DE2011794A1 - Halbleiterspeicheranordnung - Google Patents

Description

2Q11794

6952-70/Kö/S .
RCA 60,986
Convention Date:
March 12, I969

RCA Corporation, New York, N.Y., V.St.A,

Halbleiterspeicheranordnung

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterspeicheranordming, und zwar insbesondere einen wortorganisierten Speicher unter Verwendung von nur einem einzigen MIS-Bauelement (MIS= Metall-Isolator-Halbleit.er) an jeder Speicherstelle.

Bistabile aktive ,Speicherelemente wie bestimmte Transistortypen werden seit einigen Jahren auf ihre Brauchbarkeit für Speicherwerke von elektronischen Datenverarbeitungsanlagen untersucht und erprobt. Eigenschaften, die diese Speicherelemente für eine derartige Anwendung besonders wünschenswert erscheinen lassen, sind ihre hohe Arbeitsgeschwindigkeit, ihre geringe Größe, ihr potentiell niedriger Preis sowie die Möglichkeit, sie in integrierter Form auszubilden. Jedoch hat es eich als schwierig erwiesen, derartige Speicherelemente in Form einer Speichermatrix zu organisieren, ohne daß zusätzliche Schaltungsmaßnahmen für die Signalschleusung während des Einspeicherns und des Auslesens getroffen werden« Eines der dabei auftretenden Probleme besteht darin, daß beim Einschreiben von Information in ein bestimmtes Speicherelement ύ.α.& in den Übrigen Speicherelementen gespeicherten Daten nicht gestört ".werden dürfen. Das Gleiche gilt für das Auslesen der Information &um einem Speicherelement;, bei welchem die in den übrige» Speicherelementen gespeicherte nicht verändert oder-.geetdrtr/«erden-dar£» - .

ORIGINAL, INSPECTED

In der Arbeit "An Electrically Alterable Non-Volatile Semiconductor Memory" von R.E. Oleksiak, A.J. Lincoln und H.A.R. Wegener in GOMAC PROCEEDINGS OF I968 ist eine Lösung für dieses Problem vorgeschlagen, die jedoch nicht vollständig befriedigt. Bei der hier beschriebenen Speicheranordnung handelt es sich um einen wortorganisierten Speicher unter Verwendung von bistabilen MNS-Bauelementen (Metall-Nitrid-Halbleiter-Bauelementen), deren Schwellenspannung durch Anlegen einer Spannung zwischen Gitter (Steuerelektrode) und Substrat gesteuert wird. Die Modulation der Substratspannung, wie in Figur 1 dargestellt, setzt voraus, daß jede Reihe (entsprechend jeder Ziffernzeile eines Speichers) ihr eigenes örtliches Substrat hat, das von den örtlichen Substraten der anderen Reihen elektrisch isoliert ist. Während, wie in der genannten Arbeit angegeben, die Anordnung in integrierter Form aufgebaut werden kann, ist das hierfür erforderliche Herstellungsverfahren aufwendig und folglich kostspielig, da für die isolieren! den "Schächte" zwischen den einzelnen örtlichen Substraten äußerst schwierige Extradiffusionsschritte erforderlich sind und hierdurch die Fabrikationsausbeute sich entsprechend verringert.

Im Betrieb eines derartigen Speichers wird, während die Quellenelektrode jedes Elements mit dem dazugehörigen Substrat verbunden ist, die Abflußelektrode im Schreibzyklus nicht erregt. Dies regt dazu an, jedes Element während des Schwellenspannungs-Einstellzyklus als einen Parallelplattenkondensator zu behandeln, derart, daß das Substrat die eine Platte (Belegung), das Gitter die andere Platte und die Nitridschicht zwischen Gitter und Substrat den ladungsspeichernden Isolator bildet. Diese Betriebsweise schließt aus, daß die Anordnungen durch Aufdampfen oder Eindiffundieren von Transistoren auf isolierendem Substratmaterial wie Glas oder Saphir hergestellt werden.

Als direkte Folge des Anlegens der Betriebsspannung zwischen Substrat und Gitter statt zwischen Gitter, Quelle und AbfluiS muß bei der bekannten Anordnung die für die Einstellung eines Speicherelemente auf entweder die hohe o«³**-' die niedrige Schwe.ilen.ispam'?uKg erforderliche Spannungs«*'.pl ifcude in zwei Hälften

ORIGINAL INSPECTED

aufgeteilt werden und die eine Hälfte der Spannung (Halbwähl— spannung) dem Gitter, dagegen die andere Spannungshälfte dem Substrat der gewählten Elemente zugeführt werden. Es ist beispielsweise nicht möglich, das Substrat eines Elementes zu erden und die volle Wählspannung dem Gitter dieses Elements zuzuführen (oder umgekehrt), ohne daß der Zustand anderer Elemente dadurch gestört wird. Dies wird am besten aus Figur 1 ersichtlich, die das Schaltschema der bekannten Speicheranordnung unter Verwendung von bistabilen Bauelementen vom p-Leitungstyp wiedergibt. Für die Einstellung eines Bauelements auf seinen hohen Schwellwert (Vm«) und auf seinen niedrigen Schwellwert (^V _TL) ^muß »ⁿ das Gitter jeweils eine Spannung gegenüber dem Substrat von 50 Volt in der Durchlaßrichtung bzw. in der Sperrichtung gelegt werden.

Wenn das Element 1-1 auf den hohen Schwellwert eingestellt werden soll, muß der Klemme Bl eine Spannung von +50 Volt zugeführt werden, wodurch jede Quelle und jedes Substrat, die an die Klemme Bl angeschlossen sind, mit +50 Volt beaufschlagt werden und die Klemme WDl an Masse gelegt wird. Dadurch werden jedoch nichtgewählte Elemente in der dem gewählten Element gemeinsamen Zeile oder Spalte gestört, wie eine Überprüfung der Nachbarelemente ergibt. Und zwar werden die Gitter der Elemente 2-1, 3-1 und 4-1 durch die geerdete Klemme WDl ebenfalls mit Massepotential beaufschlagt. Damit nun der Schwellwert des Elements 2-1 ungestört bleibt, muß dessen Substrat, das sämtlichen Elementen der Zeile 2 gemeinsam ist, ebenfalls auf Massepotential gelegt werden. Dies wiederum erfordert, daß das Element 2-2, wenn es nicht gestört werden soll, mit seinem Gitter, das an die Klemme WD2 angeschaltet ist, auf Massepotential gelegt wird. Durch die Erdung von WD2 wird .jedoch auch das Gitter des Elementes 1-2 auf Massepotential gelegt. Die Quelle und das Substrat des Elements 1-2, die an Bl liefen, erhalten dagegen die Spannung von +50 Volt. Es ist daher unmöglich, ein und nur ein Element dadurch auf den hohen Schwellwert einzustellen, daß man Substrat-Quelle mit Massepotential und das Gitter mit der vollen W₁TlIiIamplitude beaufschlagt,

Es ist ebenfalls unmöglich, ein und nur ein Element auf den

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ORtGlNAL INSPECTED

niedrigen Schwellwert dadurch einzustellen, daß man das Substrat an Masse legt und die volle Wählspannung dem Gitter des gewählten Elements zuführt. Es sei wiederum angenommen, daß das Element 1-1 auf den niedrigen Schwellwert eingestellt werden soll. Zu diesem Zweck müssen WDl mit +50 Volt und die Klemme Bl mit Massepotential beaufschlagt werden. Damit das Element 2-1 ungestört bleibt, muß dessen Substrat und Ouelle, die gemeinsam an der Klemme B2 liegen, eine Spannung von +50 Volt zugeführt werden, üie Beaufschlagung der Klemme B2 mit +50 Volt erfordert, daß auch das Gitter des Elements 2-2 mit + 50 Volt beaufschlagt wird, damit dieses Element seinen Zustand nicht ändert. Dies erfordert, daß die Klemme Wi,>2 an +50 Volt gelegt wird, '^a jedoch Bl an Masse liegt, ist das Gitter des Elements 1-2 gegenüber aem Substrat um 50 Volt sperrgespannt, so daß das Element 1-2 umschaltet.

Es ergibt sich somit, daß bei Anlegen der vollen Wählspannung an entweder das Gitter oder das Substrat bei geerdetem Substrat bzw. Gitter sämtliche Elemente in der Spalte, welche die betreffende Gitterleitung gemeinsam haben, oder in der Zeile, welche das betreffende örtliche Substrat gemeinsam haben, beeinflußt werden, so daß es unmöglich ist, jeweils immer nur ein einziges Element einzustellen oder zu schalten.

Bei der bekannten Anordnung werden daher die 50 Volt, in zwei Hälften (Halbwählspannung) beiderseits eines Rezugspotentials aufgeteilt. L>ies erfordert die Verwendung einer bipolaren Spannungsquelle mit beispielsweise Massepotential (Nullspannung), +25 Volt und -2 5 Volt. Dabei wird die Spannung von +2 5 Volt entweder dem Gitter oder dem Substrat der gewählten Elemente und die Spannung von -25 Volt der jeweils anderen der beiden Elektroden, d.h. dem Substrat bzw. dem Gitter zugeführt und werden die Gitter oder Quellen der nichtgewählten Elemente auf Nullspannung; gelegt, so daß die nichtgewählten Elemente in einer Zeile oder Spalte mit einem gewählten Element nur mit der halben Wählspannung (25 ^λolt) beaufschlagt werden.

Es wird daher bei dieser Anordnung während des Schreibzyklus

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SAO ORIÖfNAL

eine bipolare Spannungsquelle benötigt, die eine Bezugs spannung sowie eine hierzu positive und eine hierzu negative Spannung liefern kann. Außerdem wird dabei jedes Element in der Spalte oder Zeile eines gewählten Elements durch die zwischen seinem Gitter und Substrat anfallende halbe Wählspannung beansprucht.

Die vorliegende Erfindung ist auf einen Speicher anwendbar, bei welchem eine Anzahl von bistabilen Elementen auf einem gemein samen Substrat angeordnet sind, wobei jedes Element aus einem ein zigen bistabilen Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit zwei einen leitenden Kanal bildenden Hauptelektroden und einer Steuerelektro de besteht. Die einzelnen Elemente sind j.eweils zwischen zwei verschiedenen Schwellwerten schaltbar. Der Speicher enthält außerdem eine Schreibschaltung zum Schalten eines oder mehrerer.gewählter Elemente auf einen der beiden Schwellwerte sowie eine Leseschaltung zum Wahrnehmen des Schwellwertes eines oder mehrerer gewählter Elemente ohne Beeinflussung des Schwellwertes des oder der gewählten Elemente.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß jedes Element des Speichers sich in direktem Kontakt mit dem Substrat befindet und die Schreibschaltung so eingerichtet ist, daß sie das gewählte Element, um es auf einen bestimmten seiner beiden Schwellwerte zu schalten, mit einer ersten Spannung eines bestimmten Wertes und einer bestimmten Polarität zwischen Steuerelektrode und sowohl der einen als auch der anderen Hauptelektrode beaufschlagtj und daß ferner die Leseschaltung den Schwellwert des gewählten Elements dadurch wahrnimmt, daß zwischen Steuerelektrode und lediglich eine der beiden Hauptelektroden dieses Elements eine zweite Spannung gelegt wird.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert, Ee zeigen!

Figur 1 das Schaltschema einer Speichermatrix gemäß dem Stund der Technik)

Figur 2 ein Diagramm,da« die Schwellewspannung in Abhängigkeit von der angelegten Gitter-ßuellenepasinung wiedergibt und die

bistabile Charakteristik der erfindungsgemäß verwendeten Bauelemente veranschaulicht;

Figur 3a und 3b Schaltschemata einer erfindungsgemäßen Speichermatrix mit Angabe der für den Schreib- und den Lesezyklus erforderlichen Spannungenj

Figur 4a, 4b, 4c und 4d Schaltschemata eines typischen Speicherelements der Matrix unter verschiedenen Vorspannbedingungen; und

Figur 5 die Querschnittsdarstellung eines Teils einer erfindungsgemäßen Speicheranordnung.

Die für die erfindungsgemäße Speicheranordnung vorgesehenen Halbleiterbauelemente haben eine veränderliche Schwellenspannung, die durch Anlegen einer eine gegebene Amplitude übersteigenden Spannung zwischen Gitter und Quelle auf jeweils einen von zwei verschiedenen Werten eingestellt oder geschaltet werden kann, wobei die eingestellte Schwellenspannung über einen erheblichen Zeitraum erhalten bleibt. Zu dieser Klasse von Bauelementen gehören bistabile Feldeffekttransistoren mit MIS-Struktur (MIS = Metall-Isolator-Halbleiter), die Ladung speichern können.

Ein spezielles Beispiel dieses Transistortyps ist der sogenannte MNS-Transistor (MNS = Metall-Nitrid-Silicium), bei dem die Isolierschicht aus Siliciumnitrid besteht. Dieser Transistor läßt sich nach den üblichen Herstellungsverfahren für MOS-Bauelemente (MOS * Metall-Oxyd-Halbleiter) herstellen, wobei jedoch unmittelbar vor der Metallisierung die Kanaloxydschicht sehr dUnn gemacht und zwischen den Siliciumkanal und das Gitter eine Nitridschicht eingebracht v/lrd. Der Transistor, der entweder vom p-Typ (p-lex tend) oder vom n-Typ (η-leitend) sein kann, hat zwei die Enden eine« stroraleiter-dsn Kanals bildende Hauptelektroden (Quelle und AbfluA) sowie eine Steuerelektrode (Gitter) zum Steuern der Leitfilhigkeit doe Kanals. Der Traneistor hat die gleichen allgemeinen Eigenschaften wie ein normaler MOS-Transistor, mit Aufnahme der Tateach·, daft durch die zusätzliche isolierende "Ivvidschlcht über dem dünnen Oxydgebiet Ladung in der Iso.1 ^i schicht gespeichert

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ORIGINAL INSPECTED

werden kann, was die in Figur 2 gezeigte Charakteristik ergibt.

, Figur 2 zeigt in idealisierter Darstellung die Hysteresis- !charakteristik der Schwellenspannung (V_) als Funktion der angelegten Gitter-Ouellenspannung (Vgc) eines typischen Bauelements der oben genannten Art. Die Schwellenspannung ist definiert als diejenige Gitter-Ouellenspannung, bei welcher der Stromfluß im Kanal des Transistors einsetzen kann. Der Punkt V„_L entspricht dem niedrigen, der Punkt V „ dem hohen Wert der Schwellenspannung V . Beispielsweise können V 2 Volt und V „ 10 Volt betragen.

J. XJ-f XrI

Die Bezugsspannung V₁₁₁,- entspricht derjenigen Gitter-Quellenspannung, bei welcher der Transistor seinen Zustand ändert, d.h. schaltet. Der Wert von V₀₁₁₁₁-, hängt von den Eigenschaften des je-

K Ει Γ

weiligen Bauelements abj im vorliegenden Fall sei angenommen, daß dieser Wert zwischen + 5 und +15 Volt liegt und typischerweise +12 Volt beträgt.

Wenn V-,,., kleiner als IV_n^-I ist, so wird dadurch die Schwell-Werteinstellung des Transistors nach Figur 2 nicht beeinflußt. Wenn dagegen V_n, anfänglich gleich V_mu ist und V__c größer und nega-

X XJH t»o

tiver als -V „ gemacht wird, so folgt die Schwellenspannung der Hysteresiskurve nach unten (wie in Figur 2 gezeigt) und nimmt den Wert von V_mT an. Wenn V-., anschließend auf 0 Volt erniedrigt wird,

XL· UiO

bleibt V_ auf V,_PT . Wenn die Schwellenspannung anfänglich V ist

X XL· - XL·

und V_,_e größer und positiver als +ν_ητΛΤΛ gemacht wird, folgt die

LrO Kbr

Schwellenspannung der Hysteresiskurve nach oben und nimmt V den Wert von V^₁₁ an. Wenn \" anschließend auf V_ = O Volt erniedrigt

XH IaO U

wird, bleibt V₁₇, bei V_„.

X XH

Die Quellenelektrode (Quelle) eines Transistors mit n-Kanal sei im vorliegenden Fall als diejenige der beiden die Kanalenden bildenden Elektroden definiert, an der die niedrigste (am ■iianigsten positive) Spannung liegt. Entsprechend ist die Quellenelektrode eines Transistors mit p-Kanal diejenige der beiden die Kanalenden bildenden Elektroden, an der die höchste (positivste) Spannung liegt.

Die erfindungsgemäße Speicheranordnung kann M Zeilen und N

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CSV-'■*'

Spalten aufweisen, wobei M und N ganze Zahlen, und zwar mindestens 2, sind und M und N gleich oder ungleich sein können. Beispielsweise ist bei der in Figur 3a gezeigten Anordnung M=N = 5· Jeder Schnittpunkt einer Zeile mit einer Spalte bildet eine Bitstelle i-j, wobei i die Zeilennummer und j die Spaltennummer bedeuten. Jede Bitstelle enthält einen bistabilen MNS-Transistor vom n-Typ (mit η-Kanal) mit einer Hysteresischarakteristik von der in Figur 2 gezeigten Art. Jeder Transistor ist mit einer ersten Elektrode 12 am einen Ende seines Kanals an eine Spalte Ck und mit einer zweiten Elektrode 13 am andei en Ende seines Kanals an eine Zeile R angeschlossen. Ferner ist für jede Zeile ein Steuerleiter G vorgesehen, an den die Transistoren aer betreffenden Zeile mit ihren Gittern angeschlossen sind, wobei k, ρ und q ganze Zahlen sind.

Lie fünf Spalten Cl. C2 C3. C4 und C5 'önnen während des Schreibzyklus an entweder eine Klemme 1 oder eine Klemme 2 und während des Lesezyklus an atenausgangsklemmen 41- 42. 4.3· 44 bzw. 45 angeschaltet werden, ie atenausgangsklemmen 41-45 sind über .Ausgangsimpedanzen in Form der Widerstände 51? 52. 53. 54- 55 an eine Klemme 3 angeschlossen, '.de Zeilen Rl. il2. ii.t, R4 und R5 können jeweils an entweder die Klemme 1 oder die Klemme 2 angeschaltet werden, und die Steuerleiter Gl, G2. G3, G4 und G 5 können jeweils an entweder die Klemme 1 oder die Klemme 2 oder die Klemme 3 angeschaltet werden.

Mit der gleichen Bezugsnummer bezeichnete Klemmen sind jeweils gemeinsam an den gleichen Spannungsouni.t angeschlossen. Dies ist in Figur 3b veranschaulicht, wo die Spannungsnuellen im gestrichelten Block 20 als zwei Batterien 100 und 102 dargestellt sind. Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Anordnung besteht darin, daß beide Batterien Spannungen der gleichen Polarität liefern und dali eine nur unipolare Spannungsquelle (Quelle einer Spannung nur einer Polarität) während des Schreibzyklus benötigt wird. Sämtliche Klemmen oder Anschlüsse 1 liegen an Masse (Nullpotential), sämtliche Anschlüsse 2 liegen am positiven Pol der Batterie 100. und sämtliche Anschlüsse 3 liegen am positivon Pol

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der Batterie 102. Die Amplitude der dem Anschluß 2 zugeführten Spannung +V. ist größer als IV_n^₁J und kann z.B. +20 Volt betra-

1 Kcr

gen. Die Amplitude der Spannung V- ist größer als V ., jedoch kleiner als I^V _REFI und wird, wenn )^v _REpl größer als Ι^ν _ΤΙΙΙ ist, weniger positiv gemacht als V_TR /~^V _TL <^v ₂ < I^Vref' ^oder ^H-'⁷' ^Ty~ pische Beispiele dieser Spannungen sind: V . = 2 Volt, V = 5 Volt, V_REF = + 12 Volt, V_TH = 10 Volt.

Bei der nachstehenden Erläuterung der Arbeitsweise der Speicheranordnung wird auch auf Figur 4 Bezug genommen, welche die einem typischen Element der Anordnung unter verschiedenen Betriebsbedingungen zugeführten Spannungen wiedergibt.

Bei einer bevorzugten Betriebsart der Speichermatrix nach Figur 3a wird die Schwellenspannung sämtlicher Elemente der Anordnung zunächst auf ν~_Η eingestellt. Dies geschieht dadurch, daß sämtliche Steuerleiter mit dem Anschluß 2 (+20 Volt) und sämtliche Zeilen und Spalten mit dem Anschluß 1 (Masse) verbunden werden. Ein typisches Element in dieser Schaltung ist in Figur 4a gezeigt. Dies hat zur Folge, daß jedes Element soweit durchlaßgespannt wird, daß seine Spannung Vpq sehr viel höher liegt als +Vp. Während des Einstellvorgangs kann sich eine gewisse Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 12 und 13 ergeben. Solange beispielsweise V„„p als ein Minimalwert zwischen Gitter und jeder der Elektroden 12 und 13 vorhanden ist, kann eine Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 12 und 13 bestehen, ohne daß der oben beschriebene EinstellVorgang dadurch verändert wird. Wenn die positive Spannung vom Gitter entfernt wird, bleibt die Schwellenspannung jedes eingestellten Transistors auf V_,„_s und der Transistor leitet solange nicht, wie die Amplitude seiner Gitterspannung die Quellenspannung nicht um mehr als V™« übersteigt.

Nach dem Bins/t-ellvargang (Setzen) teQnnen ©iaes odes? mehrere gewählte Elemente auf den niederen »Schwellwert Y^g Hl«sl (vückg&aetzt) werden, indem man öle iß de? In FtpjM" 4fe> lichten Weise spannt» Eine fip&xmimi* "nm Ί-%ξ) ¹VoIt uird qes Quelle und. »4fefxttfö Aeβ gewählten f,X®mentaa &&%©£&$ imü cetm iMttef⁵ irlrä *uf NulXp<rök*nt±*£ grelegt. Weasi beispxcslaweiiG© clso SlessiGsst !-I ±n

Figur 3a rückgesetzt werden soll, wird der Steuerleiter Gl an den Anschluß 1 (Masse) angeschaltet und werden die Zeile Rl und die Spalte Cl je mit dem Anschluß 2 (+20 Volt) verbunden, während sämtliche übrigen Zeilen und Spalten sowie Steuerleiter an den Anschluß 1 (Masse) angeschaltet bleibt. Durch diese Spannungen wird das Gitter 11 des Transistors 1-1 gegenüber sowohl seiner Elektrode 12 als auch seiner Elektrode 13 um eine die Bezugsspannung (V_nr,„ = 12 Volt) übersteigende Spannung (V₁ = 20 Volt) sperr-Ktr 1

gespannt. Nach Entfernen dieser Spannungen bleibt das Element 1-1 im Zustand seiner niederen Schwellenspannung V". .

Während der Zeit, da ein gewähltes Element, beispielsweise

1-1, auf V _T rückgesetzt wird, werden die übrigen Elemente der L L·

Matrixanordnung nicht gestört. Die nicht in der ersten Zeile oder der ersten Spalte befindlichen Elemente sind mit ihren drei Elektroden an deii Anschluß 1 (Nullpotential) angeschaltet und bleiben selbstverständlich unbeeinflußt. Die Schwellenspannung der übrigen Elemente in der Spalte 1 wird nicht verändert, da die Gitter-Quellenspannung dieser Elemente auf 0 Volt gehalten wird. Jedes der übrigen Elemente in der Spalte 1 ist mit seiner einen Elektrode 12 an +V (20 Volt) angeschaltet, während sein Gitter 11 und seine andere Elektrode 13 an Masse liegen. Der Vorspannzustand dieser Elemente ist daher mit dem in Figur 4c dargestellten Zustand identisch. Deriritionsgemäß ist die auf der niedrigsten Spannung liegende Elektrode IJ die Quellenelektrode, und da V = Oj wird die Schwellenspaiinunp; nicht verändert, weil ein Anstieg der Abflu&spammng bei V_rc -~ 0 den Ladungsspeicherfflechanismus nicht beeinflußt» Dies ^πηοκίί cht die Einfachheit der er finding.,»* genia&ett Schaltung ge;?. .?nui: ■■;;·. ;ier· vor bekannten Schaltung gemäß ..wm Stan ?.t d e r T e c h η i k .

Dir ·Τν>Γ:^;. **■<·;■■ c }?.:<■■-· ην e :η^:α Zeile Rl sind jeweils mit ihrem G-'.ttor uad inr<-.- :η·51·. ■: ?.'■.-. \ rock-- 12 an die Klemme 1 (Nullpct. ; ti;*!, ve-:¹ *■■ ' i;-fer ·.·; ■ ■ L - vn -l-kcrode 13 über ;.*ie Z**Ile Rl s·¹ λ-ö K\\-^<r"« .· ■,-..'· '■' ;■*-..' .ν ·.. , .•■„■öen. r*i.esa Elenea^i* ■" n>..~ daher <?ϋ>:.'ί· .f ':'\- ' ■ ■ . · ' ' ..α;.-'· ,■ : ■■■■ iy.tar> "'.'eise Ϋθ.",ΐ3·ί;.^ .., wobei Ι--·,»Ι;ί·

■ ϊΐ ■ - 3a die

8 4 C

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bilaterale (in beiden Richtungen leitende) Bauelemente sind, sind Abfluß und Quelle untereinander vertauschbar, so daß definitionsgemäß die Elektrode 12 jetzt als Quelle arbeitet. Da Y„_s = 0, bleibt die Schwellenspannung der übrigen Elemente in der Zeile Rl unverändert.

Durch eine ähnliche Untersuchung wie oben läßt sich zeigen, daß jeweils eine beliebige andere Zahl (zwei, drei, vier oder fünf) von Elementen in der gleichen Zeile rückgesetzt werden können, ohne daß die übrigen Elemente der Matrixanordnung dadurch gestört werden. Es ist lediglich nötig, daß der Zeilenleiter an die Klemme 2 (+20 Volt), die Steuerleitung der betreffenden Zeile an die Klemme 1 (Masse) und die Spaltenleiter derjenigen Transistoren in der Zeile, die rückgesetzt werden sollen, an die Klemme 2 (+20 Volt) angeschlossen werden.

Der Schwellwert der Elemente kann jeweils zeilenweise abgefühlt oder abgelesen werden, indem die Spalten Cl, C2, C3. C4 und C5 an die üatenausgangsklemmen 4-lj 42, A3, 44 bzw. 45* sämtliche Zeilen und die Steuerleitungen der nichtgewählten Zeilen an die Klemme 1 (Masse), die Steuerleitung der gewählten Zeile an die Klemme 3 (+5 Volt) und die Zeilenleitung der gewählten Zeile an die Klemme 1 (Masse) angeschlossen werden. Die an dem gewählten (abzulesenden) Element bei derartiger Verschaltung vorhandenen Spannungen sind in Figur 4d dargestellt.

Es sei angenommen, daß die Zeile 1 abgelesen werden soll und daß das Element 1-1 auf V_n und die übrigen Elemente 1-2....1-5 auf V_„ gesetzt sind. Da die dem Gitter des Elements 1-1 zugeführte Spannung (V = +5 Volt) höher liegt als die Schwellenspannung (V_TL = +2 Volt) des Elements 1-1 liegt (^V _TL < ^v ₂)j leitet das Element. 1-1 und ist die Spannung am Datenausgangspunkt 41 niedrig (dicht bei Nullpotential). Da jedoch die Gitterspannung (V₂) der Elemente 1-2, 1-3, 1-4 und 1-5 unterhalb der Schwellenspannung (V_TH = +10 Volt) dieser Transistoren liegt (V < V), können diese Elemente nicht leiten und bleibt die Spannung an den Datenausgangspunkten 42, 43, 44 und 45 bei +V„ = 5 Volt. Die

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Elemente können stromabgelesen werden, indem die Spalten über eine niedrige Impedanz gekoppelt werden und die Anwesenheit oder Abwesenheit von Strom wahrgenommen wird.

.·■?. ·λ".-■··■■ ...j-cse-Gittersoaniüina: "/„. niedriger als die Bezuffssparmur \v .. die -men Ufeergar.? -^:.;: der- ichwellensoannung bevirkT , : ^:". ■..' . ■.■ i;-j':;:::'iine.5 :)de? ■=■■;.-.■. ή.'; i...'. :?":e Elemente abgelesen

oder der Zc-

Mai< .;<a::ii also fur ,]ecie ritstv-lie ein einziges bistabiles Element /erbenden, in dieses Element Informarion einspeichern und die -^e speicherte Information zerstörungsfrei ablesen.

:;ie oben beschriebene Matrixanordnung ist hervorragend gut für einen wortorganisierten Speicher geeignet., bei welchem jede Matrixzeile beism'. slsweise ein Informationswort enthält. Dem hohen (VV₁J,) und dt-ro niedrigen (V ) Schwellwert kann dabei der Binärwert 'I" bzw. der Binärwert "0" (als gespeicherte Größe) zugeordnet werden, oder umgekehrt. Ein wichtiges Merkmal eines solchen Speichers ist. daß die gespeicherte Information durch Abschal ten der Energiezufuhr nicht beeinflußt wird.

Die gleiche Anordnung eignet sich auch für einen wortorganisierten Speicher, bei welchem jede Matrixspalte beispielsweise ein Informationswort enthält. Es ist klar, daß bei einem solchen Speicher während des Schreibvorgangs sämtliche Elemente einer gewählten Spalte gesetzt werden können, indem sämtliche Steuerleitungers mit +20 Volt und sämtliche Zeilenleitungen und gewählten Spaltenleitungen mit Nullpotential beaufschlagt werden. Danach können gewählte Elemente innerhalb dieser Spalte rückgesetzt werden, indem der gewählte Spaltenleiter sowie sämtliche Zeilenleitungen mit +20 Volt und diejenigen Steuerleitungen, die an die rückzusetzenden Elemente angeschlossen sind, mit Massepotential beaufschlagt werden. Der Speicherinhalt sämtlicher Elemente einer gewählten Spalte kann in ähnlicher Heise, wie oben beschrieben. abgelesen werden, wrbex jedoch dor ί- chwellwert jedes Bauelements der· Spalte an nen /oilenleitern während der Zeit abgefühlt, wird,

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da der gewählte Spaltenleiter an Masse liegt, jeder Zeilenleiter über eine Impedanz, an +5 Volt liegt und sämtliche Steuerleitungen an +5 Volt liegen (wobei die Einrichtung zur Herstellung dieser Anschlüsse ähnlich wie in Figur 3a ist).

Die Zeilen, Spalten und Steuerleitungen der Anordnung werden im vorliegenden Fall mit Hilfe von Schaltern an die entsprechenden Anschlußpunkte oder Klemmen angeschaltet. Diese Schalter können Momentschalter sein, und die Kombination der Spannungsquelle und der Schalter kann auch durch Impulsquellen mit der Amplitude und Polarität der Spannungen nach Figur 2 realisiert werden.

Zu beachten ist, daß bei den Ausführungsformen nach Figur 3 und 4 zum Einschreiben und zum Ablesen von Daten eine Spannungsquelle nur einer Polarität verwendet wird (die Spannungsquelle liefert +V₁ und Nullspannung, und die Spannungsquelle 102 liefert +V„ und Nullspannung) und daß eine solche Spannungsquelle in Verbindung mit den Schaltern einem Impulsgenerator gleichwertig ist, der Impulse nur einer Polarität und einer Amplitude von annähernd V₁ für das Einschreiben sowie einer Amplitude von V„ für das Ablesen erzeugt. Dies bedeutet einen wesentlichen Unterschied zu der bipolaren Spannungsquelle (Spannungsquelle, die Spannungen zweier Polaritäten liefert), die beim Stand der Technik für das Setzen und Rücksetzen der Elemente benötigt wird.

Figur 5 zeigt im Querschnitt einen Teil der Matrixanordnung. Wie man sieht, befinden sich, im Gegensatz zum Stand der Technik, sämtliche Elemente der Anordnung in direktem Kontakt mit dem gemeinsamen Substrat, Die Elemente brauchen nicht voneinander isoliert zu sein, da ,jedes Element nach Art eines Transistors über Gitter, Quelle und Abfluß angesteuert wird, wenn die Schwellenspannung verändert wird. Das Substrat besteat in diesem Fall aus Silicium, kann aber auch aus einem Isoliermaterial bestehen» Bei~ spielsweise kann man auf ein Glassubstrat aufgedampfte Dünnschicht Transistoren oder epltaktisch auf Saphir aufgewachsene Silieium-Traneistorei* (SOS) verwenden, vorausgesetzt; daß die ϊί*< die allgemeine Charakteristik nach Figur 2 haben»

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Da bei den nichtgewählten Elementen die Gitter-Quellenspannung auf O Volt bleibt, ergibt sich eine verbesserte Arbeitsweise der Anordnung, indem die Beanspruchungen des Ladungsspeichermechanismus so gering wie möglich sind.

Bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt das Ablesen eines Speicherelements, indem bei geerdeten Zeilen die Daten von der Spalte abgenommen werden. Natürlich können stattdessen die Daten auch von den Zeilen bei entweder geerdeten oder auf ein anderes Potential gelegten Spalten abgenommen werden. Wegen der Symmetrie der Bauelemente sind die Zeilen und Spalten austauschbar und können die Steuerleitungen entweder zu den Zeilen oder zu den Spalten elektrisch parallel laufen.

Die bei den Ausführungsformen nach Figur 3, 4 und 5 verwendeten Transistoren sind vom n-Typ (η-leitender Kanal). Man kann natürlich stattdessen auch Transistoren vom p-Typ verwenden, vorausgesetzt, daß ihre Schwellenspannung der Charakteristik nach Figur 2 entspricht und daß die Spannungen in der entgegengesetzten Richtung wie bei den η-Transistoren angelegt werden.

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ORIGINAL INSPECTED

Claims (11)

1. - 15 Patentansprüche

   f lj Halbleiterspeicher-anordnung mit; eisaer Äasafsi voa auf einem gemeinsamen Substrat angeordneten bistabile». Speicherel menten, wobei jedes Speicherelement aus einem einzigen*, swise zwei verschiedenen Schwellwerten schaltbaresi bistabilen F©ldef f ekt-Halbleiterbauelement suit zwei einen lei&eadea Kaaal- bildenden Hauptelektroden und einer Steuerelektrode besfcelhib j sowie mit; einer Schreibschaltung zum Schalten eines oder mehrerer:gewählter Speicherelemente auf einen seiner beiden Schwellwerte«! und. mit einer Leseschaltung zum Wahrnehmen des Schwellwertes eines oder mehrerer gewählter Speicherelemente ohne Beeinflussung des Schwell^ wertes der gewählten Speicherelemente, dadurch gekennzeichnet , daß jedes Speicherelement sich im direktem Kontakt mit dem Substrat befindet? daß die Schreibschaltung so eingerichtet ist, daß sie das gewählte Speicherelement, um es auf einen bestimmten seiner beiden Schwellwerte zu schalten, mit einer ersten Spannung eines bestimmten Wertes und einer bestimmten Polarität zwischen Steuerelektrode und den beiden Hauptelektroden beaufschlagt; und daß die Le se schaltung den Schwellwert des gewählten Speichereiements dadurch wahrnimmt, daß zwischen Steuer_ elektrode und lediglich eine der beiden Hauptelektroden dieses Speicherelements eine zweite Spannung gelegt wird»
2. 2. Halbleiterspeicheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schreibschaltung die von einer Spannungsquelle gelieferte erste Spannung in bestimmter Polarität zwischen die Steuerelektrode und beide Hauptelektroden des gewählten Speicherelements legt.
3. 3· Halbleiterspeicheranordnung nach Anspruch 1 oder 2, da durch prekennzeichnet, daß die von der Leseschaltung: gelieferte zweite Spannung in ihrem Wert zwischen den beiden Schwellwerten liegt.
4. 4· Speicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat

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   - 16 aus Halbleitermaterial besteht.
5. 5. Halbleiterspeicheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Isoliermaterial besteht.
6. 6. Iialbleiterspeicheranordnurig nach Anspruch 5· d a d u r ch gekennzeichnet , daß das Substrat aus Glas oder Saphir besteht.
7. 7. Halbleiterspeicheranoranunp. nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Speicherelemente matrixförmig in Zeilen und Spalten ausgelegt sind und eine der Zeilenanzahl entsprechende Anzahl von Zeilenleitern, eine der Zeilenanzahl entsprechende Anzahl von Steuerleitern und eine der Spaltenanzahl entsprechende Anzahl von Soaltenleitern vorgesehen sind, wobei der Kanal jedes Speicherelements mittels seiner beiden Ilauptelektroden zwischen einen der Zeilenleiter und den entsnrechenden Spaltenleiter geschaltet ist, und wobei die Schreibschaltung zwei Grunpen von Zeilenschaltern und eine Gruppe von Spaltenschaltern enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter über den betreffenden Steuerleiter und die betreffenden Zeilen- und Spaltenleitor, die zum gewählten Speicherelement führen, zwischen die Steuerelektrode und beide Hauptelektroden ties gewählten Speicherelements die ,Spannung des bestimmten Pegels und der bestimmten Polarität legen und bei samtlichen anderen Speicherelementen in der Spalte und der Zeile des gewählten Speicherelements eine Spannung zwischen die Steuerelektrode und nur eine eier beiden Hauptelektroden legen.
8. 8. Halbleiterspeicheranordnung nach Anspruch 1 oder 7 in Form eines wortorganisiert^!! Speichers. ei a d u r c h g e κ e η η ζ e i c h η e t , daß eii e Schreibschaltung so eingerichtet ist. daß sie selektiv tue SchwelJ werte* dor Speicherelement ο in einer rc-wählten /file rloichzeitig auf gewünschte \vorto setzt j uji(i flau (lic 1 rseschaltung dir ^u;ciiKol.J .wertc der ent snrochondon hnej cherelf immte einer gewählten Zeile glciehzri ti f. wahrnimmt.

   0098A0/1900 BAD OR(GiNAt
9. 9. Halbleiterspeicheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,. gekennzeichnet durch eine Anordnung, welche die Steuerelektroden und mindestens eine der beiden Hauptelektroden jedes nichtgewählten Speicherelements an einen gemeinsamen Spannungspunkt anschaltet, derart, daß die nichtgewählten Speicherelemente keinen Strom leiten können.
10. 10. Halbleiterspeicheranordnung nach Anspruch 7₃ d a d u r ch gekennzeichnet , daß die Schreibschaltung die von einer Spannungsquelle gelieferte erste Spannung in bestimmter Polarität zwischen die Steuerelektrode und die beiden Hauptelektroden des gewählten Speicherelements legt.
11. 11. Halbleiterspeicher.anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle die erste Spannung an zwei Klemmen, die auf zwei verschiedenen Spannungswerten gehalten werden, bereitstellt j und daß die Schreib schaltung in einem Setzzyklus, in welchem die erste Gruppe der Zeilenschalter die erste Klemme der Spannungsquelle selektiv mit dem zum gewählten Speicherelement führenden Steuerleiter verbindet und die zweite Gruppe der Zeilenschalter sowie die Gruppe der Spalte selektiv die zweite Klemme der Spannungsquelle mit dem zum gewählten Bauelement führenden Zeilen- und Spaltenleiter verbinden, sowie in einem Rücksetzzyklus, in welchem die erste Gruppe der Zeilenschalter die zweite Klemme der Spannungsquelle selektiv mit dem zum gewählten Speicherelement führenden Steuerleiter verbindet und die zweite Gruppe der Zeilenschalter sowie die Gruppe der Spaltenlait.gr die erste Klemme der Spamnungsquelle selektiv mit dem zum gewählten Speicherelement führenden Zeilen- und Spaltenleiter verbinden, arbeiten kann.

    009840/1900