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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Speicherzellenschaltung, auf ein
Speicherbauelement, insbesondere ein nichtflüchtiges Halbleiterspeicherbauelement,
und ein zugehöriges
Betriebsverfahren.
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Halbleiterspeicherbauelemente
benutzen typischerweise Gleichstrom (DC) bei unterschiedlichen Spannungspegeln,
die von einem Gleichspannungsgenerator im Speicherbauelement erzeugt
werden. Die vom Speicherbauelement zu benutzenden Gleichspannungs-Sollpegel
werden üblicherweise
in der Entwurfsphase festgelegt. Im Idealfall sind die tatsächlich vom
Gleichspannungsgenerator erzeugten Spannungen identisch mit den
Sollspannungen. In der Praxis sind die tatsächlich erzeugten Spannungen
jedoch aufgrund von Prozessschwankungen in der Herstellungsphase
meist verschieden von den Sollwerten. Daher werden Laserschmelzsicherungen eingesetzt,
um die tatsächlichen
Spannungen auf die Sollwerte einzustellen, ohne eine Maskenrevision
zu benötigen.
Laserschmelzsicherungsmethoden erlauben es dem Hersteller, die Spannungs-Istwerte
auf die Sollwerte durch selektives Durchtrennen einer oder mehrerer
Schmelzsicherungen, die mit dem Gleichspan nungsgenerator verbunden
sind, mittels Laserstrahlung einzustellen. Schaltungen, die zum Einstellen
der tatsächlichen
Spannung unter Verwendung der Laserschmelzsicherungen benutzt werden, werden
als Trimmschaltungen bezeichnet.
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Lasertrimmschaltungen
können
auch dazu verwendet werden, ein Speicherbauelement mit defekten
Speicherzellen zu reparieren, die während des Herstellungsprozesses
festgestellt werden. Zusätzliche
Speicherzellen, sogenannte Redundanzzellen, werden zum Reparieren
des Speicherbauelements benutzt, das defekte Speicherzellen aufweist.
Wenn eine Speicherzelle defekt ist, ersetzt die Reparaturschaltung
die defekte Speicherzelle durch eine redundante Speicherzelle, indem
eine oder mehrere Schmelzsicherungen in einer sogenannten Laserschmelzsicherungsbox
durchtrennt werden.
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Die
Verwendung von Laserschmelzsicherungen in Trimm- oder Reparaturschaltungen
ist jedoch mit diversen Problemen behaftet. Erstens wird für den Einsatz
einer Laserschmelzsicherung eine zusätzliche Maske benötigt. Zweitens
gelangen Herstellungsprozesse für
Halbleiterspeicherchips immer mehr zu einem Punkt, an dem Laserschmelzsicherungen
nicht mehr geeignet sind, da die Halbleiterspeicherchips kontinuierlich
einer weiteren Miniaturisierung unterliegen. Denn für die Verringerung
der Abmessung von Laserschmelzsicherungen gibt es eine Grenze, und
daher ist der Einsatz von Laserschmelzsicherungen mit reduzierten
Speicherchipabmessungen weniger effektiv. Drittens werden zum Durchtrennen
einer Laserschmelzsicherung einige Testprozeduren bezüglich elektrischer
Einzelchipsortierung (EDS) und zugehörige Testausrüstung benötigt. Viertens
kann entsprechende Schmelzsicherungsinformation nach Montieren des
Speicherbauelements in einer Packung nicht mehr verändert werden.
Fünftens
kann eine Laserschmelzsicherung nicht mehr wieder leitend gemacht
werden, wenn sie durchtrennt worden ist.
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Der
Erfindung liegt daher als technisches Problem die Bereitstellung
einer Speicherzellenschaltung, eines Speicherbauelements und eines
zugehörigen
Betriebsverfahrens zugrunde, welche die oben erwähnten Schwierigkeiten des Standes
der Technik von Speicherzellenschaltungen und nichtflüchtigen
Speicherbauelementen, die Schmelzsicherungsanordnungen verwenden,
ganz oder teilweise vermeiden.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch die Bereitstellung einer Speicherzellenschaltung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eines Speicherbauelements mit
den Merkmalen des Anspruchs 3 oder 8 und eines Betriebsverfahrens
mit den Merkmalen des Anspruchs 25.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend
beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer schmelzsicherungsfreien Speicherzellenschaltung,
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2 ein
detaillierteres Schaltbild einer schmelzsicherungsfreien Schaltung
gemäß 1,
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3 ein
Blockdiagramm eines schmelzsicherungsfreien Halbleiterspeicherbauelements,
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4 ein
Blockdiagramm eines schmelzsicherungsfreien nichtflüchtigen
Speicherbauelements,
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5 ein
Blockdiagramm eines weiteren schmelzsicherungsfreien nichtflüchtigen
Speicherbauelements,
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6 ein
Blockdiagramm einer im Speicherbauelement von 5 verwendbaren
Zwischenspeicherschaltung,
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7 ein
Blockdiagramm einer in der Zwischenspeicherschaltung von 6 verwendbaren Zwischenspeicherschaltungseinheit,
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8 ein
detaillierteres Schaltbild einer möglichen Realisierung für die Zwischenspeicherschaltungseinheit
von 7 und
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9A bis 9F Schaltbilder
verschiedener möglicher
Realisierungen von Schaltern zur Verwendung im Speicherbauelement
von 5.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße schmelzsicherungsfreie
Schaltung 100 mit einer nichtflüchtigen Speicherzelle 110 und
einem Schalter 120. Die nichtflüchtige Speicherzelle 110 speichert Schmelzsicherungsinformation.
Der Schalter 120 wird in Reaktion auf die Schmelzsicherungsinformation
leitend oder sperrend geschaltet. Beispielsweise wird der Schalter 120 leitend
geschaltet, wenn Daten mit logischem Wert „1" in der nichtflüchtigen Speicherzelle 110 gespeichert
sind. Dies entspricht dem Fall einer Schmelzsicherung in einem nicht
durchtrennten, verbindenden Zustand. Wenn hingegen Daten mit logischem
Wert „0" in der nichtflüchtigen Speicherzelle 110 gespeichert
sind, ist der Schalter 120 sperrend geschaltet, was dem
Fall einer Schmelzsicherung in einem durchtrennten, unterbrechenden
Zustand entspricht. Folglich ergibt die schmelzsicherungsfreie Schaltung 100 den
gleichen Effekt wie der durchtrennte und der nichtdurchtrennte Zustand
einer Schmelzsicherung, wobei ein mit einer nichtflüchtigen
Speicherzelle gekoppelter Schalter verwendet wird.
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2 zeigt
eine mögliche
Implementierung einer derartigen schmelzsicherungsfreien Schaltung 200 mit
einer Flashspeicherzelle 210 als nicht flüchtige Speicherzelle
und mit einem NMOS-Transistor 220 als Schalter. Der NMOS-Transistor 220 wird
in Reaktion auf Daten, die in der Flashspeicherzelle 210 gespeichert
sind, leitend oder sperrend geschaltet.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen schmelzsicherungsfreien
Halbleiterbauelements 300 z.B. in Form einer integrierten Schaltung.
Obwohl das schmelzsicherungsfreie Halbleiterbauelement 300 keine
Schmelzsicherung benutzt, wird bei ihm der gleiche Effekt wie bei
Verwendung einer Schmelzsicherung erzielt. Dazu beinhaltet das schmelzsicherungsfreie
Halbleiterbauelement 300 ein nichtflüchtiges Speicherbauelement 310,
ein flüchtiges
Speicherbauelement 320 und ein Nichtspeicherbauelement 330.
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Das
nichtflüchtige
Speicherbauelement 310 speichert Schmelzsicherungsinformation
in einer Speicherzelle. Die darin gespeicherte Schmelzsicherungsinformation
wird auch dann beibehalten, wenn eine zugeordnete Energieversorgung
unterbrochen wird. Die Schmelzsicherungsinformation kann von dem
nichtflüchtigen
Speicherbauelement 310 bzw. der dieses verkörpernden
nichtflüchtigen
Speicherzelle beispielsweise während
eines Einschaltvorgangs abgegeben werden.
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Wenn
die Energieversorgung unterbrochen wird, verliert das flüchtige Speicherbauelement 320, z.B.
ein DRAM oder SRAM, die darin gespeicherten Daten. Das integrierte
Halbleiterschaltkreisbauelement 300 beinhaltet das Nichtspeicherbauelement 330 in
integrierter Form, wobei das flüchtige Speicherbauelement 320 und/oder
das Nichtspeicherbauelement 330 Schalter 321, 331 und
einstellbare Schaltungen 322, 323 beinhalten.
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Die
Schalter 321 und 331 werden in Reaktion auf Schmelzsicherungsinformation,
die vom nichtflüchtigen
Speicherbauelement 310 abgegeben wird, elektrisch leitend
oder sperrend geschaltet. Die Ein- und Ausschaltvorgänge der
Schalter 321 und 331 emulieren den nichtdurchtrennten
bzw. den durchtrennten Zustand einer Schmelzsicherung.
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Die
einstellbaren Schaltungen 322 und 332 dienen z.B.
zum Einstellen einer Spannung auf einen Sollpegel oder zum Einstellen
einer Adresse einer defekten Speicherzelle in Reaktion auf den Ein-
oder Ausschaltvorgang der Schalter 321 und 331.
Jede einstellbare Schaltung 322, 332 kann z.B.
eine Trimmschaltung oder eine Reparaturschaltung umfassen. Beispielsweise
kann eine Trimmschaltung dazu verwendet werden, einen Spannungsgenerator einzustellen,
der eine Gleichspannung auf einem konstanten Pegel erzeugt. Die
Schalter 321 und 331 können anstelle einer Laserschmelzsicherung
in Reaktion auf die Schmelzsicherungsinformation leitend oder sperrend
geschaltet werden, wodurch die Ausgangsspannung des Gleichspannungsgenerators
auf die Sollspannung eingestellt wird. Als weiteres Beispiel kann
die einstellbare Schaltung 322 eine Reparaturschaltung
enthalten oder Teil einer solchen sein, die ihrerseits in einem
Halbleiterspeicherbauelement enthalten ist, wie einem DRAM oder
SRAM. Die Reparaturschaltung kann zum Ersetzen einer defekten Zelle
durch eine redundante Zelle benutzt werden. Die defekte Speicherzelle
kann unter Verwendung des Schalters 321 ersetzt werden,
der abhängig
von der Schmelzsicherungsinformation leitend oder sperrend geschaltet
ist.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
kann das integrierte Halbleiterschaltkreisbauelement 300 beispielsweise
ein NAND-Flashspeicher mit einer NOR-Schnittstelle sein, wie das
Flashbauelement OneNAND® von Samsung. Ein derartiger NAND-Flashspeicher
mit NOR-Schnittstelle beinhaltet ein nichtflüchtiges Speicherbauelement
z.B. vom NAND-Typ, ein flüchtiges
Speicherbauelement, z.B. ein SRAM, und ein Nichtspeicherbauelement
wie z.B. ein Register.
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4 zeigt
im Blockdiagramm ein schmelzsicherungsfreies nichtflüchtiges
Speicherbauelement 400 mit einem Speicherzellenfeld 410,
Schaltern 421, 422 und 423 und einer
internen einstellbaren Schaltung 430. Das Speicherzellenfeld 410 speichert Schmelzsicherungsinformation
an einer spezifischen, durch einen Sicherheitsblock 411 definierten Stelle
und ist in einem Speicherbereich, auf den ein allgemeiner Nutzer
Zugriff hat, und einen spezifischen Speicherbereich aufgeteilt,
auf den ein normaler Nutzer keinen Zugriff hat. Auf den Sicherheitsblock 411 kann
vom allgemeinen Nutzer nicht zugegriffen werden, d.h. dieser stellt
einen spezifischen, vom Hersteller genutzten Bereich dar, z.B. ein
sogenannter CDROW-Block oder OTP-Block in einem Flashspeicherbauelement.
Die Schalter 421, 422 und 423 werden
abhängig
von der vom Sicherheitsblock 411 des schmelzsicherungsfreien
nichtflüchtigen Speicherbauelements 410 abgegebenen
Schmelzsicherungsinformation elektrisch leitend oder sperrend geschaltet.
Die Ein- und Ausschaltvorgänge
bzw. Ein- und Ausschaltzustände
der Schalter 421, 422 und 423 entsprechen
den Vorgängen
bzw. Zuständen
einer nicht durchtrennten bzw. einer durchtrennten Schmelzsicherung.
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Die
interne einstellbare Schaltung 410 ist mit beiden Anschlüssen jedes
Schalters 421, 422 und 423 verbunden.
Abhängig
vom Ein- oder Ausschaltzustand der Schalter 421, 422 und 423 liefert
die interne einstellbare Schaltung 430 die gleichen Resultate
wie Vorgänge
zum Nichtdurchtrennen oder Durchtrennen einer Schmelzsicherung.
Die interne einstellbare Schaltung 430 beinhaltet Trimmschaltungen 431 und 433 sowie
eine Reparaturschaltung 432. Die Trimmschaltungen 431 und 433 stellen
einen Spannungspegel auf einen Sollwert ein. Die Reparaturschaltung 432 ersetzt
eine defekte Speicherzelle durch eine redundante Speicherzelle.
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5 zeigt
ein weiteres schmelzsicherungsfreies nichtflüchtiges Speicherbauelement 500 gemäß der Erfindung
mit einem Speicherzellenfeld 510, einer Datenausgabesteuereinheit 520,
einer Zwischenspeicherschaltung 530, einer Verwaltungseinheit
(Scheduler) 540, Schaltern 551, 552 und 553 und einer
internen einstellbaren Schaltung 560. Das Speicherzellenfeld 510,
die Schalter 551, 552 und 553 sowie die
interne einstellbare Schaltung 560 haben den gleichen Aufbau
und die gleiche Betriebsweise wie die entsprechenden Elemente von 4, so
dass insoweit auf deren obige Beschreibung verwiesen werden kann.
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Die
Datenausgabesteuereinheit 520 empfängt eine Anzahl n von Bits
an Schmelzsicherungsinformation von einem Sicherheitsblock 511 des Speicherzellenfeldes 510,
wobei n eine positive ganze Zahl ist, und gibt die n Bits an Schmelzsicherungsinformation
in Einheiten von m Bit, mit m als einer positiven ganzen Zahl, in
Reaktion auf ein Taktsignal ab. Beispielsweise empfängt die
Datenausgabesteuereinheit 520 210 Bit
an Schmelzsicherungsinformation, d.h. 1024 Bit, und gibt die Schmelzsicherungsinformation
in Einheiten von 10 Bit ab. Beispielsweise empfängt die Datenausgabesteuereinheit 520 die
n Bit an Schmelzsicherungsinformation vom Speicherzellen 510 beim
Einschalten. Die Datenausgabesteuereinheit 520 empfängt zusätzlich oder
alternativ die Schmelzsicherungsinformation des Speicherzellenfeldes
beim Lesen von in einem Speicherzellenfeld eines Flashspeicherbauelements
vom NAND-Typ gespeichertem Bootcode zwischen dem Zeitpunkt, zu dem
ein Einschaltrücksetzsignal
(POR-Signal) anliegt, und dem Startzeitpunkt eines Bootcode-Lesevorgangs.
Die Datenausgabesteuereinheit 520 empfängt die n Bit an Schmelzsicherungsinformation
vom Speicherzellenfeld 510 z.B. simultan. Wenn die Schmelzsicherungsinformation
in einer Seite eines Flashspeicherbauelements vom NAND-Typ abgelegt ist,
empfängt
die Datenausgabesteuereinheit 520 die n Bit an Schmelzsicherungsinformation
beispielsweise simultan durch einen Lesevorgang. Die Datenausgabesteuereinheit 520 wird
außerdem
dazu benutzt, Daten abzugeben, die in einem Speicherbereich abgelegt
sind, der einem allgemeinen Benutzer im Normalbetrieb zur Verfügung steht.
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Die
Zwischenspeicherschaltung 530 empfängt die n Bit an Schmelzsicherungsinformation
von der Datenausgabesteuereinheit 520 in Einheiten von m
Bit in Reaktion auf ein Zwischenspeicherfreigabesignal ENi, mit
i als einer ganzen Zahl, und puffert die Schmelzsicherungsinformation.
Die Verwaltungseinheit 520 aktiviert sequentiell das Zwischenspeicherfreigabesignal
ENi, wodurch die Zwischenspeicherschaltung 530 die n Bit
an Schmelzsicherungsinformation in Einheiten von m Bit empfängt.
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Aufbau
und Funktionsweise vorteilhafter Realisierungen entsprechender Zwischenspeicherschaltungen
werden nachstehend unter Bezugnahme auf die 6 bis 8 näher erläutert. 6 zeigt
eine beispielhafte Zwischenspeicherschaltung, wie sie als Zwischenspeicherschaltung 530 in 5 verwendbar
ist. Die Zwischenspeicherschaltung 530 gemäß 6 empfängt Schmelzsicherungsinformation
in Einheiten von m Bit in Reaktion auf die Zwischenspeicherfreigabesignale
ENi. Wenn das erste Zwischenspeicherfreigabesignal EN1 aktiviert
wird, werden die m Bit an Schmelzsicherungsinformation in m Zwischenspeicherschaltungseinheiten 531, 532, ..., 533 gepuffert.
Wenn das zweite Zwischenspeicherfreigabesignal EN2 aktiviert wird,
werden m Bit an Schmelzsicherungsinformation in m Zwischenspeicherschaltungseinheiten 534, 535,
..., 536 gepuffert. Durch Wiederholen dieser Vorgänge wird
die Schmelzsicherungsinformation für alle n Bit in der Zwischenspeicherschaltung 530 gepuffert.
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7 veranschaulicht
eine beispielhafte Realisierung für die Zwischenspeicherschaltungseinheit 531 von 6 stellvertretend
für die übrigen dortigen Zwischenspeicherschaltungseinheiten.
Im Beispiel von 7 umfasst die Zwischenspeicherschaltungseinheit 531 einen
Rücksetzanschluss
RST, der auf ein Einschaltrücksetzsignal
POR initialisiert wird, einen Dateneingabeanschluss D zum Empfangen
von Schmelzsicherungsinformation, einen Steueranschluss G zum Empfangen
des Zwischenspeicherfreigabesignals EN1 und einen Ausgabeanschluss
Q zum Ausgeben der Schmelzsicherungsinformation in Reaktion auf
das Zwischenspeicherfreigabesignal EN1.
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8 zeigt
eine beispielhafte schaltungstechnische Realisierung für die Zwischenspeicherschaltungseinheit 531 von 7.
Im Beispiel von 8 beinhaltet die Zwischenspeicherschaltungseinheit 531 eine
Logikschaltung 801 zum Empfangen von Schmelzsicherungsinformation
Data und des Zwischenspeicherfreigabesignals EN1, einen PMOS-Transistor
802 zum Empfangen des Einschaltrücksetzsignals
POR und einen NMOS-Transistor 803 zum Empfangen eines Ausgabewertes
der Logikschaltung 801 sowie Inverter 804 und 805.
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Die
Zwischenspeicherschaltungseinheit 531 initialisiert eine
Zwischenspeicherung in Reaktion auf das Einschaltrücksetzsignal
POR, d.h. sie gibt einen Logikwert „0" ab. Während die Schmelzsicherungsinformationsdaten
zugeführt
werden, ist das Zwischenspeicherfreigabesignal EN1 aktiviert, und
der NMOS-Transistor ist leitend geschaltet, wodurch die Zwischenspeicherschaltungseinheit 531 die Schmelzsicherungsinformationsdaten
speichert, auf die an einem Ausgangsanschluss desselben zugegriffen
werden kann. In einer vorteilhafte Realisierung beinhaltet die Logikschaltung
ein UND-Gatter.
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Die 9A bis 9F zeigen
vorteilhafte Realisierungsmöglichkeiten
für die
Schalter 551, 552 und 553 von 5.
Die zugehörigen
Schaltbilder sind weitestgehend selbsterklärend und bedürfen insoweit
keiner näheren
Erläuterungen.
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Jeder
der in den 9A bis 9D gezeigten
Schalter ist als Schiebeelement eines hohen Spannungspegels realisiert,
wie es in einer Trimmschaltung für
hohe Gleichspannung verwendet werden kann. Wenn z.B. ein Gleichspannungsgenerator bei
einer Spannung VPP arbeitet, die höher als eine Versorgungsspannung
VCC ist, sollte der Schalter vor zugsweise auch bei Anwesenheit von
hohen Spannungen leicht eingeschaltet oder ausgeschaltet werden
können.
Außerdem
sollte der Schalter vorzugsweise eine zugeführte hohe Spannung von einem
Knoten A zu einem Knoten B möglichst
verlustfrei übertragen
können.
Dementsprechend wird für oder
in derartigen Schaltern das Schiebeelement für hohen Spannungspegel benutzt.
Der Schalter für
höhere
Spannung, wie er erfindungsgemäß benutzbar ist,
ist jedoch nicht auf ein Schiebeelement für hohen Spannungspegel beschränkt, vielmehr
können
alle Arten von Schaltern eingesetzt werden, die in der Lage sind,
bei hohen Spannungen zu arbeiten.
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Die
in den 9E und 9F gezeigten Schalter
sind Beispiele von Schaltern für
niedrigere Spannung, wie sie bei Spannungen niedriger als die Versorgungsspannung
VCC eingesetzt werden können.
Wenn beispielsweise ein Gleichspannungsgenerator bei einer Spannung
niedriger als die Versorgungsspannung VCC arbeitet, sollte der Schalter
für niedrigere
Spannung vorzugsweise eine zugeführte Spannung
von einem Knoten A zu einem Knoten B möglichst verlustfrei übertragen.
Somit sind einige Schalter, die in der Lage sind, Signale von einem Knoten
A zu einem Knoten B verlustfrei zu übertragen, für einen
solchen Schalter für
niedrigere Spannung gemäß der Erfindung
geeignet.
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Gemäß den Prinzipien
der Erfindung können Probleme
herkömmlicher
Systeme mit Schmelzsicherungsanordnungen gelöst werden, wobei schmelzsicherungsfreie
Schaltungen, schmelzsicherungsfreie integrierte Halbleiterschaltungen
bzw. nichtflüchtige
Speicherbauelemente und schmelzsicherungsfreie Verfahren benutzt
werden. Dies macht z.B. eine Maske für eine Laserschmelzsicherung
unnötig.
Zudem können
die Beschränkungen
hinsichtlich Reduzierung der Abmessung von Laserschmelzsicherungen überwunden
werden. Es ist auch keine EDS-Testprozedur
und kein EDS-Testaufbau zum Durchtrennen von Laserschmelzsicherungen
nötig. Als
weiterer Vorteil kann die Schmelzsiche rungsinformation auch nach
Montieren des Bauelements in einer Packung leicht geändert werden.
Nichtflüchtige Speicherzellen,
die Schmelzsicherungsinformation speichern, können auch wieder neu programmiert werden,
im Unterschied zu einer Schmelzsicherung, die nicht mehr umprogrammiert
werden kann, wenn sie durchtrennt worden ist.