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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Sicherungsschaltung.
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Halbleiterbauelemente
oder Halbleiterchips verwenden normalerweise (Schmelz-)Sicherungen, um
optionale Informationen zum Wechseln von Entwurfsmustern oder zum
Auswählen
spezifischer Optionen nach der Herstellung der Chips zu speichern. Es
ist allgemein bekannt, dass Sicherungsschaltungen derart arbeiten,
dass sie Signale oder Versorgungsleitungen, die für funktionale
Schaltungen relevant sind, miteinander verbinden oder voneinander trennen.
Des Weiteren ist es mittels der Sicherungsschaltungen möglich, erforderliche
Informationen zu speichern oder Entwurfskonfigurationen zu modifizieren,
indem Verbindungen und Auftrennungen miteinander kombiniert werden.
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Eines
der typischen Verfahren zur Implementierung von Sicherungsschaltungen
ist die Verwendung von Lasersicherungen. Bei diesen Sicherungsschaltungen
werden Sicherungen aus einem Muster von Polysiliziumbalken geformt
und durch Laserbestrahlung in Übereinstimmung
mit einzelnen Anforderungen aufgeschmolzen. Insbesondere werden beide
Enden der Polysiliziumsicherung, die aus einem leitenden Material
hergestellt ist, anfänglich miteinander
verbunden und werden dann voneinander getrennt, nachdem der Laser
die bestehende Verbindung durchtrennt hat, oder sie werden elektrisch
voneinander isoliert. Durch eine solche Prozedur wird die Sicherungsschaltung
von einem verbundenem in einen aufgetrennten Zustand überführt. Andererseits
ist es einschränkend,
dass der Durchtrennungsvorgang durch den Laser während eines Tests auf Waferebene
vor der Verpackung ausgeführt
werden soll. Des Weiteren werden die Lasersicherungen normalerweise
durchtrennt, nachdem der Chip zu einer speziellen Laserausrüstung gebracht
wurde, die sich von der Ausrüstung
unterscheidet, die zur Ermittlung der elektrischen Eigenschaften
des Chips verwendet wird, was zu einer Verlängerung der Testzeit führt. Ein
weiteres Problem besteht darin, dass es aufgrund der physikalischen
Eigenschaften einer Lasersicherung keine Möglichkeit gibt, die ursprünglichen
Verbindungen wieder herzustellen, wenn die Sicherung einmal durchtrennt
ist. Zudem belegen Lasersicherungen eine Fläche, die größer als eine vorgegebene Fläche im Bezug
auf eine aktuelle Schaltung auf dem Chip ist, und erfordern eine
Anschlussoption zum Durchtrennen, so dass sie eine große Layoutfläche auf
dem Halbleiterchip belegen.
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Bei
einem Ansatz die vorgenannten Unzulänglichkeiten in Verbindung
mit Lasersicherungen zu überwinden,
werden häufig
elektrische Sicherungsschaltungen verwendet, die aus nichtflüchtigen Speicherzellen
gebildet werden. Allgemein umfasst eine elektrische Sicherungsschaltung
ein nichtflüchtiges
Speicherzellenpaar, das durch einen elektrischen Lösch- oder
Programmiervorgang unter zueinander komplementären Bedingungen gehalten wird. Da
die elektrische Sicherungsschaltung Informationen über Optionen
in den komplementären
Beziehungen der Schwellspannungen der zwei nichtflüchtigen
Speicherzellen enthält,
ist es für
die Schaltung sehr wichtig, ihre ursprünglichen Informationen zu erhalten,
auch über
einen relativ langen Zeitraum. Insbesondere sollte eine der nichtflüchtigen
Speicherzellen so konditioniert sein, dass ihre Schwellspannung
niedriger als ein Referenzpegel ist, während die andere Speicherzelle
auf ihrer Schwellspannung gehalten wird, die höher als der Referenzpegel ist,
auch nach einer langen Zeitspanne. Daher ist es wesentlich, die
Informationshaltbarkeit in der elektrischen Sicherungsschaltung
zu ermitteln, auch wenn eine relativ lange Zeitspanne abgelaufen
ist.
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Der
Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine elektrische
Sicherungsschaltung bereitzustellen, die in der Lage ist, Bereiche
oder Bandbreiten von Schwellspannungen der nichtflüchtigen Speicherzellen
zu lesen und/oder eine Differenz zwischen den Schwellspannungen
der nichtflüchtigen Speicherzellen
zu detektieren.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch Bereitstellung einer elektrischen Sicherungsschaltung mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben,
deren Wortlaut hiermit durch Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen
wird, um unnötige
Textwiederholungen zu vermeiden.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Schaltbild einer elektrischen Sicherungsschaltung in Übereinstimmung
mit einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung,
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2 ein
Zeitablaufdiagramm eines Testvorgangs der elektrischen Sicherungsschaltung
gemäß der beispielhaften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und
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3 und 4 Schaltbilder
einer elektrischen Sicherungsschaltung in Übereinstimmung mit beispielhaften
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen detaillierter beschrieben, die eine elektrische Sicherungsschaltung
mit nichtflüchtigen
Speicherzellen als ein Beispiel zeigen, um strukturelle und funktionale
Eigenschaften zu beschreiben, welche die vorliegende Erfindung zur
Verfügung
stellt.
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1 ist
ein Schaltbild einer elektrischen Sicherungsschaltung in Übereinstimmung
mit einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Bezugnehmend auf 1 umfasst
die elektrische Sicherungsschaltung 100 nichtflüchtige Speicherzellen
MC1 und MC2. Jede der nichtflüchtigen Speicherzellen
MC1 und MC2 kann als elektrisch löschbare und programmierbare
Nur-Lesespeicher(EEPROM)-Zelle, als Flashspeicherzelle, als Speicherzelle
mit aufgeteiltem Gate (split gate memory cell) usw. ausgeführt werden,
ist aber nicht darauf beschränkt.
Bei diesem Beispiel sind die nichtflüchtigen Speicherzellen MC1
und MC2 als EEPROM-Zellen ausgeführt.
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Wie
aus 1 hervorgeht, umfasst die elektrische Sicherungsschaltung 100 einen
Schalter 110, einen Zwischenspeicher (ein Latch) 120,
einen Biasstromschaltkreis 130, einen ersten und einen
zweiten Entladeschaltkreis 140 und 150, einen
Vorladeschaltkreis 160 und Inverter INV1 und INV2.
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Der
Schalter 110 umfasst NMOS-Transistoren M1 und M2, die Bitleitungen
BL und nBL, die mit Zwischenspeicherknoten LAT und nLAT korrespondieren,
in Reaktion auf ein Schaltersteuersignal C1 mit der elekt rischen
Sicherungsschaltung 100 verbinden. Der NMOS-Transistor
M1 umfasst eine Source, die über
die Bitleitung BL mit der nichtflüchtigen Speicherzelle MC1 verbunden
ist, einen Drain, der mit dem Zwischenspeicherknoten LAT verbunden
ist, und ein Gate, das mit dem Schaltersteuersignal C1 gekoppelt
ist. Der NMOS-Transistor M2 umfasst eine Source, die über die
Bitleitung nBL mit der nichtflüchtigen
Speicherzelle MC2 verbunden ist, einen Drain, der mit dem Zwischenspeicherknoten
nLAT verbunden ist, und ein Gate, das mit dem Schaltersteuersignal
C1 gekoppelt ist. Der Zwischenspeicher 120 umfasst PMOS-Transistoren
M3 und M4 und speichert Logikpegel der Zwischenspeicherknoten LAT
und nLAT zwischen. Der PMOS-Transistor M3, dessen Gate mit dem Zwischenspeicherknoten
nLAT gekoppelt ist, weist einen Strompfad auf, der zwischen dem Biasstromschaltkreis 130 und
dem Zwischenspeicherknoten LAT eingeschleift ist. Der PMOS-Transistor
M4, dessen Gate mit dem Zwischenspeicherknoten LAT gekoppelt ist,
weist einen Strompfad auf, der zwischen dem Biasstromschaltkreis 130 und
dem Zwischenspeicherknoten nLAT eingeschleift ist.
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Der
Biasstromschaltkreis 130 ist dazu konfiguriert, die Source-Elektroden der PMOS-Transistoren
M3 und M4, die den Zwischenspeicher 120 bilden, in Reaktion
auf ein Biassteuersignal C2 mit variablen Biasströmen zu versorgen.
Der Biasstromschaltkreis 130 umfasst PMOS-Transistoren
M5 und M6. Die Gates der PMOS-Transistoren M5 und M6 sind mit dem
Biassteuersignal C2 gekoppelt. Der PMOS-Transistor M5 umfasst eine Source, die
mit einer Versorgungsspannung VCC verbunden ist, und einen Drain,
der mit der Source des PMOS-Transistors
M3 verbunden ist. Der PMOS-Transistor M6 umfasst eine Source, die
mit der Versorgungsspannung VCC verbunden ist, und einen Drain,
der mit der Source des PMOS-Transistors M4 verbunden ist. Ein Spannungspegel
des Biassteuersignals C2 ist während
eines Testvorgangs variabel, um den Stromwert zu variieren, mit
dem die Zwi schenspeicherknoten LAT und nLAT über den Zwischenspeicher 120 versorgt
werden.
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In 1 umfasst
der erste Entladeschaltkreis 140 NMOS-Transistoren M7 und
M8, die dazu konfiguriert sind, den Zwischenspeicherknoten LAT in
Reaktion auf Steuersignale C3 und C4 zu entladen. Die NMOS-Transistoren M7 und
M8 sind seriell zwischen dem Zwischenspeicherknoten LAT und einer
Massespannung eingeschleift und werden entsprechend von den Steuersignalen
C3 bzw. C4 gesteuert. Der zweite Entladeschaltkreis 150 umfasst NMOS-Transistoren
M9 und M10, die dazu konfiguriert sind, den Zwischenspeicherknoten
nLAT in Reaktion auf Steuersignale C3 und nC4 zu entladen. Die NMOS-Transistoren
M9 und M10 sind seriell zwischen dem Zwischenspeicherknoten nLAT
und der Massespannung eingeschleift und werden entsprechend von
den Steuersignalen C3 bzw. nC4 gesteuert. Das Steuersignal nC4 ist
komplementär
zum Steuersignal C4. Der Vorladeschaltkreis 160 ist dazu konfiguriert,
die Zwischenspeicherknoten LAT und nLAT in Reaktion auf ein Vorladesteuersignal
nC5 vorzuladen und umfasst PMOS-Transistoren
M11 und M12. Der PMOS-Transistor M11 ist zwischen der Versorgungsspannung
VCC und dem Zwischenspeicherknoten LAT eingeschleift und reagiert
auf das Vorladesteuersignal nC5. Der PMOS-Transistor M12 ist zwischen der Versorgungsspannung
VCC und dem Zwischenspeicherknoten nLAT eingeschleift und reagiert
auf das Vorladesteuersignal nC5. Die Inverter INV1 und INV2 sind
entsprechend mit den Zwischenspeicherknoten LAT bzw. nLAT gekoppelt.
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Gemäß der elektrischen
Sicherungsschaltung 100 der beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist es während eines Testvorgangs zulässig, durch
Steuern des Stromwerts, der über
den Biasstromschaltkreis 130 geliefert wird, herauszufinden,
wie Schwellspannungen der nichtflüchtige Speicherzellen MC1 und
MC2 positioniert oder verteilt sind. Mit anderen Worten ist es möglich, Lesebereiche
(read margins) der nichtflüchtigen Speicherzellen
MC1 und MC2 zu ermitteln bzw. abzuschätzen.
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2 ist
ein Zeitablaufdiagramm eines Testvorgangs der elektrischen Sicherungsschaltung
gemäß der beispielhaften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Nachfolgend werden unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen Details des Testvorgangs durch die elektrische
Sicherungsschaltung beschrieben.
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Wie
bereits ausgeführt
wurde, ist es unter der Bedingung, dass die nichtflüchtigen
Speicherzellen gelöscht
bzw. programmiert sind, wichtig, die Position oder Verteilung der
Schwellspannungen der gelöschten/programmierten
Zellen zu ermitteln, da die in der elektrischen Sicherungsschaltung
gespeicherten Informationen ohne Variationen über eine relativ lange Zeitspanne
erhalten bleiben müssen,
um Betriebssicherheit zu gewährleisten.
Daher ist eine Abschätzung
der Lesebereiche bzw. der Lesebandbreite der gelöschten und programmierten nichtflüchtigen
Speicherzellen erforderlich. Die Lesebereiche der nichtflüchtigen
Speicherzellen werden in einer beispielhaften Ausführungsform
durch den nachfolgend beschriebenen Prozess ermittelt.
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Zuerst
wird das Steuersignal nC5 auf einen niedrigen Pegel aktiviert, um
die Zwischenspeicherknoten LAT und nLAT über die PMOS-Transistoren M11
bzw. M12 vorzuladen. Hierbei wird das Steuersignal C1 auf einem
hohen Pegel aktiv, wodurch die Bitleitungen BL und nBL über die
NMOS-Transistoren M1 bzw. M2 auf eine Spannung VCC-Vth aufgeladen
werden, wobei Vth eine Schwellspannung des NMOS-Transistors repräsentiert. Nach der Vorladung der
Zwischenspeicherknoten und der Bitleitungen wird das Steuersignal
nC5 auf den hohen Pegel deaktiviert, um die PMOS-Transistoren M11
und M12 sperrend zu schalten. Anschließend werden die Steuersignale
C3 und nC4 auf hohe Pegel aktiviert, während das Steuersignal C4 in
seinem inaktiven Zu stand gehalten wird. Mit der Aktivierung der
Steuersignale C3 und nC4 auf die hohen Pegel wird der Zwischenspeicherknoten
nLAT über
den Entladeschaltkreis 150 mit der Massespannung verbunden.
Dann wird eine Ausgabe nOP des Inverters INV2 auf den hohen Pegel
gesetzt. Dieser Vorgang bewirkt, dass der Zwischenspeicherknoten
nLAT unabhängig
vom Zustand der nichtflüchtigen
Speicherzelle MC2, d.h. gelöscht
oder programmiert, auf den niedrigen Pegel gesetzt wird.
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Hierbei
wird eine Wortleitung WL aktiviert, die mit den nichtflüchtigen
Speicherzellen MC1 und MC2 gekoppelt ist. Die Bitleitung nBL wird
unabhängig
vom Zustand der nichtflüchtigen
Speicherzelle MC2 auf der Massespannung gehalten und eine Spannung
auf der Bitleitung BL ist in Übereinstimmung
mit dem Zustand der nichtflüchtigen
Speicherzelle MC1 variabel. Eine detailliertere Erklärung dieser
Prozedur ist wie folgt.
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Unter
der Annahme, dass die nichtflüchtige Speicherzelle
MC1 gelöscht
oder programmiert ist, wird die Spannung des Steuersignals C2 gesteuert, um
einen Stromwert zu variieren, der durch den PMOS-Transistor M5 fließt. Wenn
beispielsweise ein Strom, der nachfolgend als „Zellenstrom" bezeichnet wird
und der durch die nichtflüchtige
Speicherzelle MC1 fließt,
größer als
ein Strom ist, der nachfolgend als „Biasstrom" bezeichnet wird und der durch den PMOS-Transistor
M5 fließt,
wird eine Spannung am Zwischenspeicherknoten LAT niedriger als eine
Auslösespannung
des Inverters INV1 gesetzt. Dadurch nimmt eine Ausgabe OP des Inverters
INV1 den hohen Pegel an. Wieder variiert das Steuersignal C2, um
den Biasstrom zu erhöhen.
Hierbei wird die Ausgabe OP des Inverters INV1 auf dem hohen Pegel gehalten
oder auf den niedrigen Pegel gewechselt. Wenn die Ausgabe OP des
Inverters INV1 auf dem hohen Pegel gehalten wird, variiert das Steuersignal C2,
um den Biasstrom zu erhöhen.
Im Gegensatz dazu ist es möglich,
durch den Biasstrom und eine Spannung auf der Wortleitung eine Position
der Schwellspannung der nichtflüchtigen
Speicherzellen MC1 herauszufinden, wenn die Ausgabe OP des Inverters
INV1 vom hohen Pegel auf den niedrigen Pegel wechselt, d.h. der
Biasstrom größer als
der Zeller strom ist. Mit anderen Worten kann der Lesebereich bzw.
die Lesebandbreite der nichtflüchtigen
Speicherzelle MC1 ermittelt werden.
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Gemäß der oben
beschriebenen beispielhaften Ausführungsform gibt es keine Information
darüber,
ob die nichtflüchtige
Speicherzelle MC1 gelöscht oder
programmiert ist. Es ist jedoch durch das oben beschriebene Verfahren
unabhängig
vom Zustand der nichtflüchtigen
Speicherzelle möglich,
die Position der Schwellspannung der nichtflüchtigen Speicherzelle herauszufinden
(oder die Lesebandbreite der nichtflüchtigen Speicherzelle zu bestimmen),
da die Größe des Biasstroms
vom Zustand der nichtflüchtigen
Speicherzelle abhängt.
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Ein
Testvorgang der nichtflüchtigen
Speicherzelle MC2 entspricht im Wesentlichen dem oben beschriebenen
Verfahren, außer
dass das Steuersignal C4 anstelle des Steuersignals nC4 aktiviert
wird, so dass dies nicht detaillierter beschrieben wird.
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Ein
Lesebereich bzw. eine Lesebandbreite zwischen den lichtflüchtign Speicherzellen
MC1 und MC2 kann durch eine Ermittlung der Positionen der Schwellspannungen
der nichtflüchtigen
Speicherzellen MC1 und MC2 anhand der oben beschriebenen Prozedur
nach dem Setzen der ersten nichtflüchtigen Speicherzelle MC1 in
einen gelöschten
oder programmierten Zustand und dem Setzen der zweiten nichtflüchtigen
Speicherzelle MC2 in einen programmierten oder gelöschten Zustand
bestimmt werden.
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Bei
dem oben beschriebenen Testvorgang ist es möglich, die Lesebereiche der
nichtflüchtigen Speicherzellen
durch Variieren d es Biasstroms unter der Bedingung zu detektieren,
dass eine Wortleitung auf eine Spannung festgelegt ist, die höher als
die Schwellspannung der pro grammierten Zelle ist. Andererseits ist
es zudem möglich,
die Lesebereiche der nichtflüchtigen
Speicherzellen durch Variieren einer Spannung auf der Wortleitung
unter der Bedingung zu detektieren, dass die nichtflüchtigen
Speicherzellen gelöscht
und programmiert sind und der Biasstrom, beispielsweise ein An-Zellenstrom
oder ein Aus-Zellenstrom, auf einen konstanten Wert festgelegt wird.
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3 ist
ein Schaltbild einer elektrischen Sicherungsschaltung in Übereinstimmung
mit einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In 3 sind Elemente,
die gleich wie die in 1 dargestellten Elemente funktionieren,
mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sie nicht weiter
beschrieben werden. Die in 3 dargestellte elektrische
Sicherungsschaltung 200 entspricht im Wesentlichen der
in 1 dargestellten Schaltung, außer dass der Schalter 110 aus 1 entfernt
ist.
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4 ist
ein Schaltbild einer elektrischen Sicherungsschaltung in Übereinstimmung
mit einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In 4 sind
Elemente, die gleich wie die in 1 dargestellten
Elemente funktionieren, mit den gleichen Bezugszeichen versehen,
so dass sie nicht weiter beschrieben werden. Die in 4 dargestellte elektrische
Sicherungsschaltung 300 entspricht im Wesentlichen der
in 1 dargestellten Schaltung, außer dass der Biasstromschaltkreis 130 entfernt
ist und zwei Wortleitungen WL_A und WL_B verwendet werden. Ohne
den Biasstromschaltkreis 130 aus 3 sind die
PMOS-Transistoren
M3 und M4 des Zwischenspeichers 120 direkt mit der Versorgungsspannung
VCC verbunden. Von den zwei Wortleitungen WL_A und WL_B ist die
Wortleitung WL_A mit der nichtflüchtigen
Speicherzelle MC1 gekoppelt, wohingegen die Wortleitung WL_B mit
der nichtflüchtigen
Speicherzelle MC2 gekoppelt ist. In diesem Fall ist es durch Ver wendung
der beiden Wortleitungen WL_A und WL_B ebenfalls möglich, eine
Differenz zwischen den Schwellspannungen der nichtflüchtigen
Speicherzellen MC1 und MC2 herauszufinden. Unter der Bedingung,
dass die nichtflüchtige
Speicherzelle MC1 gelöscht
und die nichtflüchtige
Speicherzelle MC2 programmiert ist, fällt die Spannung auf der Wortleitung
WL_A ab, wohingegen die Spannung auf der Wortleitung WL_B ansteigt.
Während der Änderung
der Spannungen auf den Wortleitungen WL_A und WL_B ist es möglich, eine
Differenz zwischen den Schwellspannungen der nichtflüchtigen
Speicherzellen MC1 und MC2 durch die Veränderung von Ausgaben der Inverter
INV1 bzw. INV2 herauszufinden.
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Obwohl
nicht dargestellt, versteht es sich, dass die in 4 dargestellte
elektrische Sicherungsschaltung 300 auch mit dem Biasstromschaltkreis 130 aus 1 ausgeführt sein
kann.
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Wie
oben ausgeführt,
stellen beispielhafte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eine Funktion zur Verfügung, die
dazu dient, Lesebereiche bzw. Lesebandbreiten (read margins) der
nichtflüchtigen
Speicherzellen durch Bestimmen von Positionen der Schwellspannungen
der nichtflüchtigen Speicherzellen
abzuschätzen,
welche die elektrische Sicherungsschaltung bilden. Des Weiteren
ist es möglich,
eine Differenz zwischen den Schwellspannungen der nichtflüchtigen
Speicherzellen der elektrischen Sicherungsschaltung zu detektieren.