二电流与电阻元件r1的电阻值的电位。此时，晶体管tr21处于关闭状态，节点nb处于浮动状态，因此在节点na的电位变化时节点nb的电位由于电容耦合而变化。在此，在节点na的电位变化为δvna且电容耦合系数为1时，节点nb的电位为va+δvna。在晶体管tr22的阈值电压为vth时，从布线ol[1]输出电位va+δvna-vth。在此，通过满足va＝vth，可以从布线ol[1]输出电位δvna。

电位δvna根据从第一电流到第二电流的变化量、电阻元件r1及电位vref决定。在此，已知电阻元件r1和电位vref，由此可以求得从电位δvna流到布线bl的电流的变化量。

如上所述，对应于通过偏置电路ofst检测出的电流量及/或电流的变化量的信号通过布线ol[1]至[n]输入到激活函数电路actv。

激活函数电路actv连接于布线ol[1]至[n]和布线nil[1]至[n]。激活函数电路actv具有进行运算以根据预定的激活函数变换从偏置电路ofst输入的信号的功能。作为激活函数，例如可以使用sigmoid函数、tanh函数、softmax函数、relu函数及阈值函数等。被激活函数电路actv变换的信号作为输出数据输出到布线nil[1]至[n]。

〈半导体装置的工作例子〉

能够使用上述半导体装置mac对第一数据和第二数据进行积和运算。下面，说明进行积和运算时的半导体装置mac的工作例子。

图24示出半导体装置mac的工作例子的时序图。图24示出图22中的布线wl[1]、布线wl[2]、布线wd[1]、布线wdref、节点nm[1，1]、节点nm[2，1]、节点nmref[1]、节点nmref[2]、布线rw[1]及布线rw[2]的电位推移、以及电流ib[1]-iα[1]和电流ibref的值的推移。电流ib[1]-iα[1]相当于从布线bl[1]流到存储单元mc[1，1]、[2，1]的电流之总和。

虽然在此着眼于在图22中作为典型例子示出的存储单元mc[1，1]、[2，1]及存储单元mcref[1]、[2]而说明其工作，但是其他存储单元mc及存储单元mcref也可以进行同样的工作。

[第一数据的存储]

首先，在时刻t01-t02，布线wl[1]的电位成为高电平，布线wd[1]的电位成为比接地电位(gnd)大vpr-vw[1，1]的电位，布线wdref的电位成为比接地电位大vpr的电位。布线rw[1]及布线rw[2]的电位成为标准电位(refp)。注意，电位vw[1，1]对应于储存在存储单元mc[1，1]中的第一数据。此外，电位vpr对应于参考数据。因此，存储单元mc[1，1]及存储单元mcref[1]所具有的晶体管tr11成为开启状态，节点nm[1，1]的电位成为vpr-vw[1，1]，节点nmref[1]的电位成为vpr。

此时，从布线bl[1]流到存储单元mc[1，1]的晶体管tr12的电流imc[1，1]，0能够以如下算式表示。在此，k是取决于晶体管tr12的沟道长度、沟道宽度、迁移率以及栅极绝缘膜的电容等的常数。此外，vth为晶体管tr12的阈值电压。

imc[1，1]，0＝k(vpr-vw[1，1]-vth)²(e1)

此外，从布线blref流到存储单元mcref[1]的晶体管tr12的电流imcref[1]，0能够以如下算式表示。

imcref[1]，0＝k(vpr-vth)²(e2)

接着，在时刻t02-t03，布线wl[1]的电位成为低电平。因此，存储单元mc[1，1]及存储单元mcref[1]所具有的晶体管tr11成为关闭状态，节点nm[1，1]及节点nmref[1]的电位被保持。

如上所述，作为晶体管tr11，优选使用os晶体管。由此，可以抑制晶体管tr11的泄漏电流而正确地保持节点nm[1，1]及节点nmref[1]的电位。

接着，在时刻t03-t04，布线wl[2]的电位成为高电平，布线wd[1]的电位成为比接地电位大vpr-vw[2，1]的电位，布线wdref的电位成为比接地电位大vpr的电位。注意，电位vw[2，1]对应于储存在存储单元mc[2，1]中的第一数据。因此，存储单元mc[2，1]及存储单元mcref[2]所具有的晶体管tr11成为开启状态，节点nm[1，1]的电位成为vpr-vw[2，1]，节点nmref[1]的电位成为vpr。

此时，从布线bl[1]流到存储单元mc[2，1]的晶体管tr12的电流imc[2，1]，0能够以如下算式表示。

imc[2，1]，0＝k(vpr-vw[2，1]-vth)²(e3)

此外，从布线blref流到存储单元mcref[2]的晶体管tr12的电流imcref[2]，0能够以如下算式表示。

imcref[2]，0＝k(vpr-vth)²(e4)

接着，在时刻t04-t05，布线wl[2]的电位成为低电平。因此，存储单元mc[2，1]及存储单元mcref[2]所具有的晶体管tr11成为关闭状态，节点nm[2，1]及节点nmref[2]的电位被保持。

通过上述工作，在存储单元mc[1，1]、[2，1]中储存第一数据，存储单元mcref[1]、[2]中储存参考数据。

在此，在时刻t04-t05，考虑流到布线bl[1]和布线blref的电流。向布线blref从电流源电路cs供应电流。流过布线blref的电流排出到电流镜电路cm及存储单元mcref[1]、[2]。将从电流源电路cs供应到布线blref的电流称为icref，将从布线blref排出到电流镜电路cm的电流称为icm，0，此时满足下式。

icref-icm，0＝imcref[1]，0+imcref[2]，0(e5)

向布线bl[1]从电流源电路cs供应电流。流过布线bl[1]的电流排出到电流镜电路cm及存储单元mc[1，1]、[2，1]。另外，电流从布线bl[1]流到偏置电路ofst。将从电流源电路cs供应到布线bl[1]的电流称为ic，0，将从布线bl[1]流到偏置电路ofst的电流称为iα，0，此时满足下式。

ic-icm，0＝imc[1，1]，0+imc[2，1]，0+iα，0(e6)

[第一数据和第二数据的积和运算]

接着，在时刻t05-t06，布线rw[1]的电位比标准电位大vx[1]。此时，电位vx[1]被供应到存储单元mc[1，1]及存储单元mcref[1]的各电容器c11，晶体管tr12的栅极电位因电容耦合而上升。注意，电位vx[1]对应于供应到存储单元mc[1，1]及存储单元mcref[1]的第二数据。

晶体管tr12的栅极的电位的变化量相当于布线rw的电位的变化乘以根据存储单元的结构决定的电容耦合系数的值。电容耦合系数根据电容器c11的电容、晶体管tr12的栅极电容以及寄生电容等而算出。下面，为了方便起见，说明布线rw的电位的变化量与晶体管tr12的栅极的电位的变化量相等的情况，即说明电容耦合系数为1的情况。实际上，考虑电容耦合系数决定电位vx，即可。

当电位vx[1]被供应到存储单元mc[1，1]及存储单元mcref[1]的电容器c11时，节点nm[1，1]及节点nmref[1]的电位都上升vx[1]。

在此，在时刻t05-t06，从布线bl[1]流到存储单元mc[1，1]的晶体管tr12的电流imc[1，1]，1能够以如下算式表示。

imc[1，1]，1＝k(vpr-vw[1，1]+vx[1]-vth)²(e7)

也就是说，通过向布线rw[1]供应电位vx[1]，从布线bl[1]流到存储单元mc[1，1]的晶体管tr12的电流增加δimc[1，1]＝imc[1，1]，1-imc[1，1]，0。

此外，在时刻t05-t06，从布线blref流到存储单元mcref[1]的晶体管tr12的电流imcref[1]，1能够以如下算式表示。

imcref[1]，1＝k(vpr+vx[1]-vth)²(e8)

也就是说，通过向布线rw[1]供应电位vx[1]，从布线blref流到存储单元mcref[1]的晶体管tr12的电流增加δimcref[1]＝imcref[1]，1-imcref[1]，0。

另外，考虑流到布线bl[1]和布线blref的电流。向布线blref从电流源电路cs供应电流icref。流过布线blref的电流排出到电流镜电路cm及存储单元mcref[1]、[2]。将从布线blref排出到电流镜电路cm的电流称为icm，1，此时满足下式。

icref-icm，1＝imcref[1]，1+imcref[2]，0(e9)

向布线bl[1]从电流源电路cs供应电流ic。流过布线bl[1]的电流排出到电流镜电路cm及存储单元mc[1，1]、[2，1]。再者，电流从布线bl[1]流到偏置电路ofst。将从布线bl[1]流到偏置电路ofst的电流称为iα，1，此时满足下式。

ic-icm，1＝imc[1，1]，1+imc[2，1]，1+iα，1(e10)

根据算式(e1)至算式(e10)，能够以下式表示电流iα，0与电流iα，1之差(差异电流δiα)。

δiα＝iα，0-iα，1＝2kvw[1，1]vx[1](e11)

如此，差异电流δiα表示对应于电位vw[1，1]与vx[1]之积的值。

然后，在时刻t06-t07，布线rw[1]的电位成为接地电位，节点nm[1，1]及节点nmref[1]的电位与时刻t04-t05同样。

接着，在时刻t07-t08，布线rw[1]的电位成为比标准电位大vx[1]的电位，布线rw[2]的电位成为比标准电位大vx[2]的电位。因此，电位vx[1]被供应到存储单元mc[1，1]及存储单元mcref[1]的电容器c11，因电容耦合而节点nm[1，1]及节点nmref[1]的电位都上升vx[1]。另外，电位vx[2]被供应到存储单元mc[2，1]及存储单元mcref[2]的电容器c11，因电容耦合而节点nm[2，1]及节点nmref[2]的电位都上升vx[2]。

在此，在时刻t07-t08，从布线bl[1]流到存储单元mc[2，1]的晶体管tr12的电流imc[2，1]，1能够以如下算式表示。

imc[2，1]，1＝k(vpr-vw[2，1]+vx[2]-vth)²(e12)

也就是说，通过向布线rw[2]供应电位vx[2]，从布线bl[1]流到存储单元mc[2，1]的晶体管tr12的电流增加δimc[2，1]＝imc[2，1]，1-imc[2，1]，0。

此外，在时刻t05-t06，从布线blref流到存储单元mcref[2]的晶体管tr12的电流imcref[2]，1能够以如下算式表示。

imcref[2]，1＝k(vpr+vx[2]-vth)²(e13)

也就是说，通过向布线rw[2]供应电位vx[2]，从布线blref流到存储单元mcref[2]的晶体管tr12的电流增加δimcref[2]＝imcref[2]，1-imcref[2]，0。

另外，考虑流到布线bl[1]和布线blref的电流。向布线blref从电流源电路cs供应电流icref。流过布线blref的电流排出到电流镜电路cm及存储单元mcref[1]、[2]。将从布线blref排出到电流镜电路cm的电流称为icm，2，此时满足下式。

icref-icm，2＝imcref[1]，1+imcref[2]，1(e14)

向布线bl[1]从电流源电路cs供应电流ic。流过布线bl[1]的电流排出到电流镜电路cm及存储单元mc[1，1]、[2，1]。再者，电流从布线bl[1]流到偏置电路ofst。将从布线bl[1]流到偏置电路ofst的电流称为iα，2，此时满足下式。

ic-icm，2＝imc[1，1]，1+imc[2，1]，1+iα，2(e15)

根据算式(e1)至算式(e8)及算式(e12)至算式(e15)，能够以下式表示电流iα，0与电流iα，2之差(差异电流δiα)。

δiα＝iα，0-iα，2＝2k(vw[1，1]vx[1]+vw[2，1]vx[2])(e16)

如此，差异电流δiα表示对应于对电位vw[1，1]与电位vx[1]之积和电位vw[2，1]与电位vx[2]之积进行加法的结果的值。

然后，在时刻t08-t09，布线rw[1]、[2]的电位成为接地电位，节点nm[1，1]、[2，1]及节点nmref[1]、[2]的电位与时刻t04-t05同样。

如算式(e11)和算式(e16)所示，输入到偏置电路ofst的差异电流δiα表示对应于如下结果的值，即对对应于第一数据(权重)的电位vx与对应于第二数据(输入数据)的电位vw之积进行加法的结果。也就是说，通过使用偏置电路ofst对差异电流δiα进行测量，可以获得第一数据与第二数据的积和运算的结果。

注意，虽然在上述说明中着眼于存储单元mc[1，1]、[2，1]及存储单元mcref[1]、[2]，但是可以任意设定存储单元mc及存储单元mcref的数量。在将存储单元mc及存储单元mcref的行数m设定为任意数量i的情况下，能够以下式表示差异电流δiα。

δiα＝2kσivw[i，1]vx[i](e17)

此外，通过使存储单元mc及存储单元mcref的列数n增加，可以使并行的积和运算的数量增加。

如上所述，通过使用半导体装置mac，可以对第一数据和第二数据进行积和运算。另外，通过使用图22所示的存储单元mc及存储单元mcref的结构，可以使用以晶体管的数量较少的方式构成积和运算电路。由此，可以缩小半导体装置mac的电路规模。

在将半导体装置mac用于利用神经网络的运算时，可以使存储单元mc的行数m对应于供应到一个神经元的输入数据的数量并使存储单元mc的列数n对应于神经元的数量。例如，考虑在图20a所示的中间层hl中进行使用半导体装置mac的积和运算的情况。此时，可以将存储单元mc的行数m设定为从输入层il供应的输入数据的数量(输入层il的神经元的数量)并将存储单元mc的列数n设定为中间层hl的神经元的数量。

注意，对使用半导体装置mac的神经网络的结构没有特别的限制。例如，半导体装置mac可以用于卷积神经网络(cnn)、递归神经网络(rnn)、自动编码器及玻尔兹曼机(包括限制玻尔兹曼机)等。

如上所述，通过使用半导体装置mac，可以进行神经网络的积和运算。再者，通过将图22所示的存储单元mc及存储单元mcref用于单元阵列ca，可以提供运算精度高、功耗低或电路规模小的ic。

本实施方式可以与其他实施方式的记载适当地组合。

(实施方式3)

在本实施方式中，对可用于本发明的一个方式所公开的晶体管中的cac(cloud-alignedcomposite)-os的构成进行说明。

cac-os例如是指包含在氧化物半导体中的元素不均匀地分布的构成，其中包含不均匀地分布的元素的材料的尺寸为0.5nm以上且10nm以下，优选为1nm以上且2nm以下或近似的尺寸。注意，在下面也将在氧化物半导体中一个或多个金属元素不均匀地分布且包含该金属元素的区域混合的状态称为马赛克(mosaic)状或补丁(patch)状，该区域的尺寸为0.5nm以上且10nm以下，优选为1nm以上且2nm以下或近似的尺寸。

氧化物半导体优选至少包含铟。尤其是，优选包含铟及锌。除此之外，也可以还包含选自铝、镓、钇、铜、钒、铍、硼、硅、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨和镁等中的一种或多种。

例如，in-ga-zn氧化物中的cac-os(在cac-os中，尤其可以将in-ga-zn氧化物称为cac-igzo)是指材料分成铟氧化物(以下，称为inox1(x1为大于0的实数))或铟锌氧化物(以下，称为inx2zny2oz2(x2、y2及z2为大于0的实数))等以及镓氧化物(以下，称为gaox3(x3为大于0的实数))或镓锌氧化物(以下，称为gax4zny4oz4(x4、y4及z4为大于0的实数))等而成为马赛克状，且马赛克状的inox1或inx2zny2oz2均匀地分布在膜中的构成(以下，也称为云状)。

换言之，cac-os是具有以gaox3为主要成分的区域和以inx2zny2oz2或inox1为主要成分的区域混在一起的构成的复合氧化物半导体。在本说明书等中，例如，当第一区域的in与元素m的原子数比大于第二区域的in与元素m的原子数比时，第一区域的in浓度高于第二区域。

注意，igzo是通称，有时是指包含in、ga、zn及o的化合物。作为典型例子，可以举出以ingao3(zno)m1(m1为自然数)或in(1+x0)ga(1-x0)o3(zno)m0(-1≤x0≤1，m0为任意数)表示的结晶性化合物。

上述结晶性化合物具有单晶结构、多晶结构或caac结构。caac结构是多个igzo的纳米晶具有c轴取向性且在a-b面上以不取向的方式连接的结晶结构。

另一方面，cac-os与氧化物半导体的材料构成有关。cac-os是指如下构成：在包含in、ga、zn及o的材料构成中，一部分中观察到以ga为主要成分的纳米粒子状区域以及一部分中观察到以in为主要成分的纳米粒子状区域分别以马赛克状无规律地分散。因此，在cac-os中，结晶结构是次要因素。

cac-os不包含组成不同的两种以上的膜的叠层结构。例如，不包含由以in为主要成分的膜与以ga为主要成分的膜的两层构成的结构。

注意，有时观察不到以gaox3为主要成分的区域与以inx2zny2oz2或inox1为主要成分的区域之间的明确的边界。

在cac-os中包含选自铝、钇、铜、钒、铍、硼、硅、钛、铁、镍、锗、锆、钼、镧、铈、钕、铪、钽、钨和镁等中的一种或多种以代替镓的情况下，cac-os是指如下构成：一部分中观察到以该元素为主要成分的纳米粒子状区域以及一部分中观察到以in为主要成分的纳米粒子状区域分别以马赛克状无规律地分散。

cac-os例如可以通过在对衬底不进行意图性的加热的条件下利用溅射法来形成。在利用溅射法形成cac-os的情况下，作为成膜气体，可以使用选自惰性气体(典型的是氩)、氧气体和氮气体中的一种或多种。另外，成膜时的成膜气体的总流量中的氧气体的流量比越低越好，例如，将氧气体的流量比设定为0％以上且低于30％，优选为0％以上且10％以下。

cac-os具有如下特征：通过根据x射线衍射(xrd：x-raydiffraction)测定法之一的out-of-plane法利用θ/2θ扫描进行测定时，观察不到明确的峰值。也就是说，根据x射线衍射，可知在测定区域中没有a-b面方向及c轴方向上的取向。

另外，在通过照射束径为1nm的电子束(也称为纳米束)而取得的cac-os的电子衍射图案中，观察到环状的亮度高的区域以及在该环状区域内的多个亮点。由此，根据电子衍射图案，可知cac-os的结晶结构具有在平面方向及截面方向上没有取向的nc(nano-crystal)结构。

另外，例如在in-ga-zn氧化物的cac-os中，根据通过能量分散型x射线分析法(edx：energydispersivex-rayspectroscopy)取得的edx面分析图像(edx-mapping)，可确认到：具有以gaox3为主要成分的区域及以inx2zny2oz2或inox1为主要成分的区域不均匀地分布而混合的构成。

cac-os的结构与金属元素均匀地分布的igzo化合物不同，具有与igzo化合物不同的性质。换言之，cac-os具有以gaox3等为主要成分的区域及以inx2zny2oz2或inox1为主要成分的区域互相分离且以各元素为主要成分的区域为马赛克状的构成。

在此，以inx2zny2oz2或inox1为主要成分的区域的导电性高于以gaox3等为主要成分的区域。换言之，当载流子流过以inx2zny2oz2或inox1为主要成分的区域时，呈现氧化物半导体的导电性。因此，当以inx2zny2oz2或inox1为主要成分的区域在氧化物半导体中以云状分布时，可以实现高场效应迁移率(μ)。

另一方面，以gaox3等为主要成分的区域的绝缘性高于以inx2zny2oz2或inox1为主要成分的区域。换言之，当以gaox3等为主要成分的区域在氧化物半导体中分布时，可以抑制泄漏电流而实现良好的开关工作。

因此，当将cac-os用于半导体元件时，通过起因于gaox3等的绝缘性及起因于inx2zny2oz2或inox1的导电性的互补作用可以实现高通态电流(ion)及高场效应迁移率(μ)。

另外，使用cac-os的半导体元件具有高可靠性。因此，cac-os适用于显示器等各种半导体装置。

本实施方式可以与其他实施方式的记载适当地组合。

(实施方式4)

在本实施方式中，说明可以应用本发明的一个方式的显示系统的移动体的例子。

图25a是汽车301。本发明的的一个方式的显示系统可以应用于汽车301。例如，通过将构成本发明的一个方式的显示系统的摄像装置设置在汽车301，可以拍摄汽车301的外部的样子。即使由摄像装置获得的摄像数据为明暗差大的摄像数据且显示装置的动态范围比摄像装置的动态范围低，也可以在抑制显示图像变得不清楚的同时进行动态范围压缩。

图25b是公共汽车302。本发明的的一个方式的显示系统可以应用于公共汽车302。例如，通过将构成本发明的一个方式的显示系统的摄像装置设置在公共汽车302，可以拍摄公共汽车302的外部的样子。即使由摄像装置获得的摄像数据为明暗差大的摄像数据且显示装置的动态范围比摄像装置的动态范围低，也可以在抑制显示图像变得不清楚的同时进行动态范围压缩。

图25c是火车303。本发明的的一个方式的显示系统可以应用于火车303。例如，通过将构成本发明的一个方式的显示系统的摄像装置设置在火车303，可以拍摄火车303的外部的样子。即使由摄像装置获得的摄像数据为明暗差大的摄像数据且显示装置的动态范围比摄像装置的动态范围低，也可以在抑制显示图像变得不清楚的同时进行动态范围压缩。

图25d是飞机304。本发明的的一个方式的显示系统可以应用于飞机304。例如，通过将构成本发明的一个方式的显示系统的摄像装置设置在飞机304，可以拍摄飞机304的外部的样子。即使由摄像装置获得的摄像数据为明暗差大的摄像数据且显示装置的动态范围比摄像装置的动态范围低，也可以在抑制显示图像变得不清楚的同时进行动态范围压缩。

本实施方式可以与其他实施方式的记载适当地组合。

[符号说明]

10：显示系统、20：摄像装置、21：像素、22：像素阵列、23：行驱动器、25：a/d转换电路、26：列驱动器、30：控制装置、31：分析电路、32：灰度决定电路、33：存储电路、34：预测电路、40：显示装置、41：像素、42：像素阵列、43：行驱动器、46：列驱动器、47：灰度、50：照度区域、51：网络、52：服务器、53：器件、131：导电层、132：导电层、133：导电层、134：导电层、135：背栅极、136：区域、137：导电层、140：硅衬底、141：绝缘层、142：绝缘层、143：绝缘层、145：半导体层、146：绝缘层、150：光电转换元件、151：晶体管、152：晶体管、153：晶体管、154：晶体管、155：电容器、161：层、162：层、163：层、165a：层、165b：层、165c：层、166a：层、166b：层、166c：层、166d：层、171：布线、172：布线、173：布线、174：布线、175：布线、176：布线、177：布线、178：布线、180：绝缘层、181：遮光层、182：有机树脂层、183：滤色片、183a：滤色片、183b：滤色片、183c：滤色片、184：微透镜阵列、185：光学转换层、186：绝缘层、301：汽车、302：公共汽车、303：火车、304：飞机、410：封装衬底、411：封装衬底、420：玻璃盖板、421：透镜盖、430：粘合剂、435：透镜、440：凸块、441：连接盘、450：图像传感器芯片、451：图像传感器芯片、460：电极焊盘、470：导线、471：导线、490：ic芯片、510：导电层、511：导电层、512：半导体层、516：导电层、517：导电层、1405：控制器、1410：行电路、1411：解码器、1412：字线驱动电路、1413：列选择器、1414：读出放大器驱动电路、1415：列电路、1416：全局读出放大器阵列、1417：输入输出电路、1420：读出放大器阵列、1422：存储单元阵列、1423：读出放大器阵列、1425：局部存储单元阵列、1426：局部存储单元阵列、1445：存储单元、1445a：存储单元、1445b：存储单元、1447：全局读出放大器、3125：发光元件、3174：布线、3178：布线、3232：晶体管、3233：电容器、3431：晶体管、3432、液晶元件、3435：节点、3436：节点、3437：节点、4001：衬底、4005：密封剂、4006：衬底、4008：液晶层、4014：布线、4015：导电层、4018：fpc、4019：各向异性导电层、4021：导电层、4030：导电层、4031：导电层、4032：绝缘层、4033：绝缘层、4035：间隔物、4102：绝缘层、4103：绝缘层、4110：绝缘层、4111：绝缘层、4112：绝缘层、4510：分隔壁、4511：发光层、4514：填充剂。