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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Halbleiterspeicher, und insbesondere auf ein System und Verfahren zum Überwachen von Speicherinhalt einer Speicherzelle.
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Ein Speichertyp verwendet ein Phasenänderungsmaterial, das bei einer Anwendung elektrisch geschaltet werden kann zwischen amorphen und kristallinen Zuständen, oder zwischen unterschiedlichen erfassbaren Zuständen über das gesamte Spektrum zwischen vollständig amorphen und vollständig kristallinen Zuständen.
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Der Betrieb eines Phasenänderungsspeichers (PCM; PCM = phase change memory) basiert auf einer Widerstandsänderung, die durch unterschiedliche Zustände des Phasenänderungsmaterials bewirkt wird. Typische Materialien, die für das Phasenänderungsmaterial geeignet sind, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, verschiedene Chalkogenidgläser, wie z. B. GeSbTe. Die Vorteile von Phasenänderungsspeichern umfassen hohen Schreibdurchsatz und Einzelbit-Zufallsschreibzugriff.
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Wenn der Speicher entweder in einem kristallinen, halbkristallinen, amorphen oder halbamorphen Zustand eingestellt ist, der einen jeweiligen Widerstandswert aufweist, wird dieser Zustand beibehalten, bis derselbe neu programmiert wird, selbst wenn die Leistung entfernt wird. Der Zustand wird beibehalten, weil der programmierte Widerstand eine Phase oder einen physikalischen Zustand des Materials (z. B. kristallin oder amorph) darstellt. Der Zustand der Phasenänderungsmaterialien ist somit im Allgemeinen nicht flüchtig.
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Ein erster Niedrigwiderstandszustand, d. h. ein kristalliner Zustand oder halbkristalliner Zustand, wird dadurch erreicht, dass eine niedrige Leistung an den Speicher angelegt wird, im Vergleich zu dem zweiten Zustand, d. h. einem amorphen Zustand oder halbamorphen Zustand, wo ein hoher Leistungspuls verwendet wird, um das Material in einen amorphen Zustand zu schmelzen und abzuschrecken. Es ist möglich, die Zelle durch Anlegen mittlerer Leistungspegel in Zustände mit mittlerem Pegel zu programmieren.
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Aus der
US 2006/0198183 A1 ist ein Testverfahren für Speicherzellen bekannt, bei dem eine Testspannung an eine Speicherzelle angelegt wird, um zu überprüfen, ob die Speicherzelle die Belastung aushält. Wenn dies nicht der Fall ist, wird festgestellt, dass die Speicherzelle defekt ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Datenhalteüberwachungseinrichtung und ein Verfahren zum Überwachen von Datenerhaltung in einer Speicherzelle mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Datenhalteüberwachungseinrichtung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein schematisches Diagramm einer Datenhalteüberwachungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 ein Flussdiagramm, das einen Schreibverifikationstest gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
- 3 ein Flussdiagramm, das einen Hintergrundspeichertest gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt; und
- 4 ein Flussdiagramm, das einen Vordergrundspeichertest gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
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Phasenänderungsspeicherzellen werden typischerweise gelesen, ohne eine Zustandsänderung der Speicherzelle auszulösen. Ein Problem bei Phasenänderungsspeicher ist die Lesestörung und Datenverlust für Speicherzellen, die in dem amorphen Zustand sind, aufgrund der Kristallisation des Phasenänderungsmaterials bei erhöhten Temperaturen. Phasenänderung tritt auf, wenn der Schwellenstrom an der Schwellenwertspannung der Speicherzelle überschritten wird. Als Folge kann der Lesestrom begrenzt werden, um ein Auslösen einer Zustandsänderung der Speicherzelle zu vermeiden. Das Begrenzen des Lesestroms auf weniger als den Schwellenwertstrom reduziert jedoch die Leistungsfähigkeit. Die Verwendung eines höheren Stroms, während die angelegte Spannung auf weniger als die Schwellenwertspannung begrenzt wird, führt dazu, dass die Speicherzelle gegenüber Schwankungen in der Schwellenwertspannung empfindlich ist. Ein solcher Lösungsansatz kann den Spielraum reduzieren und eine Zustandsänderung der Speicherzelle unbeabsichtigt auslösen, was möglicherweise bewirkt, dass sich die Zelle ändert (Lesestörung) oder falsch gelesen wird (sich nicht wiederholender „weicher Fehler“). Um Lesestörung im PCMs zu reduzieren, sollte eine PCM-Zelle neu geschrieben werden, falls dieselbe in dem Prozess der Bewegung von dem amorphen Zustand zu dem kristallinen Zustand ist, oder falls sich dieselbe zwischen halbkristallinen Zuständen bewegt.
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In einem typischen PCM variiert der Widerstand jeder PCM-Zelle basierend auf seinem Zustand, und reicht allgemein von 100 KQ in dem kristallinen Zustand zu 1 MΩ in dem amorphen Zustand. Die Anzahl von einzelnen Widerstandswerten, die jeder PCM-Zelle zugewiesen sind, bestimmt die Anzahl von Zuständen, die eine bestimmte PCM-Zelle hat. Da der Widerstand der PCM-Zelle variiert, variiert eine Spannung auf einer Datenleitung, die durch die Lesespannung für die PCM-Zelle bewirkt wird. Während einer erhöhten Umgebungstemperatur ist der Widerstand der PCM-Zelle auf einen amorphen Zustand reduziert, was zu einem erhöhten Strom durch die PCM-Zelle führt; entsprechend steigt die Temperatur des Phasenänderungsmaterials, wodurch die Kristallisation verstärkt wird. Daher beschleunigt die Verwendung einer stärkeren Lesespannung die Lesestörung. Eine PCM-Zelle, die nahe daran ist, ihre gespeicherten Informationen zu verlieren, kann erfasst werden durch Lesen von Daten von der PCM-Zelle mit einer Standardspannung, Messen der Datenleitungsspannung und nachfolgendes Vergleichen der Datenleitungsspannung bei einer stärkeren Lesespannung. Alternativ kann eine solche PCM-Zelle erfasst werden durch Lesen der Daten mit einer stärkeren Lesespannung und Vergleichen der Spannung auf der Datenleitung mit einer Referenzspannung.
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B Datenhalteüberwachungseinrichtung
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1 zeigt eine Datenhalteüberwachungseinrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie es gezeigt ist, umfasst die Datenhalteüberwachungseinrichtung 100 eine Speicherzelle 140. Obwohl nur eine einzelne Speicherzelle 140 gezeigt ist, kann die Datenhalteüberwachungseinrichtung 100 an ein Speicherarray jeder Größe angelegt werden. Um Daten in einer Speicherzelle 140 zu lesen, wird eine Lesespannung 145 über den Schalter 130, die Klemmschaltung 120 und den Schalter 160 an die Datenleitung 135 angelegt. Eine Spannung, die an dem Knoten 170 gemessen wird, stellt die Daten dar, die in der Speicherzelle 140 gespeichert sind. Die Klemmschaltung 120 hat zwei Eingänge, wobei ein erster Eingang die Lesespannung ist, ein zweiter Eingang eine Spannung von der Datenleitung 135 über eine Rückkopplung 125 ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Rückkopplungsspannung typischerweise 450 mV bis 500 mV. Wenn sich die Temperatur des Geräts erhöht, entweder aufgrund des Betriebs oder der Umgebung, verringert sich die Spannung, die benötigt wird, um die Daten in der Speicherzelle 140 zu lesen, aufgrund des sich verringernden Widerstands der Speicherzelle 140.
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Die Speicherzelle 140 ist durch Anlegen eines elektrischen Signals an die Datenleitung 135 in einen von zumindest zwei Speicherzuständen programmierbar. Das elektrische Signal ändert die Phase des Speichermaterials zwischen einem im Wesentlichen kristallinen Zustand und einem im Wesentlichen amorphen Zustand. Wie es oben angemerkt wurde, ist der elektrische Widerstand der Speicherzelle 140 in dem im Wesentlichen amorphen Zustand größer als der Widerstand der Speicherzelle in dem im Wesentlichen kristallinen Zustand.
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B1 Datenschreiben
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Um Daten in die Speicherzelle 140 zu schreiben, kann die Phase der Speicherzelle 140 durch die Stromquelle 110 geändert werden, die einen hohen Strom liefert, der zu einer Erwärmung der Speicherzelle 140 führt. Bei einigen Anwendungen beträgt der hohe Strom etwa 2 mA. Der Strom schmilzt zumindest einen Teil des Phasenänderungsmaterials und wenn der Strom entfernt wird, fällt die Temperatur schnell und der geschmolzene Abschnitt des Materials härtet in dem amorphen Zustand mit einem höheren Widerstand.
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Alternativ können Daten dadurch in die Speicherzelle 140 geschrieben werden, dass die Stromquelle 110 einen niedrigen Strom anlegt, der das Phasenänderungsmaterial mit Energie versorgt, so dass es dem Phasenänderungsmaterial ermöglicht wird, sich selbst in einem kristallineren Zustand anzuordnen, der einen geringeren Widerstand aufweist. Bei einigen Anwendungen beträgt der niedrige Strom etwa 1,2 mA.
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Es sollte angemerkt werden, dass Wärme allein dazu beiträgt, den Zustand der Speicherzelle zu ändern.
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B2 Schwache-Zelle-Test
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Um die Integrität der Speicherzelle 140 zu verifizieren, führt die Datenhalteüberwachungseinrichtung 100 einen Schwache-Zelle-Test durch. Der Schwache-Zelle-Test bestimmt, ob in der zu testenden Speicherzelle 140 ein niedrigerer als erwarteter Widerstand vorliegt. Falls ein niedrigerer Widerstand vorliegt, fließt ein höherer Strom durch die Zelle und die Zelle besteht den Schwache-Zelle-Test nicht. Bevor ein Schwache-Zelle-Test durchgeführt wird, wird der Inhalt (Zustand) der Speicherzelle 140 bestimmt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird der aktuelle Zustand der Speicherzelle 140 verwendet, um den Wert von Vref 165 einzustellen.
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Um den Schwache-Zelle-Test durchzuführen, wählt der Schalter 130 eine Schwache-Zelle-Filterspannung 155 aus, und legt dieselbe über die Klemmschaltung 120 und den Schalter 160 an die Datenleitung 135 an. Die Schwache-Zelle-Filterspannung 155 ist höher als die Lesespannung 145, um die Speicherzelle 140 zu belasten. Ein Komparator 150 vergleicht die Spannung auf der Datenleitung 135 an dem Knoten 170 mit einer Referenzspannung Vref 165. Falls die Spannung an dem Knoten 170 im Wesentlichen gleich ist wie die Referenzspannung Vref 165, besteht die Speicherzelle 140 den Schwache-Zelle-Test und muss nicht neu beschrieben werden. Umgekehrt, wenn die Spannung an dem Knoten 170 nicht im Wesentlichen gleich ist wie die Referenzspannung Vref 165, besteht die Speicherzelle 140 den Schwache-Zelle-Test nicht und muss neu beschrieben werden, auf die Weise, die in dem Abschnitt B1 oben beschrieben ist. Es sollte angemerkt werden, dass unterschiedliche Werte von Vref für unterschiedliche Speicherzustände verwendet werden.
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Alternativ kann der Schwache-Zelle-Test durchgeführt werden, indem die Spannung an dem Knoten 170 während der Leseoperation als die Referenzspannung Vref 165 verwendet wird. Diese Spannung, die anfangs von der Zelle 140 gelesen wird, wird mit der Spannung aufgrund der Schwache-Zelle-Filterspannung 155 an dem Knoten 170 verglichen. Ein Neuschreiben ist erforderlich, falls die Spannungen sich um zumindest einen vorbestimmten Betrag unterscheiden.
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Die Lese-, Schreib- und Verifizierungsparameter variieren mit den Umweltbedingungen. Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt eine Durchbruchspannung der Speicherzelle 140 bei 85°C etwa 1 V, die Lesespannung 145 liegt typischerweise innerhalb eines ungefähren Bereichs von 50 mV bis 800 mV, und die Schwache-Zelle-Filterspannung 155 liegt typischerweise innerhalb eines ungefähren Bereichs von 50 mV bis 1 V höher als die Lesespannung 145. Wenn sich die Temperatur der Speicherzelle 140 erhöht, werden niedrigere Lese- und Schwache-Zelle-Spannungen benötigt.
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Der Schwache-Zelle-Test ist ein aggressives Auslesen, das die Daten in der Speicherzelle 140 zerstört, falls die Speicherzelle 140 nahe einem Ausfall ist. Daher werden die Daten vor dem Durchführen eines Schwache-Zelle-Tests entweder von der Speicherzelle 140 gelesen oder kurz davor in die Speicherzelle 140 geschrieben, so dass die Daten bekannt sind. Während des Schwache-Zelle-Tests behält eine normale Zelle den halbamorphen oder amorphen Zustand bei. Falls eine Speicherzelle den Schwache-Zelle-Test nicht besteht, wird der Zustand der Speicherzelle kristalliner. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die schwachen Zellen gekennzeichnet, so dass, falls eine Speicherzelle eine höhere als normale Ausfallrate aufweist, diese Zelle bei zukünftigen Schreibschritten übersprungen werden kann.
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Bei höheren Temperaturen ist eine Speicherzelle 140 anfälliger für einen Ausfall, da die höheren Temperaturen dazu neigen, eine Kristallisation des PCM-Materials zu bewirken. Der höhere Strom, der während des Schwache-Zelle-Tests an den PCM geliefert wird, imitiert einen Hochtemperaturbetrieb des PCM. Dieser Test stellt sicher, dass der PCM bei allen gewünschten Temperaturen arbeiten wird. Außerdem können durch das Kennzeichnen von Zellen, die anfällig für einen Ausfall sind, diese Zellen gemieden werden.
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C Betriebstests
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Es gibt drei Betriebstests für die Datenhalteüberwachungseinrichtung 100 von 1, einen Schreibverifizierungstest, einen Hintergrundspeichertest und einen Vordergrundspeichertest, wie es nachfolgend mit Bezug auf 2 bis 4 erklärt wird. Bei einer typischen Anwendung sind eine Mehrzahl von Speicherzellen in einem Array angeordnet.
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C1 Schreibverifizierungstest
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Ein Schreibverifizierungstest 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 2 gezeigt. Ein Schreibverifizierungstest umfasst das Durchführen eines Schwache-Zelle-Tests, um den Inhalt der Speicherzelle zu verifizieren, nachdem die Daten in eine Speicherzelle geschrieben wurden. Die Daten, die in die Speicherzelle geschrieben werden, werden verwendet, um Vref zu bestimmen.
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Der Schreibverifizierungstest beginnt durch Auswählen einer Speicherzelle 140, die ein Phasenänderungsmaterial umfasst (S210). Nachdem die Speicherzelle 140 ausgewählt wird, werden Daten in die ausgewählte Speicherzelle 140 geschrieben (S220), durch Zuführen eines Strom von der Stromquelle 110, wie es oben in Abschnitt B1 beschrieben ist. Nachdem die Daten in die Speicherzelle 140 geschrieben sind (S220), wird ein Schwache-Zelle-Test durchgeführt (S240) auf die Weise, die oben in Abschnitt B2 beschrieben ist. Falls die Speicherzelle 140 den Schwache-Zelle-Test besteht (S250), wird der Prozess mit der Auswahl der nächsten Speicherzelle 140 in dem Array wiederholt (S210). Andererseits, falls die Speicherzelle 140 den Schwache-Zelle-Test nicht besteht (S250), werden die Daten zuerst in die Speicherzelle 140 neu geschrieben (S260), wie es oben in Abschnitt B1 beschrieben ist, und dann wird der Prozess mit der Auswahl der nächsten Speicherzelle 140 in dem Array wiederholt (S210).
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Um zu verifizieren, dass die Daten in die Speicherzelle 140 geschrieben wurden, können die Daten optional von der Speicherzelle 140 gelesen werden (S230) und an einer anderen Stelle gespeichert werden, in dem Fall, in dem die Daten in der Speicherzelle während des Schwache-Zelle-Tests zerstört wurden. Um die Daten zu lesen, falls es erforderlich ist, wird eine Lesespannung 140 durch den Schalter 130 ausgewählt und über die Klemmschaltung 120 und den Schalter 160 an die Datenleitung 135 angelegt. Eine Spannung an dem Knoten 170 stellt die Daten in der Speicherzelle 140 dar. Diese Daten können dann an einer anderen Position gespeichert werden. Es sollte angemerkt werden, dass der Schritt des Lesens der Daten von der Speicherzelle (S230) nicht bei allen Ausführungsbeispielen erforderlich ist, weil die Daten, die in den Speicher geschrieben werden (S220) typischerweise nach wie vor für ein Neuschreiben verfügbar sind.
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C2 Hintergrundspeichertest
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3 ist ein Flussdiagramm, das einen Hintergrundspeichertest 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Ein Hintergrundspeichertest ist ein Test, bei dem eine Instandhaltungsprüfung in einem Speicherarray unabhängig von Lese- oder Schreiboperationen durchgeführt wird.
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Der Hintergrundspeichertest 300 beginnt durch Auswählen einer Speicherzelle 140, die ein Phasenänderungsmaterial umfasst (S310). Nachdem die Speicherzelle 140 ausgewählt ist, wird bestimmt, ob die Speicherzelle 140 verwendet wird, d. h. ob von derselben gelesen wird oder in dieselbe geschrieben wird (S320). Bei einem Ausführungsbeispiel führt das System diese Bestimmung durch durch Analysieren des Zustands des Schalters 160; falls der Schalter 160 eingeschaltet ist, wird die Speicherzelle 140 verwendet, und falls der Schalter 160 nicht eingeschaltet ist, wird die Speicherzelle 140 nicht verwendet.
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Falls die Speicherzelle 140 verwendet wird, wird die nächste Speicherzelle 140 in dem Speicherzellenarray ausgewählt (S310), um den normalen Betrieb der Speicherzelle 140 nicht zu stören. Andererseits, falls die Speicherzelle 140 nicht verwendet wird, werden Daten von der Speicherzelle 140 gelesen (S330). Um die Daten zu lesen, wird eine Lesespannung 145 durch den Schalter 130 ausgewählt und über die Klemmschaltung 120 und den Schalter 160 an die Datenleitung 135 angelegt. Eine Spannung an dem Knoten 170 stellt die Daten in der Speicherzelle 140 dar. Die Daten, die von der Speicherzelle 140 gelesen werden, werden verwendet, um den Wert zu bestimmen, der für Vref verwendet wird.
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Als nächstes wird ein Schwache-Zelle-Test durchgeführt (S340), auf die oben in Abschnitt B2 beschriebene Weise. Falls die Speicherzelle 140 den Schwache-Zelle-Test besteht (S350), wird der Prozess wiederholt durch Auswählen einer nächsten Speicherzelle 140 in dem Array zum Testen (S310). Alternativ, falls die Speicherzelle 140 den Schwache-Zelle-Test nicht besteht, werden die Daten neu in die Speicherzelle 140 geschrieben (S360), auf die Weise, die oben in Abschnitt B1 beschrieben ist, und nach dem Neuschreiben der Daten wird der Prozess wiederholt durch Auswählen der nächsten Speicherzelle 140 in dem Array (S310).
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C3 Vordergrundspeichertest
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4 stellt einen Vordergrundspeichertest 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Ein Vordergrundspeichertest ist ein Test, bei dem ein Schwache-Zelle-Test zum Verifizieren des Speicherzelleninhalts durchgeführt wird, während eine Speicherzelle gelesen wird.
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Der Vordergrundspeichertest 400 beginnt durch Auswählen einer Speicherzelle 140, die ein Phasenänderungsmaterial umfasst (S410). Als nächstes werden Daten von der Speicherzelle 140 gelesen (S420). Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Daten vorübergehend an einer anderen Position gespeichert. Um die Daten zu lesen, wird eine Lesespannung 145 durch den Schalter 130 ausgewählt und über die Klemmschaltung 120 und den Schalter 160 an die Datenleitung 135 angelegt. Eine Spannung an dem Knoten 170 stellt die Daten in der Speicherzelle 140 dar. Die Daten, die von der Speicherzelle 140 gelesen werden, werden verwendet, um den Wert zu bestimmen, der für Vref verwendet wird. Das System führt dann einen Schwache-Zelle-Test durch (S430), wie es oben in Abschnitt B2 beschrieben ist. Falls die Zelle den Schwache-Zelle-Test besteht (S440), wird die nächste Speicherzelle 140 für eine Leseoperation ausgewählt (S410). Falls die Speicherzelle 140 den Schwache-Zelle-Test nicht besteht, werden die Daten, die gelesen wurden, neu in die Speicherzelle 140 geschrieben (S450), wie es oben in Abschnitt B1 beschrieben ist, und dann wird die nächste Speicherzelle 140 ausgewählt (S410).
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Es sollte angemerkt werden, dass das System beim Betrieb zwischen den Betriebsmodi schalten kann. Das System kann zwischen Lesen und Schreiben von Speicherzellen und Verifizieren dieser Zellen schalten. Außerdem sollte angemerkt werden, dass bei einem Ausführungsbeispiel unterschiedliche Zellen in einem Array gleichzeitig gelesen, beschrieben oder verifiziert werden können. Nachdem eine Zelle den Schwache-Zelle-Test nicht besteht, kann bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung der Reparaturschritt des Neuschreibens der Daten so geplant werden, dass er zu einem späteren Zeitpunkt durchgeführt wird, oder derselbe kann mehrere Male wiederholt werden, falls es notwendig ist, um die Inhalte einer schwachen Zelle wiederherzustellen.
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PCMs funktionieren in allen Situationen, wo ein nichtflüchtiger Speicher verwendet wird, einschließlich Mobiltelefonen, SIM-Karten, Datenspeichermedien, ID-Karten, Zugriffssteuerungskarten, Chargecards, Hotelzugangskarten, Ausweisen, U-Bahn-Karten und dergleichen. In diesen Umgebungen muss der PCM bei einer Umgebung von etwa 85°C arbeiten. Bei anderen Situationen, wie z. B. Automobilalarmanlagen wird von einem PCM erwartet, dass er in Umgebungen von 150°C oder höher funktioniert. Automobilanwendungen umfassen Alarmanlagen, Benzineinspritzsteuerungen und dergleichen. Bei modernen Autos sind Teile der Elektronik für den Alarm in der Ölwanne befestigt. Auf diese Weise kann ein Dieb nicht auf den Steuerabschnitt oder Speicherabschnitt des Alarms zugreifen, um denselben zu deaktivieren. Die extremen Bedingungen in dem Motor können jedoch den PCM verschlechtern. Datenverlust bei erhöhten Temperaturen wird überwiegend allmählicher Kristallisation zugeschrieben. Somit kann der oben beschriebene Lösungsansatz verwendet werden, um diese Zellen herauszufiltern. Daher stellt der Schwache-Zelle-Test sicher, dass Daten bei diesen extremen Bedingungen nicht verloren gehen.
