CN106716539B - 利用铁电电容器的cmos模拟存储器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种存储器单元以及由这种存储器单元构造的存储器。根据本发明的存储器包括铁电电容器、电荷源和读取电路。所述电荷源接收要存储在所述铁电电容器中的数据值。所述电荷源将所述数据值转换成要存储在所述铁电电容器中的剩余电荷并且使此剩余电荷存储在所述铁电电容器中。所述读取电路确定存储在所述铁电电容器中的电荷。所述数据值具有多于三个不同的可能状态，并且所述所确定的电荷具有多于三个确定值。所述存储器还包括复位电路，所述复位电路使所述铁电电容器进入预定的已知参考极化状态。

Description

利用铁电电容器的CMOS模拟存储器
背景技术
在需要高速和/或低功耗的应用中，非易失性固态EEPROM存储器已经变得可与用于大规模数据存储的常规旋转磁盘介质竞争。这种存储器具有短得多的有效“搜索”时间以及与常规磁盘驱动器一样快或者比其更快的数据传输速率。此外，这些存储器可以经受明显的机械冲击并且需要常规磁盘驱动器的功率的一部分。然而，这种存储器的成本仍然限制了对驱动器的使用。此外，这种存储器不可用于高辐射环境中。
一种用于减小这种存储器的成本的方法是利用具有多于两个存储状态的存储器单元。例如，在EEPROM存储器中，使用穿隧来将电荷沉积在浮栅上。电荷改变相关联晶体管的电导率。在二进制存储器中，电荷的存在或不存在都是需要进行感测的。在多状态存储器中，每个状态与正向栅极转移的不同电荷量相对应。为了对单元进行读取，必须测量单元的电导率以便在可能状态之间进行区分。因为每个单元现在存储有多位数据，所以对于任何给定存储器大小都显著减小了存储器成本。
遗憾的是，对这种单元进行写入的时间明显大于对二进制单元进行写入的时间。此外，可以存储在存储器中的状态的最大数量是有限的。可以通过增大存储器中的感测放大器的数量(从而使得同时对大量单元进行读取或写入)来部分地克服这些问题。然而，这种方式增大了存储器的成本并且还强加了比一旦已经加载了磁道读出“磁道”的单独片段的读取时间更长的针对磁道的初始读取时间。
当要在记录中重写数据时，必须擦除整个记录并且然后输入新数据。由于与写入时间相比擦除时间较长，所以将数据重写到已经被擦除的未使用记录中。然后，在后台擦除在先前重写中丢弃的记录。此“垃圾收集”程序进一步使存储器复杂化并且增加成本。最终，可以对单元进行擦除和重写的次数是有限的，并且因此，在需要多次对大量单元进行擦除和重写的应用中，存储器的寿命可能是个问题。
发明内容
本发明包括一种存储器单元以及由此存储器单元构造的存储器。在一个实施例中，根据本发明的存储器包括铁电电容器、电荷源和读取电路。所述电荷源接收要存储在铁电电容器中的数据值。所述电荷源将所述数据值转换成要存储在所述铁电电容器中的剩余电荷并且使此剩余电荷存储在所述铁电电容器中。所述读取电路确定存储在所述铁电电容器中的电荷。所述数据值具有多于三个不同的可能状态，并且所述所确定的电荷具有多于三个确定值。所述存储器还包括复位电路，所述复位电路使所述铁电电容器进入预定的已知参考极化状态。
在本发明的一方面，所述电荷源包括电容器充电电路，所述电容器充电电路将电容器充电至由所述数据值所确定的电压；以及开关，在所述充电之后，所述开关将所述电容器与所述铁电电容器并联连接。
在本发明的另一方面，所述电荷源包括电流源，在由所述数据值所确定的时间段内，所述电流源连接至所述铁电电容器。
在本发明的仍进一步方面，所述电流源包括电路，所述电路具有连接在第一开关端子与第二开关端子之间的第一电流路径和第二电流路径。所述铁电电容器串联连接在所述第一电流路径中，从而使得与进入所述第一开关端子的电流的固定部分相等的电流基本上独立于所述电流而进入到所述铁电电容器中。
在本发明的另一方面，所述铁电电容器由饱和电压表征，并且所述读取电路包括读取电容器和预充电电路，所述预充电电路将所述读取电容器充电至高于所述饱和电压的电压。所述读取电路还包括：开关，所述开关将所述铁电电容器连接至所述读取电容器；以及输出电路，在所述铁电电容器连接至所述读取电容器之后，所述输出电路生成指示所述读取电容器上的电压的信号。
在仍进一步方面，所述铁电电容器由可以存储在所述铁电电容器中的最大剩余电荷表征，并且所述读取电路包括最大电荷存储电路，所述最大电荷存储电路判定所述铁电电容器何时存储所述最大剩余电荷。控制器使所述电荷源向所述铁电电容器添加电荷，直到所述最大电荷电路确定所述铁电电容器正存储所述最大剩余电荷为止。
在本发明的另一方面，根据本发明的存储器单元包括铁电电容器和电路，所述电路具有连接在第一开关端子与第二开关端子之间的第一电流路径和第二电流路径。所述铁电电容器串联连接在所述第一电流路径中，从而使得与进入所述第一开关端子的电流的固定部分相等的电流基本上独立于所述电流而进入到所述铁电电容器中。
在本发明的一方面，所述第一电流路径包括与第一FET串联的所述铁电电容器，所述第一FET具有短路连接至所述FET的源极的栅极，并且第二电流路径包括连接在所述第一端子与所述第二端子之间的第二FET。
在本发明的另一方面，所述铁电电容器由第一铁电电容器端子和第二铁电电容器端子表征，所述第一铁电电容器端子连接至所述第一开关端子，并且所述第一电流路径包括：第一FET，所述第一FET具有连接至所述第二铁电电容器端子的源极；以及第二FET，所述第二FET具有连接至所述第一FET的漏极的源极以及连接至所述第二开关端子的漏极，所述第二FET具有连接至所述第二铁电电容器端子的栅极。
在本发明的仍进一步方面，所述铁电电容器由可以存储在所述铁电电容器中的最大电荷表征，所述存储器单元进一步包括连接至所述第一开关端子的写入电路，所述写入电路通过所述第一开关端子转移电荷量，所述电荷量由输入至所述写入电路的数据值确定并且独立于所述最大电荷。
在本发明的另一方面，所述存储器单元包括读取电路，所述读取电路确定已经由所述写入电路存储在所述铁电电容器中的电荷量。所述读取电路可以包括复位电容器以及用于将所述复位电容器预充电至第一电压的电路。在所述复位电容器已经被充电至所述第一电压之后，电路将所述复位电容器连接至所述铁电电容器；以及在所述复位电容器已经连接至所述铁电电容器之后测量所述复位电容器上的电压的电路。
在本发明的仍进一步方面，所述铁电电容器由可以存储在所述铁电电容器上的最大电荷以及饱和电压表征，并且所述第一电压被选择为使得当与所述最大电荷相等的电荷从所述铁电电容器转移至所述复位电容器时，所述电容器处于大于所述饱和电压的电压下。
在本发明的另一方面，所述铁电电容器由可以存储在所述铁电电容器上的最大电荷表征，并且所述读取电路确定为使所述铁电电容器存储所述最大电荷而必须向存储在所述铁电电容器中的电荷添加的电荷。
根据本发明的一方面的铁电存储器包括读取线；写入线；以及多个铁电存储器单元，每个铁电存储器单元包括铁电电容器，所述铁电电容器由可以存储在所述铁电电容器中的最大电荷表征。所述铁电存储器还包括多条铁电存储器单元选择总线，所述选择总线之一与所述铁电存储器单元中的每个铁电存储器单元相对应。所述铁电存储器单元中的每个铁电存储器单元包括第一栅极和第二栅极，所述第一栅极和所述第二栅极用于响应于与此铁电存储器单元相对应的所述铁电存储器单元选择总线上的信号而将所述铁电存储器单元分别连接至所述读取线和所述写入线。写入电路使电荷存储在当前连接至所述写入线的所述铁电存储器单元的所述铁电电容器中，所述电荷具有由输入至所述写入电路的数据值确定的值。所述电荷独立于所述铁电电容器的所述最大电荷。读取电路测量存储在当前连接至所述读取线的所述铁电存储器单元的所述铁电电容器中的所述电荷以便生成输出值，所述输出值与当前存储在所述铁电电容器中的数据值相对应。
在本发明的一方面，所述读取线包括电流镜的第一分支，并且所述铁电存储器单元包括所述电流镜的第二分支，所述电流镜的所述第一分支和所述第二分支被配置成使得进入所述铁电存储器单元的电流的固定部分进入所述铁电存储器单元中的所述铁电电容器，所述固定部分独立于连接至所述读取线的所述铁电电容器的所述最大电荷。在本发明的一方面，所述数据值具有多于三个不同值。
在本发明的另一方面，所述存储器单元包括读取电路，所述读取电路确定当前存储在连接至所述读取线的所述铁电电容器中的电荷。所述电荷可以通过测量在所述铁电电容器被复位到完全极化状态时离开所述铁电电容器的电荷来确定。可替代地，所述电荷可以通过测量为使所述铁电电容器被复位到完全极化状态而必须向所述铁电电容器中的所述电荷添加的电荷来确定。
附图说明
图1展示了典型的铁电电容器。
图2展示了本发明中使用的基本编程原则和一个可能的编程安排。
图3展示了另一个编程安排。
图4展示了基于对存储在电极上的电荷进行读取的简化读出电路。
图5是根据本发明的另一个实施例的简化读出电路。
图6展示了根据本发明的模拟铁电存储器的一个实施例。
图7展示了根据本发明的铁电存储器的一个实施例，所述铁电存储器利用所讨论的存储方案，在所述存储方案中，通过测量在写入操作期间存储在铁电电容器中的电荷的量来读出数据。
图8A是自主存储器电路的示意图。
图8B展示了当自主存储器电路被上电、铁电电容器在向上(UP)和向下(DOWN)状态下时图8A中所示出的电源轨上以及节点上的作为时间的函数的电势。
图9A展示了根据本发明的一个实施例的自主存储器单元的CMOS实施例。
图9B展示了根据本发明的另一个实施例的自主位存储器的CMOS实施例。
图10展示了根据本发明的多状态铁电存储器的另一个实施例。
图11展示了根据本发明的另一个实施例的铁电存储器。
图12展示了根据本发明的铁电存储器的另一个实施例。
图13A展示了可以用于设置铁电电容器的极化状态的写入电路的另一个实施例。
图13B展示了通过将输入数据转换为最小贮存电压与最大贮存电压V最小和V最大之间的电压Vd来写入到铁电电容器中的数据。
图14展示了根据本发明的自主存储器单元的CMOS实施例。
图15A展示了所施加的电压与存储在铁电电容器中的电荷之间的关系。
图15B展示了与试图使用中间电压来建立中间极化值相关联的问题。
图16展示了根据本发明的基于铁电电容器的存储器的总体安排。
图17展示了具有多个铁电电容器存储器单元的存储器。
具体实施方式
在本说明书中讨论的电路包括两种类型的电容器。第一种类型是铁电电容器，所述铁电电容器是具有作为该电容器中的电介质的介电材料的电容器。第二种类型是常规电容器，所述常规电容器具有作为其介电层的非铁电材料。除非上下文另外指明，在以下讨论中，术语电容器将用于常规电容器。
参照尝试存储每铁电电容器多于两个状态的现有技术铁电电容器存储器所遇到的问题，将更容易理解本发明提供其优点的方式。铁电电容器基于通过在与每个状态相对应的铁电电容器两端施加写入电压来将数据值映射到铁电电介质的特定极化状态的模型。电介质的极化状态通过以下方式来感测：在使电介质在已知方向上被完全极化的铁电电容器两端施加读取电压以及观察由于施加读取电压而离开铁电电容器的一个极板的任何电荷。
以下事实使这种方案复杂化：作为在铁电电容器两端施加的电压的函数的铁电电介质极化状态展现滞后现象。也就是说，当移除电压时留在铁电电容器中的剩余极化是自铁电电容器最后一次被完全极化以来的铁电电容器两端的电压的历史的函数。因此，除了两个特定写入电压以外，仅施加在这些写入电压之间的电压并不会在移除电压时导致可再现的极化状态。导致独立于铁电电容器的之前的短期历史的已知极化状态的两个写入电压是在向上或向下方向上将电介质完全极化的写入电压。提供这种完全极化的电压被称为饱和电压并且将由Vc表示。如果使用大于Vc的电压，则不会发生进一步剩余极化。如果使用小于Vc的电压，则极化状态将取决于在施加该写入电压之前的铁电电容器的历史。
由于与使用中间电压相关联的问题，基于铁电电容器的现有技术铁电存储器被限制于两种状态，所述两种状态与用作写入电压来存储数据的Vc和-Vc相对应。这些电压中的任一电压可以用作读取电压。
已经提出了针对使用中间写入电压来设置中间极化状态的方案。为了避免与铁电电容器的存储器相关联的问题，通过以下方式来设置中间状态：首先将铁电电容器设置为完全极化状态之一，以及然后施加趋于将铁电电容器极化到相反极化状态的中间写入电压。现在参照图15A，所述图展示了所施加的电压与存储在铁电电容器中的电荷之间的关系。应当注意的是，因为所存储的电荷被电介质的剩余极化吸引，所以所述电荷是对电介质的极化的直接测量。当首先制作铁电电容器时，铁电材料未被极化。考虑在电容器两端施加正向电压Vc的情况。铁电电容器中的电荷沿着曲线401增大，直到其在Vc处达到最大值为止。如果现在移除铁电电容器两端的电压，则电荷沿着曲线402下降至Q最大，所述曲线是滞后回线400的一部分。在此，Q最大是不施加电压时由铁电电容器存储的最大剩余电荷。
现在参照图15B，所述图展示了与试图使用中间电压来建立中间极化值相关联的问题。假设铁电电容器开始于其通过施加如以上所讨论的Vc而被留下的点。为了建立部分极化，铁电电容器首先沿着曲线407循环回-Vc，并且然后电压从-Vc增大至V1。在404处示出了作为电压的函数的电荷。一旦在V1处建立了铁电电容器，就移除电压，剩余电荷Q1留在铁电电容器中。如果已经使用了稍微高于V1的电压V2，则极化将沿着路径405继续，并且最终剩余电荷将是Q2。因此，编程电压的很小变化导致剩余电荷的很大变化。这种问题由滞后曲线的陡斜率引起，所述陡斜率放大编程电圧的任何误差。
因为对于不同铁电电容器，无法以不同方式来对与要存储在不同铁电电容器中的特定状态相对应的编程电压进行编程，所以这些方案假设表征特定铁电电容器的滞后回线保持不变并且所有铁电电容器的滞后回线都相同。根据图15B，清楚的是，中间电压存储的剩余电荷的程度是表征该特定铁电电容器的滞后回线的形状的敏感函数。形状或滞后回线的位置的很小变化导致在移除编程电压之后所留下的剩余电荷的很大变化。
例如，熟知的是，滞后回线随温度变化。事实上，这种变化形成基于铁电体的红外成像系统的基础。此外，滞后回线展现了取决于铁电电容器的编程历史的位置和形状位移。因此，甚至使用单个铁电电容器，滞后回线的位移使得难以建立编程电压与剩余电荷之间的关系。
此外，因为滞后回线还取决于铁电电容器的长期电压历史，所以存储器内的不同铁电电容器可以具有显著不同的滞后回线。另外，滞后回线的形状取决于制作铁电电容器的条件。
相应地，甚至对于单个铁电电容器，在向铁电电容器施加的中间电压与在移除电压时存储在铁电电容器中的剩余电荷的量之间不存在一对一关系。也就是说，使用相同编程电压来对铁电电容器进行重复编程，并且每次都读出存储电荷，所观察到的存储电荷将展现具有显著宽度的统计分布，所述显著宽度限制了可以实际检测的状态的数量。当存储器中的铁电电容器中的所有铁电电容器经受相同编程读出以及测量总统计分布时，这种分布甚至更宽。
因为这些编程电压所留下的剩余电荷并不取决于-Vc与+Vc之间的滞后回线的形状的细节，所以这些问题对仅利用大于Vc的编程电压的数字存储器不具有相同影响。
本发明通过以下方式来避免这些问题：使用电荷源而不是电压源来将数据写入到铁电电容器中，从而对铁电电容器进行编程。现在参照图16，所述图展示了根据本发明的基于铁电电容器的存储器的总体安排。存储器450仅具有存储多个数据状态的一个铁电电容器。可以存储在铁电电容器451中的数据状态的数量大于三。铁电电容器451由电荷源452进行编程，所述电荷源接收要存储在铁电电容器451中的或者要向已经存储在铁电电容器451中的数据值添加的数据值。复位/电荷检测器453测量存储在铁电电容器451中的电荷并且将铁电电容器451复位成复位极化状态。复位状态可以是完全极化状态之一或者通过已知剩余电荷从完全极化状态之一移位的状态。
一旦已经复位了铁电电容器451，就可以向已经存储在铁电电容器451中的电荷添加电荷，由此实施累加器功能。电荷源452向铁电电容器451添加电荷，而无需依赖于关于已经存储在铁电电容器451中的电荷的任何知识。因此，在复位/电荷检测器453对铁电电容器451进行读出之前，可以向铁电电容器451添加多个电荷。复位/电荷检测器453确定自复位铁电电容器451以来已经存储在铁电电容器451中的电荷；因此，获得存储电荷中的所有电荷的总数。应当注意的是，因为为了计算与数据值之和相对应的电压，依赖于中间电压源编程的现有技术系统必须知道当前极化状态，所以这种系统无法执行这种功能。
为了本讨论的目的，电荷源被定义为编程源，所述编程源向当前处于铁电电容器中的剩余电荷添加指定的剩余电荷，而不依赖于+Vc与-Vc之间的滞后回线的形状来传递所讨论的电荷或者对当前存储在铁电电容器中的剩余电荷的知识。在-Q最大与Q最大之间的宽电荷范围内，这种电荷源提供的剩余电荷必须基本上独立于特定铁电电容器的滞后回线的形状。此外，只要电荷之和不超过Q最大，在电荷源所存储的电荷输入至铁电电容器之前，该电荷并不是铁电电容器中的剩余电荷的函数。虽然向铁电电容器施加小于Vc的固定电压的电压源导致剩余电荷被存储在铁电电容器中，但是因为所留下的电荷量是被编程的铁电电容器的滞后回线的形状和位置的敏感函数，所以所述电压源并不是本文中所讨论的电荷源。
现在参照图17，所述图展示了具有多个铁电电容器存储器单元的存储器。存储器460包括如铁电电容器存储器单元461等多个铁电电容器存储器单元。每个铁电电容器存储器单元包括铁电电容器465和第一和第二栅极464和466。单独的铁电电容器存储器单元通过该铁电电容器存储器单元中的栅极而连接至总线462和463。已经从所述图中省略的控制器在任何给定时间判定将哪个铁电电容器存储器单元连接至所述总线。电荷源452和复位/电荷检测器453由铁电电容器存储器单元中的所有铁电电容器存储器单元共享。
在图17中所示出的实施例中，电荷源452和复位/电荷检测器453的部件都不包括在铁电电容器存储器单元中。然而，如以下将更加详细地解释的，单独的铁电电容器存储器单元还可以包括作为电荷源或复位/电荷检测器功能的一部分的部件。
现在参照图1，所述图展示了典型的铁电电容器。为了本讨论的目的，铁电电容器被定义为具有如锆钛酸铅(PZT)等铁电介电材料的电容器，所述介电材料夹在第一电极与第二电极之间，在所述电极中，当在所述电极之间施加电势并且然后移除所述电势时，所述介电材料展现剩余极化。最简单的电容器形式是具有电极21和22的平行板电容器，在所述平行板电容器中，介电层23包括如PZT等铁电材料。为了简化以下讨论，将在示例中使用具有将电介质夹在中间的单对平行板的铁电电容器。然而，其他几何形状是可能的。例如，还可以利用具有相间错杂电极(交错手指)(电介质在每对电极之间)的电容器。
可以通过在电容器的电极之间施加适当电压来将介电层极化。极化状态可由介电层内的域被对准的方向表征。如果极化方向与极化电势产生从电极22指向电极21的电场的情况相对应，则铁电电容器将被说成是在“向上”方向上被极化。类似地，如果极化方向与极化电势产生从电极21指向电极22的电场的情况相对应，则铁电电容器将被说成是在“向下”方向上被极化。
为了取消剩余极化所产生的电场，将电荷存储在电容器的极板上。所存储的电荷量将取决于电介质的极化状态，更高的极化程度导致存储更高量的电荷。当铁电电容器在向下方向上被完全极化并且然后经受与在向上方向上将电介质极化的Vc相等的电压时，Q最大离开铁电电容器的一个极板并且流动至另一个极板。
在常规二进制铁电存储器中，极化方向用于存储一位值。例如，在向上方向和向下方向上进行的极化可以分别与位值“1”和“0”。可以通过在电容器的电极之间施加适当电压来写入位值。通过以下方式来确定存储在电容器中的位值：在电容器的电极两端施加将通常在向上方向上对电容器进行编程的电压以及观察流自或流入电容器的电极之一的电荷。如果当施加电压时，电容器处于向上状态，则很少电荷将流动；然而，如果电容器处于向下状态，则电容器的状态将切换至向上状态并且更多电荷将流自或流入所讨论的电极中。
在常规二进制铁电存储器中，编程电压被设置成高到足以确保电介质在期望方向上被完全极化。也就是说，通过使用电极之间的更大编程电压差将不会获得任何附加剩余极化。
本发明基于这样的观察：在完全向上与完全向下之间存在连续的剩余极化状态，以及可以通过控制向铁电电容器转移的电荷来对这些中间状态进行编程。还可以通过测量在电容器被复位至已知的完全饱和状态时流动的电荷来读取中间状态。
现在参照图2，所述图展示了本发明中使用的基本编程原则和一个可能的编程安排。在编程周期的开始，在如由箭头指示的向上方向上对铁电电容器26进行编程。通过以下方式来完成这一点，使用电流限制源24相对于电极27而将铁电电容器26的电势增大在所指示的方向上将介电层完全极化的量。
为了设置中间极化状态，电流限制源24在铁电电容器25两端施加相反电势；然而，允许流动的电流被限制为使得完全翻转极化的时间延伸超过在使用非限制性电流源的情况下将通常需要的时间。本发明基于这样的观察：如果在完全翻转极化之前，所述过程终止，则铁电电容器25将留在中间极化状态。因此，如果电流限制源24是恒定电流源，则铁电电容器25的极化状态将是编程时间的函数。例如，可以使用确定电流限制源24接通的时间长度的定时器28来将输入值转换成中间极化状态。
铁电电容器25可以被看作是电荷存储设备。剩余极化导致电介质中的剩余电场。为了取消这种电场，电荷从电容器的一个电极移动至另一个电极，从而使得移动电荷产生恰好取消极化电场的电场。当极化方向被Q最大完全翻转时，表示从电容器电极26流动至电极27的电荷量。根据电介质的极化方向，这种电荷可以被看作是存储在电极之一上。如果编程源现在将电荷强加到相反极板上，则极化状态将被取决于所转移的电荷量的量改变。为了将电荷强加到相反极板上，所施加的电压的方向必须与用于将铁电电容器“复位”至已知的完全极化状态的方向相反。
极板上的电荷完全取消剩余极化的电场，从而使得即使存在剩余极化，电压计也将在电容器两端读取零伏特，并且电极的短路将不会对剩余极化进行放电。
向相反极板传递已知电荷的任何电路安排可以用于将铁电电容器编程至中间状态，条件是该电荷小于Q最大并且以变更剩余极化(从而使得当移除编程电压时存储在电容器上的电荷由所讨论的已知电荷变更)的电压来传递。因为所转移的电荷等于电流乘以编程时间，所以以上所讨论的利用恒定电流源的安排是一个这种示例。然而，可以利用其它安排。
现在参照图3，所述图展示了另一个编程安排。在此实施例中，当开关36被设置成将数模转换器32连接至电容器33时，数模转换器32用于将输入值转换成向电容器33施加的电压。在对电容器33进行充电之后，开关36用于将电容器33连接至已经被复位的铁电电容器31。然后，来自电容器33的电荷流入铁电电容器31中。在切换之前，由V1表示电容器33上的电压，并且在切换之后，由V2表示线34上的电压。然后，向铁电电容器31转移的电荷为C(V1-V2)，其中C是电容器33的电容。如果V1>V2，则所转移的电荷与线性数模转换器的输入值成比例；在任一情况下，可以提供将输入状态映射至被转移的电荷量的校准曲线。可替代地，数模转换器32可以利用非线性转移函数来补偿V2。
应当注意的是，图2中所示出的电流限制源24和定时器28的组合以及图3中所示出的数模转换器32、开关36和电容器33的组合中的每个组合都可以被看作是向相应铁电电容器转移通过数据值来确定的固定电荷量的“电荷源”。所转移的电荷量独立于所讨论的铁电电容器的滞后曲线和饱和电压，条件是所述电荷小于当在铁电电容器两端没有施加电压时铁电电容器可以存储的最大电荷Q最大。考虑具有稍微不同的Q最大值和/或稍微不同的滞后曲线的两个不同的铁电电容器。当将电荷Q强加到电容器中的每个电容器中时，在它们的对应滞后曲线上，电容器将具有稍微不同的坐标，这是由铁电电容器的性质差异造成的(即使铁电电容器存储相同电荷)。
可以通过以下方式来确定在铁电电容器被初始化至完全向上状况之后，存储在所述铁电电容器中的电荷量：当在铁电电容器两端施加足以将铁电电容器完全返回至向上方向的复位电压时，测量在铁电电容器25的电极之间流动的电荷量。考虑以上所讨论的两个不同的铁电电容器。在以下讨论中，铁电电容器两端必须应用来在向上或向下方向上对电容器进行完全编程的电压差将被称为饱和电压。单独的铁电电容器之间的差可以导致两个铁电电容器的不同饱和电压。然而，如果用于测量存储电荷的复位电压大于两个饱和电压中的最大者，则即使铁电电容器具有稍微不同的性质并且所写入的电荷量将铁电电容器置于它们的对应滞后现象的不同点上，在铁电电容器被写入有相同电荷滞后，流自铁电电容器中的每个铁电电容器的电荷量将相同。
可替代地，可以通过测量必须流入电容器以便将电容器完全保持在向下状态的电荷量来感测所述电荷。然而，因为这种类型的读取电路正测量存储在铁电电容器的当前电荷与该电容器的Q最大之间的电荷差，所以所述读取电路要求这两个电容器具有相同的Q最大。
应当注意的是，所存储和检索的电荷量不受很小的铁电电容器变化的影响。在实践中，就可以存储在铁电电容器中的最大电荷量而言，铁电电容器因电容器的不同而变化。通常，不同铁电电容器将展现因铁电电容器的不同而稍微不同的滞后曲线。此外，必须应用来在向上或向下方向上将电容器完全极化的电压可能在铁电电容器的寿命内并且随着铁电电容器的历史而变化。这些变化导致Q最大因铁电电容器的不同而稍微不同，并且导致必须应用来驱除因铁电电容器的不同而不同的存储电荷。然而，如果所存储的电荷小于阵列中的铁电电容器的最小Q最大，则这些差异并不变更所存储的数据取决于所存储的电荷的绝对值的实施例中的结果。也就是说，存储相同电荷的两个铁电电容器可以处于如通过电容器的当前极化与最大极化之比来测量的不同极化状态。类似地，如果用于驱除电荷的电压大于复位阵列中的每个铁电电容器所需的最高电压，则将独立于单独铁电电容器的变化而驱除所有电荷。
所存储的数据取决于铁电材料的极化状态或当前状态的极化与最大极化之比的实施例受限于可以相对于仅取决于所存储的电荷的绝对值的实施例而被存储的状态的数量。在这种实施例中，每个数据值与相应极化水平相对应。与不同数据值相对应的极化差异必须大于由可能因铁电电容器的不同而变化的铁电电容器性质和这些性质随着时间的变化造成极化差异。因此，在这种实施例中，极化状态必须被间隔更远。这些变化减小可以存储在每个存储器单元中的不同数据值的数量的程度取决于用于形成铁电电容器的过程的质量。
现在参照图4，所述图展示了基于对存储在电极上的电荷进行读取的简化读出电路。为了本讨论的目的，假设铁电电容器43被复位至如在46处通过实线箭头示出的向上极化。然后，通过存储使极化在虚线箭头的方向上减小的电荷来将数据存储在铁电电容器43中。读出电路的目标是当铁电电容器43被再次复位至向上状态时通过提供作为所存储的电荷的单调函数的读出电压来测量该电荷。
读出操作开始于开关41打开和开关44关闭，从而使得电容器42被充电至电势V+。在对电容器42进行充电之后，开关44打开，并且开关41关闭。初始地，铁电电容器43将具有铁电电容器两端的电势V+。如果V+足够高，则铁电电容器43将被复位至向上状态，并且存储在铁电电容器43中的电荷Q将移动至电容器42，由此将电容器42上的电势降低与Q/C相等的量，其中，C是电容器42的电容。因此，线47上的电压将是存储在铁电电容器43上的电荷的函数。对于要在可以存储在铁电电容器43上的电荷的整个范围内进行操作的此读出方案，V+必须大于Q最大/C+Vs，其中，Vs是完全复位铁电电容器43所需的电势。还应当注意的是，在读出操作结束时，铁电电容器43被复位到向上状态。
如果V+电源被如图5中所示出的V-电源替代(所述V-电源是根据本发明的另一个实施例的简化读出电路)，则图4中所示出的电路还可以用于实施第二读出方案。此读出电路以与以上参照图4而描述的方式的类似的方式进行操作。首先，开关44关闭，而开关41打开以便对电容器42进行充电。然后，在开关41关闭之后，开关44打开。电势足以使铁电电容器43在向下方向上变得被完全极化。实现这一点所需的电荷由电容器42提供。因此，线47上的在开关41关闭之前和之后的电压差是将铁电电容器43的极化从其部分极化状态移动至完全向下状态所需的电荷的测量。在此方案中，在重编程之前，铁电电容器43则必须被复位至向上极化。
现参照图6，所述图展示了根据本发明的模拟铁电存储器的一个实施例。铁电存储器50被组织为被组织到多个行和列中的多个铁电存储器单元。在51处标记了典型的铁电存储器单元。每个铁电存储器单元包括铁电电容器52和接口电路53。在读取操作和写入操作期间，并行地处理成行的铁电存储器单元中的所有铁电存储器单元。由对多条行选择总线54进行操作的行选择电路56选择要处理的行，所述多条行选择总线还包括用于在读取和写入期间对行处理操作进行排序的导体。给定列中的每个铁电存储器单元连接至在58和59处所示出的两条列总线。列总线58用于读出存储在被处理的铁电存储器单元中的铁电电容器中的数据，并且列总线59用于以新地模拟值来对铁电电容器进行编程。可以将每个铁电电容器编程至N个状态之一，其中，N>2。通过在列总线58上生成指示存储在铁电电容器中的电荷量的信号来确定被处理的行中的该铁电电容器的状态。使用电路62来读取这种状态。通过向经由写入电路61连接至该单元的列总线59施加信号来设置被处理的行中的铁电电容器的状态。所述信号使与要存储在铁电存储器单元中的预定量的电荷存储在该铁电存储器单元中的铁电电容器中。
从行中读出的数据存储在行缓冲器55中。在本发明的一方面，将数据从表示存储在相应铁电电容器中的电荷的模拟信号转换成数字值。因为读出过程是破坏性的，所以甚至在不对数据作出任何变化的情况下，使用写入操作来将这种数据恢复至所述行。如果要作出变化，则在所述行中的铁电存储器单元已经被复位之后，将变化输入到行缓冲器55中。然后，将行缓冲器55中的数据转换成存储在相应铁电电容器中的电荷。
读取操作和写入操作利用控制器57，所述控制器接收地址(ADDR)、操作码(OPCODE)以及要写入到所述地址中指定的(多个)铁电存储器单元的数据。来自所指示的地址的数据被输出到数据线上。行选择电路56向地址指定的行选择总线施加适当信号。
铁电存储器50包括用于每列存储器单元的两条列总线，一条用于读取并且一条用于写入。这种安排简化了对详细实施例的以下讨论。然而，还可以构造仅需要一条列总线的实施例。
现在参照图7，所述图展示了根据本发明的铁电存储器的一个实施例，所述铁电存储器利用以上所讨论的存储方案，在所述存储方案中，通过测量在写入操作期间存储在铁电电容器中的电荷的量来读出数据。为了简化讨论，仅示出了铁电存储器70中的一个铁电存储器单元。四条行线R1至R4是与铁电存储器单元310所位于的存储器单元行相对应的行总线的一部分。为了简化以下讨论，将假设的是，在写入操作之前，已经通过对所讨论的铁电电容器进行的之前的读取操作来将铁电电容器完全极化至向上状态。通过将栅极84置于导通状态并且将栅极86置于非导通状态来将值写入到铁电存储器单元310中。然后，电容器77被充电至将在栅极76被写入电路75置于导通状态时导致具有与被写入的数据相对应的值的电荷转移至铁电电容器82的电势。由写入电路75执行将数据转换成提供所讨论的电荷所需的电压。电容器77上的电压比V2小取决于要写入的数据值的量。当铁电电容器82通过栅极84连接至写入线73时，顶部极板将处于小于底部极板的电势，所述电势被保持为V2，并且因此，写入操作颠倒极化的由复位操作产生的一部分。
由通过栅极88连接至读取线72的读出电路74按两步过程从铁电存储器单元310中读出数据。首先，电容器83被充电至V1，同时通过栅极86与铁电电容器82隔离。栅极85用于将电容器83连接至V1。在此，V1比V2大允许最大设计电荷转移至电容器83并且仍然使电容器83的顶部基板处于大于V2的电压下的量。电容器83上的最终电压被源极跟随器87放大并且被将电压存储在读出电路74内的电容器上的读出电路74读出。接下来，栅极86被置于导通状态，在铁电电容器82两端施加电容器83上的电压的栅极84断开。这将铁电电容器82复位并使存储在铁电电容器82中的电荷释放，这进而降低了在源极跟随器87的栅极处的电压。然后，此电压由读出电路74读取并且将之前所存储的电压与此电压相减以便得出指示铁电电容器82释放的电荷的电压差。然后，所产生的模拟电压可由读取电路74内的模数转换器进行数字化。如以上所指出的，铁电电容器82在读出过程结束时留在完全极化的向上状态，如果正对铁电存储器单元310进行读取，则必须通过将输出数据值输入到如以上所描述的写入电路75来将读出的值恢复到铁电电容器82中。
以上所讨论的铁电存储器单元是可以在本发明中利用的铁电存储器单元的一个示例。然而，可以使用其他形式的铁电存储器单元。铁电存储器单元的可以用于构造模拟存储器的另一个实施例于与美国专利7,990,749中描述的自主存储器电路类似。首先参照图8A，该图是自主存储器电路的示意图。自主存储器电路200包括铁电电容器201和具有电流致动控制输入端205’的开关203。也就是说，开关203的阻抗随着通过电流致动控制输入端205’的电流的增大而减小。导电负载202连接于电源轨与开关203之间。
铁电电容器201具有可以通过在铁电电容器201两端施加电压而被切换的剩余极化。也就是说，在没有电容器两端的电压的情况下，电容器的电介质是电性极化的。在存储一位的二进制存储器中，对铁电电容器进行操作从而使得电介质被完全向上或完全向下极化。如果在铁电电容器两端施加电压，则在铁电电容器中产生电场。如果电场方向与剩余极化的方向相同，则小电流在连接铁电电容器的两个电极的电路中流动。另一方面，如果所施加的电场在与剩余极化的方向相反的方向上，则剩余极化将改变方向以符合新的电场方向，并且大电流将在外部电路中流动。电流及其流过的电压的大小可以通过调整铁电电容器的组成、面积和厚度来设置。
当电流进入电流致动控制输入端205’时，开关203从高阻抗状态变为低阻抗状态。在自主存储器电路200中，假设输入线到开关203的电势独立于开关的状态保持在地电势下或附近。为了简化以下讨论，将假设电源轨为正，并且当在铁电电容器201的极板两端施加正磁道电势时设置“向上”剩余极化状态。然而，可以利用输入端以电源为参考并且输出端以地为参考的其他实施例。
首先，假设将铁电电容器201极化到向上状态。当电源被接通时，开关203初始地处于断开状态；因此，节点206处的电势朝V增大。由此，向铁电电容器201施加的场也将在向上方向上，并且铁电电容器201将不会翻转状态。相应地，很少电流将流入到开关203的输入端中，开关203将保持断开，并且自主存储器电路200的输出端将快速转到电势V。
接下来，假设将铁电电容器201极化到向下状态。当电源被接通时，在铁电电容器201两端施加的电场将与铁电电容器201的剩余极化的电场相反，并且铁电电容器201将试图翻转状态以匹配所施加的电场。在这种情况下，大得多的电流将流入到开关203的控制输入端中，并且开关203将进入导通状态。节点206将上升至小于V的中间状态。具体电势将取决于开关和导电负载的细节。中间状态将保持下去直到铁电电容器201完成切换到其向上状态为止。在那时，将不会有更多的电荷流出铁电电容器201，并且开关203将再次进入非导通状态。因此，然后，节点206上的电势将增大回V。
因此，在电源被接通之后，自主存储器电路200将在铁电电容器201切换状态所需的时间段内具有取决于铁电电容器201的极化状态的临时输出。如果铁电电容器201在电源被接通时是向上的并且并不切换，则输出将几乎立即升高。如果铁电电容器201在电源被接通时是向下的并且进行切换，则输出将转到以临时时间段内的电压Vs表征的中间状态，并且然后将升高。在该临时时间段之后，输出将总是很高，并且铁电电容器201将处于向上极化状态。
现在参照图8B，所述图示出了当自主存储器电路200被上电、铁电电容器201处于向上和向下状态时图8A中所示出的电源轨上的以及节点206上的作为时间的函数的电势。如果在铁电自主存储器电路200被上电时铁电电容器201处于向下状态，则节点206上的电势初始地随着电源轨电势而增大，直到节点206处的电势达到使铁电电容器201开始改变极化状态的值为止。随着铁电电容器201开始翻转极化，释放使开关203开始导通的电荷。如果开关203开始过多导通，则节点206上的电势开始下降，并且铁电电容器201停止切换。如果开关203没有足够导通，节点206上的电势更快地上升，导致铁电电容器201更快地切换，将更多电流强加到开关203的控制输入端，提高了其导电性。因此，随着具有缓慢上升率的具体中间值上的节点206的电势，电路稳定下来。以此方式，开关203的导电性的改变限制了节点206处的电压上升，直到铁电电容器201的状态改变完成为止。此时，将不再从铁电电容器201中释放进一步电荷，并且因此，开关管203将再次变为非导通的。铁电电容器201的转变期间的电势在以下讨论中将被称为“贮存电压”Vs。一般情况下，节点206处的电势的具体形状将取决于具体的开关实施方式。
具有连续状态的模拟铁电存储器单元可以由自主存储器电路200构建。首先考虑部分地极化铁电电容器201的情况。将假设的是，已将铁电电容器201的极化设置为向下状态，并且然后，指示存储在铁电电容器201中的值的电荷被引入铁电电容器201中，从而使得极化状态部分地朝向上极化状态移动。以下将更详细地讨论完成这一点的方式。
当自主存储器电路200在此部分极化状态中被上电时，节点206处的电压将会升高至贮存电压Vs。然而，此电压保持在贮存电压处的时间的长度将取决于朝向下状态的部分极化的程度。具体地，贮存周期的长度是存储在铁电电容器201中的电荷的函数。因此，通过测量当单元被上电时贮存周期的长度，可以确定存储在铁电电容器中的数据值。
在本发明的一方面，自主存储器单元用于通过将铁电电容器复位至向下状态并且然后将铁电电容器部分地切换至向上状态来存储模拟值。写入操作可以被看作是在将自主存储器单元完全复位至向上状态之前从被中断的完全向下状态对自主存储器单元进行复位。也就是说，写入操作沿搁架将电势移动至指示要存储数据的点。读取操作测量完成切换到向上状态所需的时间，并且因此，确定完成到向上状态的复位所需的电荷。
在本发明的一方面，通过导电负载202的电流是恒定的并且在通过开关203的电流与进入铁电电容器201的电流之间分流。在这种实施例中，存储在铁电电容器中的电荷与导电负载202导通此恒定电流所经历的时间成正比。因此，可以通过设置向导电负载施加电压V的时间将已知电荷存储在铁电电容器201中。可以通过连接导电负载和电压源以及通过测量节点206处的电势上升至V所需的时间来确定先前被存储在铁电电容器201中的电荷。
有利的是，使用开关203的CMOS FET晶体管在CMOS工艺中构建如图8A中所概述自主存储器单元等自主存储器单元。现在参照图9A，所述图展示了根据本发明的一个实施例的自主存储器单元的CMOS实施例。在自主存储器单元220中，开关203被实施为由FET 221和222组成的电流镜。因此，通过FET 221的电流是通过FET 222离开铁电电容器201的电流的设定部分。如果通道长度相同，则通过这两个FET的宽度的比例来确定这两股电流的比例。在一个实施例中，FET 222具有小于FET 221的宽度15倍的宽度。在这种情况下，FET 221镜像铁电电容器201强加通过FET 222的电流的15倍。在复位铁电电容器201期间，FET 205是非导通的并且复位电压接通FET 221以向来自的铁电电容器201(随着其切换至向下状态)的电荷提供接地的路径。在将数据写入到铁电电容器201中时，FET 205处于导通状态，从而使得流过FET 222的电流控制FET 221的导通性。
通过导电负载的电流的分流允许更易于被控制用于对铁电电容器201进行编程的更大电流。在一些情况下，有利的是，利用尽可能小的铁电电容器。因此，通过很小的电荷差异分离各种状态。控制电荷的这种小的差异会存在通过使用在铁电电容器201与流过FET221的充电电路的分支之间分流的更大的电荷而避免的挑战。
如果通过FET 205的电压降较小，则在FET 221与FET 222之间被分流的电流的一部分将是恒定的。如果电压降不是流过FET 222的电流的某个百分比，则其将会是通过导电负载202的电流的函数。由于提供输入的写入电路已知通过导电负载202的电流，所以在设置写入电压的持续时间时可以考虑这种依赖性。以下将更加详细地讨论在两条路径之间分流的电流的部分恒定的实施例。为了简化以下讨论，将假定可以忽略通过FET 205的电压降。
通过对输入线施以脉冲通过要写入铁电电容器201的数据值确定的时间长度而将数据写入铁电电容器201。脉冲的目标是将已知数量的电荷存储到铁电电容器201中，数量取决于要写入的数据值。电流镜确保将流过导电负载202的已知的部分电流转移到铁电电容器201。因此，为了将期望数量的电荷注入铁电电容器201中，通过导电负载202的平均电流必须是已知的。然后，以输入脉冲乘以通过导电负载202的平均电流乘以通过FET 222的电流的部分的时间跨度给出存储的电荷。
在一个示例性实施例中，导电负载202是恒定电流源。在这种情况下，电流是恒定且已知的，并且因此，脉冲宽度确定被存储的电荷。
在另一示例性实施例中，导电负载202是晶体管，在这种情况下，在晶体管两端的电势降确定流入铁电电容器201的电流。然而，应当注意的是，在导电负载202两端的电势降是铁电电容器201展示的输入和贮存电压处的电压之间的差异。由于贮存电压根据存储在铁电电容器201中的电荷而变化，所以脉冲长度仅大致地确定存储在铁电电容器201中的电荷。可以通过改变输入电压从而使得在导电负载202两端的电势差保持为预定值来利用更加精确的电荷测量，从而使得通过导电负载202的电流在脉冲内保持恒定。在这种情况下，脉冲宽度将再次确定存储在铁电电容器201中的电荷。
用于测量进入铁电电容器201的电荷的替代性方法是测量输入电压与感测线之间作为时间的函数的电势差以及在该差的积分达到取决于要写入的电荷的预定值时终止输入信号。
应当注意的是，上述实施例均通过将预定电荷插入铁电电容器201中来操作由要存储到铁电电容器201中的数据值确定的预定电荷。如以上所指出的，铁电电容器201的滞后曲线可以随着时间改变并且因铁电电容器阵列中的铁电电容器的不同而不同。通过插入预定电荷，实质上减少了与这些变化相关联的问题。相比之下，由于所存储的电荷量将取决于具体的铁电电容器以及之前的存储和复位事件历史，所以通过在(其中的电压由电荷确定的)铁电电容器两端施加电压将铁电电容器编程到中间极化状态不将已知电荷插入到铁电电容器中。
在将电荷存储到铁电电容器201之前，必须将铁电电容器201复位为在与输入信号试图极化铁电电容器的方向相反的方向上被完全极化。为了本讨论的目的，将假定输入信号是正的并且在图9A中的箭头所示的方向上初始地极化铁电电容器201。为了在这一方向上复位铁电电容器201，必须从复位节点在铁电电容器201两端施加大于或等于铁电电容器的饱和电压的电压。如果饱和电压小于FET 222导通的电压(通常大约0.7伏特)，则图9A中所示出的复位电路将在没有FET 205的情况下完成复位。复位线上的正脉冲与保持接地的感测线一起将对如所示出的铁电电容器201进行复位。
可以通过两种不同的方法来确定存储在铁电电容器201中的电荷。第一种方法测量在与复位操作中所设置的极化相反的方向上完全极化铁电电容器201所需的电荷。如以上所指出的，当在与图9A所示的方向相反的方向上完全极化铁电电容器201时，感测线上的电压将会返回至输入电压。在这种情况下，铁电电容器201将存储等于Q最大的电荷。因此，通过测量使感测线上的电压达到输入电压所需的电荷以及得知Q最大，可以确定存储在铁电电容器201中的电荷。当读取存储在铁电电容器201中的电荷以及因此存储在铁电电容器201中的数据值的这种方法将运行时，其取决于知道Q最大。然而，如以上所指出的，Q最大将因铁电电容器的不同而变化。另外，Q最大将随着铁电电容器201的寿命而变化。因此，这种方法并非是优选的。
现在参照图9B，所述图展示了根据本发明的一个实施例的自主位存储器的CMOS实施例。为了简化附图，仅示出了一个存储器单元。参照自主存储器单元220以类似于以上所描述的方式的方式对自主位存储器230进行写入。在栅极232导通时，FET 237和239形成电流镜。首先复位自主位存储器230，从而在箭头所示的方向(在本讨论中将会被称为向下方向)上完全极化铁电电容器201。将要写入自主位存储器230的数据值转换成要存储到铁电电容器201中的电荷并且以类似于以上所描述的方式的方式通过将电压施加到导电负载202来将此电荷强加到铁电电容器201中。所讨论的电荷趋于在与向下方向相反的方向上极化铁电电容器201。在写入操作期间，栅极232处于导通状态，并且因此，电流镜231采用以上参照图9A而描述的方式类似的方式进行操作。在写入操作期间，栅极236保持在非导通状态。
应当注意的是，自主位存储器230可以作为累加器来操作。复位铁电电容器201之后，执行多个写入操作。在每次写入中，将要添加至数据值之和的数据值转换为被添加至已经存储在铁电电容器201上的电荷中的电荷。因此，存储在铁电电容器201上的电荷表示写入的多个数据值之和。
复位铁电电容器201之后可以读出已被存储在铁电电容器201中的电荷，同时，将铁电电容器201复位为完全向下极化。优选以两个步骤执行读出操作。在第一步骤中，通过在栅极236保持非导通状态的同时将栅极234置于导通状态短时间段以将电容器233充电至复位电压VR。将栅极234返回到非导通状态之后，读出电路235读取充电周期结束时电容器233上的实际电势。接下来，将栅极232置于非导通状态并且将栅极236切换到导通状态从而连接电容器233和铁电电容器201。在读出操作期间，将栅极232置于非导通状态。因此，节点238上的电势最初将上升至足以使FET 239导通的VR。从而，在铁电电容器201两端施加电势。电势足以在向下方向上完全极化铁电电容器201。因此，迫使存储在铁电电容器201上的电荷从铁电电容器201离开并流过FET 239以接地。然后，计数器平衡电荷必须从电容器233流到铁电电容器201的相反极板上。由于电容器233与任何电路路径隔离，此补充电荷导致在电容器233两端的电压减小。读出电路235在复位操作之后测量电容器233上的电压并且从先前测量到的电压中减去这一电压以确定脱离铁电电容器201的电荷量。
读出操作也将会完全复位铁电电容器201，如果VR大于Vc+Q最大/C，其中，Vc是铁电电容器201的饱和电压，并且C是电容器233的电容。也就是说，VR必须足以确保已经从电容器233移除复位铁电电容器201所需要的所有电荷之后铁电电容器201经受饱和电压。
应当注意的是，优选电容器233较小。如果电容器233较大，那么读出操作期间电压的变化将会太小而不易于测量。另一方面，电容器233必须大到足以提供Q最大并且仍处于大于或等于铁电电容器201的饱和电压的电压下。电容器233被示出为离散电路元件时，应当注意的是，电容器233可以是FET的寄生电容或者读出电路235中的其他电路元件。
现参照图10，所述图展示了根据本发明的多状态铁电存储器的另一个实施例。铁电存储器100包括铁电存储器单元的多个行和列，所述铁电存储器单元中的铁电存储器单元101和102是典型的。为了简化附图，仅示出了列128。每个列中的铁电存储器单元连接至读取线和写入线。在107和106处分别示出了与列128相对应的读取线和写入线。铁电存储器100的读取/写入操作由控制器114控制，所述控制器接收ADDR总线122上的地址、总线123上的操作码、以及总线121上的或者要写入到铁电存储器100中的数据或者从讨论中的地址中读取的输出数据。
每个铁电存储器单元包括铁电电容器(比如铁电电容器117)和三个CMOS FET(比如FET 118，119和120)。FET 118和119充当栅极以便响应于行选择线上的信号而将铁电存储器单元连接至读取线和写入线。在108和109处示出了典型的行选择线。FET 120和125提供以上所讨论的电流镜。FET 125被列中的存储器单元中的所有存储器单元共享，以便减小阵列的面积。应注意的是，FET 125仅在写入操作期间以及列中只有一个存储器单元连接至复位/读取线107的操作期间使用。本发明的这个方面相对于每个单元中具有完整电流镜的实施例节省了巨大的空间。类似地，列128中的铁电存储器单元中的所有铁电存储器单元共享公共负载110。
通过以下方式将数据写入当前所选择的铁电存储器单元中：首先将相应铁电电容器复位到向下状态，并且然后通过计量取决于存储在铁电电容器中的数据值的电荷数量来在向上方向上部分地复位所述铁电电容器。以下讨论仅使用正电压；然而，还可以构造利用负电压的实施例。要选择的特定铁电存储器单元由控制器114从ADDR总线122上的值中确定。在总线121上接收要写入的值。
控制器114在FET 105处于非导通状态时通过将复位/读取线107上的电势设置成V来复位铁电电容器单元。这引起所选择的存储器单元中的FET 120传导从铁电电容器移位至地的任何电流。由此，在将铁电电容器极化到向下状态的方向上将电势V施加到铁电电容器。对V进行选择从而使得铁电电容器被完全极化到向下状态。
在铁电电容器已经被极化到向下状态之后，复位/读取线107与控制器114断开连接，并且FET 105被置于导通状态。要输入到铁电电容器的数据以数字形式被输入，并且然后转换为表示写入电路111将写入电压施加到负载110的时间开关的时间值，并且由此以类似于以上所讨论的方式计量连接至线106和107的铁电电容器上的电荷。如以上所指出的，在不在写入操作之间复位铁电电容器的情况下，每个存储器单元还可以通过将数据多次写入铁电电容器中而被用作累加器。
可以通过以上所讨论的两种方法中的任一种方法来从当前所选择的铁电电容器单元中读取数据。为了简化附图，读取电路包括在控制器114中。如果将通过确定在向上方向上极化铁电电容器所需要的电荷量来读取数据，则写入电路111将与输入电荷中所使用的写入电势相同的写入电势施加到铁电电容器，并且线106到达所述电势的时间由控制器114测量。
可替代地，控制器114可以包括以上关于图9B所讨论的读取电路。在此实施例中，FET 105被置于非导通状态，并且通过采用以上关于图9B所描述的方式确定预充电电容器上的电势的降低来测量存储在铁电电容器中的电荷。
在图10中所示出的实施例中，通过计量铁电电容器上的电荷来执行写入操作，所述计量通过在取决于被写入的值的时间段之后中断复位操作来进行。然而，可以利用用于计量铁电电容器上的电荷的其他方法。例如，还可以利用以上关于图7所讨论的电荷计量方案。
现参照图11，所述图展示了根据本发明的另一个实施例的铁电存储器。铁电存储器140利用固定电荷转移以便写入到铁电电容器。为了简化以下讨论，已经向铁电存储器140的提供类似于铁电存储器100中的元件的功能的那些元件给出了相同的数字标号。通过首先以如针对铁电存储器100所描述的方式相同的方式将铁电电容器复位到向下状态来将数据写入所选择的铁电存储器单元中的铁电电容器中。然后通过部分极化铁电电容器朝向向上状态来写入数据。要写入的数据首先通过写入电路143转换为施加到电容器141的电荷，所述电荷将电容器141充电至某个电压，所述电压取决于要转移的数据值。通过将FET144维持在非导通状态的同时将FET 142置于导通状态来将电荷加载到电容器141中。在电容器141已经被适当地充电之后，将FET 142置于非导通状态并且将FET 144置于导通状态，以便将电荷转移到当前所选择的存储器单元。在电荷转移期间，FET 105被置于导通状态。由此，强加到铁电电容器上的那部分电荷由FET 120和125的面积的比率确定。存储在铁电电容器中的电荷优选地由以上关于图10中所示出的实施例而讨论的第二种方法确定。
在此实施例中，对电流镜的使用是可选的。如果在电荷转移期间，复位/读取线接地，则FET 105和125可以从电路中省略，在这种实施例中，所有电荷将被强加到铁电电容器上。
本发明的以上描述的实施例假设铁电电容器是纯粹的电荷存储设备。在实践中，铁电电容器可以被看作平行于电容器的电荷存储设备，所述电容器存储不与铁电材料的剩余极化产生的电场相关联的电荷。在以下讨论中，此电容将被称为非剩余极化电容，并且相关联的电容器将被称为非铁电电容器。术语铁电电容器将继续用于响应于设备中的铁电材料的剩余极化而将电荷存储在其中的设备。随着铁电电容器上的电势的变化，电荷被存储在存储元件和相关联的非铁电电容器上或从其中移除。为了本申请的目的，存储在与铁电电容器相关联的存储设备中的电荷将被称为“存储在铁电电容器中的电荷”。
如果移动至相关联的非铁电电容器的电荷/从其中移除的电荷比移动至存储设备的电荷/从其中移除的电荷小，则相关联的非铁电电容器可以被忽略。然而，考虑铁电电容器的相关联的非铁电电容器的实施例可以提供改善的解决方案，由此允许构建具有增加数量的状态的实施例。参照图12，所述图展示了根据本发明的铁电存储器的另一个实施例。为了简化附图，仅示出了一个铁电存储器。铁电存储器单元270类似于图7中所示出的铁电存储器单元310；然而，铁电存储器单元被读出的方式已经改变，以便考虑在250处所示出的铁电电容器中的非铁电电容器252。在251处示出了电荷存储部件。
首先，在存在非铁电电容器252的情况下，考虑数据被写入存储设备251中的方式。写入电路的目标和步骤是将电荷Q存储在存储设备251中，其中，Q由要存储的数据确定。可以通过将电容器271充电至取决于Q的预定电压并且然后在将栅极262保持在非导通状态的同时将栅极268置于导通状态来将Q的一级近似存储在存储设备251和相关联的非铁电电容器252的组合中。写入线267上的电势然后由读取电路275读取和记录；由P1表示此电势。然后将栅极262置于导通状态，并且第二次读取写入线267上的电势。由P2表示第二电势。进入铁电电容器250的电荷由ΙΡ1-Ρ2Ι/C271给定，其中，C271是电容器271的电容。将电荷存储在或者相关联的非铁电电容器252上或者存储设备251中。存储在相关联非铁电电容器252中的电荷由|P2-V2|/C252给定，其中，C252是相关联的非铁电电容器252的电容。如果C252从铁电存储器的设计参数中已知，则此电荷以及由此存储在存储设备251上由写入操作引起的电荷被已知。如果存储在存储设备251上的电荷不等于与要存储的数据值相对应的电荷，则可以执行利用不同P1的第二写入操作，以便将电荷的附加增量强加到存储设备251上，并且重复所述过程直到期望数量的电荷已经存储在存储设备251上为止。
以上描述的写入过程假设相关联的非铁电电容器252的值被已知为足够准确。应注意的是，此值可以在存储器中从铁电电容器到铁电电容器发生轻微变化。因此，可能需要在写入过程期间确定C252的过程。在本发明的一方面，C252被确定为如下：假设存储设备251在向下状态中完全饱和，并且假设通过将写入线267连接至V2(通过写入电路269)来将在铁电电容器250两端的电势设置为零。铁电电容器250然后与写入线267隔离。由此，在所述过程开始时，非铁电电容器252上不存在电荷，并且没有进一步电荷可以通过由写入线267上的电势引起的小于V2的电势差加载到存储设备251上。
首先，电容器271被充电至P2(小于V2)，栅极268处于非导通状态。在被这样充电后，电容器271通过所述写入电路内部的栅极与写入电路269隔离，并且在栅极262维持非导通的同时栅极268被置于导通状态。写入线267上的电势将为P2或与所述值非常接近的值。读取电路275测量所述电势，并且然后栅极262被置于导通状态。由于在存储设备251两端的电势无法强加附加电荷到存储设备251中或存储设备外，因此仅非铁电电容器252上的电荷可以移动。任何移动的电荷将由在相关联的非铁电电容器252两端的在最终电势P3和P2之间的电压差引起。移动的电荷存储在电容器271上。在栅极262被放在导通状态之后，将写入线267上的电势表示为P3。然后，移动的电荷为Qm＝|P2-P3|/C271。由此，C252＝Qm/|P2-P3|。因此，写入电路可以补偿相关联的非铁电电容器252中从铁电电容器到铁电电容器的变化。
在写入操作结束时，通过利用写入电路269将写入线267上的电势设置为V2以及将铁电电容器250连接至写入线267来移除存储在相关联的非铁电电容器252上的任何电荷。这移除了在非铁电电容器252和存储设备251两端的任何电势差。存储设备251中的电荷不通过此操作改变。然而，留在非铁电电容器252中的任何电荷被移除。
可以以相似的方式完成读取操作。读取操作采用与以上所描述的方式相似的方式开始。当铁电电容器250与电容器255隔离时，电容器255利用栅极261被充电为第一电势V4。电容器255上的电势的实际值由读出电路274通过源极跟随器263和栅极264读出，并且被存储为耦合读取线266上的电势的P5。此电势被存储在读取电路274中。然后，栅极256被置于导通状态。电势V4被设置成使得V4-V2高于将把铁电电容器250复位到完全极化的向上状态的电势。由此，存储在存储设备251上的任何电荷从存储设备251中被逐出，并且移动至现在平行地连接的非铁电电容器252和电容器255。然后，再次读出源极跟随器263的栅极处的电压。由P6表示此电压，存储在存储设备上的电荷Q＝|P5-P6|/(C271+C255)。如果C252是已知的，则除了将结果数字化以外，完成读出。
如果C252不是已知的，则可以采用与以上所描述的方式类似的方式来对其进行确定。例如，V4可以增大至高于P5的电势P6，并且然，电容器255被充电至P6，而相关联的非铁电电容器252与电容器255隔离。通过将写入线267设置为V2来将电容器255两端的电势设置为零。因此，当栅极256被设置为导通状态时，电荷将从电容器255流动至相关联的非铁电电容器252，导致电容器255处的电势减小。然后，可以根据这种电势减小的量来确定电容器255和非铁电电容器252的相对大小，并且因此，可以针对铁电电容器250中的相关联非铁电电容而校正由读出电路274从铁电存储器单元270中测量的电荷。
应当注意的是，存在用于确定非剩余极化的其他方法。例如，考虑这样的读取操作：在所述读取操作中，通过将铁电电容器的状态复位至原始极化状态以及测量离开铁电电容器的电荷来确定存储在铁电电容器中的电荷。如果执行读取操作两次，则第一读取将测量与剩余极化和非剩余极化之和相关联的电荷。第一读取操作将把铁电电容器留在饱和状态。因此，将不存在要在此状态下移除的剩余电荷。相应地，第二读取操作将读取费剩余电荷。两个读取结果之差是存储在铁电电容器中的剩余电荷。
本发明的上述实施例涉及数字存储器，在所述数字存储器中的每个铁电存储器单元存储并检索数字值。然而，还可以构造存储和检索模拟值的实施例。在这种实施例中，写入电路接收模拟值而不是被转换成存储在铁电电容器上的电荷的数字值。然后，读取电路输出表示存储在铁电电容器上的电荷的模拟值。
上述实施例利用铁电电容器被复位至已知状态、被一次写入并且然后被读取的方案。然而，还可以构造在铁电电容器被复位之后对其进行多次写入的实施例。这种实施例提供“累加器”功能。例如，铁电电容器首先被复位至向下状态，然后第一电荷Q1被转移至将极化朝向上状态移动的铁电电容器。一段时间以后，第二电荷Q2被转移至将铁电电容器进一步朝向上状态移动的铁电电容器，等等。当对铁电电容器进行最终读取时，输出将等于Q值之和。因此，铁电电容器将充当模拟加法电路。
对于图12中的电路和图9B的自主存储器电路，可以通过将铁电电容器复位至向上状态以及然后转移将极化朝向下状态移动的已知电荷来获得已知极化状态。
应当注意的是，可以通过将铁电电容器复位至在向上状态与向下状态之间的状态来构造更一般的累加功能。可以通过以下方式来实现这一点：将铁电电容器复位至向下状态以及然后存储趋于将铁电电容器朝向上状态移动的已知电荷。现在可以将电荷转移至通过设置电荷的大小和充电电压的极性来将极化朝向上状态或向下状态移动的铁电电容器。例如，图3中在32处示出的数模转换器可以被配置成用于使用正电势或负电势来对电容器33进行充电。当对铁电电容器进行最终读取时，结果将是所存储的电荷之和，条件是在每个中间状态下的总存储电荷不超过Q最大。
在多个写入实施例的子集中，每次写入将固定电荷移动至铁电电容器。在这种情况下，最终写入铁电电容器的值仅是脉冲之和。这种模式可以用于通过使用要存储的数字数据值来设置脉冲的数量从而对铁电电容器进行编程。
在上述实施例中，写入电路是存储器的一部分。然而，还可以构造写入电路在存储器之外的实施例。将电荷强加到铁电电容器上的电量很小。考虑存储器单元具有单个存储器单元的情况。再次参照图3。写入电路包括数模转换器32和电容器33和开关36。如果铁电电容器31是“暴露”于此写入电路的唯一铁电电容器，则存储在电容器33中的电力足以写入状态或将向已经存储在铁电电容器31中的电荷添加附加电荷。在这个意义上，电路的包括铁电电容器31的其余部分并不需要在以上所描述的写入或累加供能期间被供电。在仅具有一个铁电电容器的存储器中，容易实现暴露此电容器以供外部写入。例如，在此参照图7。如果铁电存储器单元310是存储器中的唯一存储器单元，则可以省略栅极84和88。如果写入电路75可以提供反向电压电平和正向电压电平，则可以将V2设置为地电势。然后，可以通过将外部写入电路连接至线73来设置铁电电容器82的状态。为了读取铁电电容器82的状态，铁电存储器单元310将连接至线72上的读出电路以及读取当对铁电电容器82进行复位时从铁电电容器82中释放的电荷所需的电路。在具有多个这种铁电电容器的存储器中，寻址电路还必须被配置成由外部写入电路供电。
在上述实施例中，通过在已经将铁电电容器设置为已知开始状态之后设置传输至铁电电容器的电荷来对铁电电容器进行编程。再次参照图8A和图8B。在铁电电容器存储器单元的此实施例中，通过中断将状态从向下“翻转”为向上来存储数据。在上述实施例中，通过以下方式来实现这一点：限制电荷转移或使用某种形式的定时器来在到达期望点时停止过程。应当注意的是，贮存电压区域实际上由随着时间而增大的贮存电压表征。此贮存电压区域的斜率取决于所利用的特定铁电电容器。如果图8A中所示出的电压V被设置成在贮存区域期间到达的值，则将不会完成翻转过程。相反，铁电电容器将被保持在由V表征的部分极化状态。相应地，可以通过将铁电电容器完全极化在向下状态以及然后施加通过要存储的数据来确定的电压V来设置铁电电容器的状态。
现在参照图13A，所述图展示了可以用于设置铁电电容器的极化状态的写入电路的另一个实施例。铁电存储器单元300与以上参照图8A而讨论的存储器单元类似，并且因此，已经为服务于与关于图8A而讨论的元件的功能相同的功能的元件给定相同的标号。在铁电存储器单元300中，导电负载202连接至确定向铁电电容器201施加的电势的写入电路301。此外，写入电路301设置电流致动控制输入端205’上的电势。在将数据写入到铁电电容器201中之前，写入电路301在将铁电电容器复位至向下状态的铁电电容器201两端施加电势差V。然后，通过将输入数据转换成如图13B中所示出的最小贮存电压与最大贮存电压V最小和V最大之间的电压Vd来将数据写入铁电电容器201。向如图13A中所示出的导电负载202施加此电势。一旦节点206到达Vd，任何进一步电荷都不会转移到铁电电容器201中，并且因此，写入操作将终止将铁电电容器201留在期望状态。
可以使用类似策略来过载非破坏性读取操作。当通过将导电负载处的电势设置为大于对铁电电容器进行编程的贮存电压的值来向经编程的铁电电容器施加电力时，节点206处的电压上升至在写入周期结束时存在的贮存电压。此电压由读取电路302读取，并且然后，电势返回至低于贮存电压的水平。铁电电容器的状态将不会显著变化，条件是在电势高于所讨论的电压的时间期间转移到或者转移出铁电电容器的电荷很小。可以通过在读取过程期间将导电负载设置为足够高并且将所施加的电压与所读取的贮存电压之间的电压差设置为尽可能小来将所转移的电荷最小化。例如，读取电压可以被设置为V最大。然后，可以将所读取的贮存电压转换成存储在铁电存储器单元中的数据值。
图13A中所示出的电路还可以用于实施其他读出方案。如以上所指出的，用于读取铁电电容器201的状态的一种方法是确定从当前状态到完全极化的向上状态的转变所需的电荷。再次参照图13B，在本发明的一方面，读取电路确定节点206处的电压到达贮存电压Ts的时间与当写入电路向导电负载施加电势V时，电压离开贮存电压Tf的时间之差。可以直接测量或者通过对导电负载施以脉冲以及对在脉冲期间使节点206处的电势处于Vf所需的脉冲的数量进行计数来间接确定所述时间。
再次参照图9A。如以上所指出的，由于FET 205导通时在FET 205两端的电压降，所以来自输入信号的电流的流过电流镜的每个分支的部分将不会恰好不变。在一些情况下，从电流的固定部分流过电流镜的每个分支的理想情况中分离出来的电流差并不变更对存储器单元的操作。例如，如果要存储在存储器单元中的数据状态的数量足够小，则可以容忍所产生的对铁电电容器进行编程时的错误。在这种情况下，所分离的电流将被说成是基本上不变的。然而，在需要更多状态的情况下，替代性存储器单元配置是优选的。
现在参照图14，所述图展示了根据本发明的另一个实施例的自主存储器单元的CMOS实施例。在自主存储器单元330中，FET 337和338形成常规电流镜。在复位期间，FET332被置于非导通状态，并且FET 339经由反相器340被设置成导通状态。因此，通过FET 339提供了到地面的路径，以便电荷响应于复位信号而离开铁电电容器341。
本发明的上述实施例利用PZT铁电电容器。然而，其他铁电材料可以用于铁电电容器中的电介质。例如，可以利用基于PLZT、PLT、钛酸钡、铁酸铋、PVDF、铌酸锂、如铌钽酸锶铋等Y1陶瓷、以及如PVDF等各种有机聚合物的铁电电容器。
在上述实施例中，特定极化方向被定义为向上方向。然而，要理解的是，这种定义是任意的并且可以颠倒向上方向和向下方向。
已经提供了本发明的上述实施例以说明本发明的各个方面。然而，要理解的是，在不同的具体实施例中所示的本发明的不同方面可以被结合以提供本发明的其他实施例。此外，对本发明的各种修改将在上述说明和附图中变得清晰。因此，本发明仅受以下权利要求书的范围的限制。

Claims (16)

1.一种存储器单元，包括：铁电电容器；以及
电路，所述电路具有连接在第一端子与第二端子之间的第一电流路径和第二电流路径，其中，所述第一电流路径包括与第一FET串联连接的所述铁电电容器，所述第一FET具有短路连接至所述第一FET的源极的栅极，并且所述第二电流路径包括连接在所述第一端子与所述第二端子之间的第二FET。
2.如权利要求1所述的存储器单元，其中，所述铁电电容器由第一铁电电容器端子和第二铁电电容器端子表征，所述第一铁电电容器端子连接至所述第一端子，并且其中，所述第一电流路径包括：第三FET，所述第三FET具有连接至所述第二铁电电容器端子的源极和连接至所述第一FET的漏极，所述第二FET具有连接至所述第二铁电电容器端子的栅极。
3.如权利要求1所述的存储器单元，其中，所述铁电电容器由能够存储在所述铁电电容器中的最大电荷表征，并且其中，所述存储器单元进一步包括连接至所述第一端子的写入电路，所述写入电路通过所述第一端子转移电荷量，所述电荷量由输入至所述写入电路的数据值确定并且独立于所述最大电荷。
4.如权利要求3所述的存储器单元，其中，所述数据值具有多于三个不同状态。
5.如权利要求3所述的存储器单元，进一步包括读取电路，所述读取电路确定已经由所述写入电路存储在所述铁电电容器中的电荷量。
6.如权利要求5所述的存储器单元，其中，所述读取电路包括：
复位电容器；
用于将所述复位电容器预充电至第一电压的电路；
在所述复位电容器已经被充电至所述第一电压之后将所述复位电容器连接至所述铁电电容器的电路；以及
在所述复位电容器已经连接至所述铁电电容器之后测量所述复位电容器上的电压的电路。
7.如权利要求6所述的存储器单元，其中，所述铁电电容器由能够存储在所述铁电电容器上的最大电荷以及饱和电压表征，并且其中，所述第一电压被选择为使得当与所述最大电荷相等的电荷从所述铁电电容器转移至所述复位电容器时，所述铁电电容器处于大于所述饱和电压的电压下。
8.如权利要求5所述的存储器单元，其中，所述铁电电容器由能够存储在所述铁电电容器上的最大电荷表征，并且其中，所述读取电路确定为使所述铁电电容器存储所述最大电荷而必须向存储在所述铁电电容器中的电荷添加的电荷。
9.一种铁电存储器，包括：
多条写入线，每条写入线被连接到第一端子；
多条读取线；
多个铁电存储器单元，被布置为多个行和列；所述写入线中的一条和所述读取线中的一条由给定列中的所有所述铁电存储器单元共享，每个铁电存储器单元包括铁电电容器、第一FET、写入栅极和读取栅极，所述铁电电容器连接在所述第一FET的栅极和源极之间，所述写入栅极将所述第一FET的所述源极连接到所述写入线，并且所述读取栅极将所述第一FET的所述栅极连接到所述读取线，所述第一FET的漏极连接到第二端子；
每条读取线连接到第二FET的源极，所述第二FET的栅极短路连接到所述第二FET的源极并且所述第二FET的漏极连接到所述第二端子；
多条铁电存储器单元选择总线，所述铁电存储器单元选择总线之一与所述铁电存储器单元的每一行相对应，所述行中的每个铁电存储器单元的所述写入栅极和所述读取栅极连接到所述铁电存储器单元选择总线；
写入电路，所述写入电路使电荷存储在连接至所述写入线的所述铁电存储器单元的所述铁电电容器中，所述电荷具有由输入至所述写入电路的数据值确定的值；以及
读取电路，所述读取电路测量存储在连接至所述读取线的所述铁电存储器单元的所述铁电电容器中的所述电荷以便生成输出值，所述输出值与存储在所述铁电电容器中的数据值相对应。
10.如权利要求9所述的铁电存储器，其中，所述读取线包括电流镜的第一分支，并且所述铁电存储器单元处于所述电流镜的第二分支中。
11.如权利要求10所述的铁电存储器，其中，所述电流镜的所述第一分支和所述第二分支被配置成使得进入所述铁电存储器单元的电流的固定部分进入所述铁电存储器单元中的所述铁电电容器，所述固定部分独立于连接至所述读取线的所述铁电电容器的最大电荷，所述铁电电容器由能够存储在所述铁电电容器中的所述最大电荷表征。
12.如权利要求9所述的铁电存储器，其中，存储在所述铁电电容器中的所述数据值具有多于三个不同的值。
13.如权利要求9所述的铁电存储器，进一步包括读取电路，所述读取电路确定存储在连接至所述读取线的所述铁电电容器中的电荷。
14.如权利要求13所述的铁电存储器，其中，所述电荷通过以下方式来确定：测量在所述铁电电容器被复位到完全极化状态时离开所述铁电电容器的电荷。
15.如权利要求13所述的铁电存储器，其中，所述电荷通过以下方式来确定：测量为使所述铁电电容器被复位到完全极化状态而必须向所述铁电电容器中的所述电荷添加的电荷。
16.如权利要求9所述的铁电存储器，其中，所述铁电存储器单元中的一个铁电存储器单元包括电流镜，所述电流镜具有连接在第一端子与第二端子之间的第一电流路径和第二电流路径，所述铁电存储器单元中的所述铁电电容器串联连接在所述第一电流路径中，从而使得进入所述第一端子的电流的固定部分独立于所述电流而进入到所述铁电电容器中。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9881661B2 (en) * 2016-06-03 2018-01-30 Micron Technology, Inc. Charge mirror-based sensing for ferroelectric memory
US9899073B2 (en) * 2016-06-27 2018-02-20 Micron Technology, Inc. Multi-level storage in ferroelectric memory
US10153021B1 (en) 2017-06-09 2018-12-11 Micron Technology, Inc. Time-based access of a memory cell
US10153022B1 (en) 2017-06-09 2018-12-11 Micron Technology, Inc Time-based access of a memory cell
US10600468B2 (en) * 2018-08-13 2020-03-24 Wuxi Petabyte Technologies Co, Ltd. Methods for operating ferroelectric memory cells each having multiple capacitors
KR102655202B1 (ko) * 2021-09-27 2024-04-08 한국과학기술원 강유전체 전계효과 트랜지스터 기반의 비휘발성 다수결 함수 로직-인-메모리

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5751627A (en) * 1994-12-26 1998-05-12 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Memory cell that can store data nonvolatily using a ferroelectric capacitor, and a semiconductor memory device including such a memory cell
WO2011156525A2 (en) * 2010-06-09 2011-12-15 Radiant Technologies, Inc. Ferroelectric memories based on arrays of autonomous memory bits
CN103026414A (zh) * 2010-06-11 2013-04-03 拉迪安特技术公司 由铁电电容器控制的可变阻抗电路
US8760907B2 (en) * 2010-11-30 2014-06-24 Radiant Technologies, Inc. Analog memories utilizing ferroelectric capacitors

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100268947B1 (ko) * 1998-04-03 2000-10-16 김영환 비휘발성 강유전체 메모리 및 그의 제어회로
JP3875416B2 (ja) * 1998-11-11 2007-01-31 富士通株式会社 強誘電体記憶装置
JP3662163B2 (ja) * 2000-03-06 2005-06-22 シャープ株式会社 強誘電体メモリ及びその駆動方法
JP4047531B2 (ja) * 2000-10-17 2008-02-13 株式会社東芝 強誘電体メモリ装置
US6584007B2 (en) * 2000-12-29 2003-06-24 Stmicroelectronics, Inc. Circuit and method for testing a ferroelectric memory device
KR100451762B1 (ko) * 2001-11-05 2004-10-08 주식회사 하이닉스반도체 불휘발성 강유전체 메모리 장치 및 그 구동방법
JP2006260742A (ja) * 2005-02-15 2006-09-28 Sanyo Electric Co Ltd メモリ
KR102043723B1 (ko) * 2013-02-28 2019-12-02 에스케이하이닉스 주식회사 반도체 장치 및 이를 포함하는 프로세서와 시스템

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5751627A (en) * 1994-12-26 1998-05-12 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Memory cell that can store data nonvolatily using a ferroelectric capacitor, and a semiconductor memory device including such a memory cell
WO2011156525A2 (en) * 2010-06-09 2011-12-15 Radiant Technologies, Inc. Ferroelectric memories based on arrays of autonomous memory bits
CN103026415A (zh) * 2010-06-09 2013-04-03 拉迪安特技术公司 基于自主存储器位阵列的铁电存储器
CN103026414A (zh) * 2010-06-11 2013-04-03 拉迪安特技术公司 由铁电电容器控制的可变阻抗电路
US8760907B2 (en) * 2010-11-30 2014-06-24 Radiant Technologies, Inc. Analog memories utilizing ferroelectric capacitors

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