DE102016012071A1 - Matrix with capacitive control device - Google Patents

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Kai-Uwe Demasius
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Abstract

Hauptanspruch: Kapazitive Matrixvorrichtung, umfassend ein aktives Medium (1), welches mit elektrischen Feldern (13) angesteuert werden kann oder selber elektrische Streufelder erzeugt, wobei das aktive Medium (1) in einer Schicht zwischen einem ersten Satz und einem zweiten Satz von jeweiligen parallelen Adressierungselektroden eingebettet ist, wobei die Elektroden des ersten Satzes Wortleitungen (2) der Matrixvorrichtung bilden und vorzugsweise in einer orthogonalen Beziehung zu den Elektroden des zweiten Satzes sind, wobei die letzteren Bitleitungen (3) der Matrixvorrichtung bilden, und an den Kreuzungspunkten zwischen den Wortleitungen (2) und Bitleitungen (3) Kondensatorzellen (4) mit dem dazwischenliegenden aktiven Medium (1) definiert sind, wobei die Kondensatorzellen (4) durch Ansteuerung der Wortleitungen (2) und Bitleitungen (3) ausgewählt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die Wortleitungen (2) durch ein Material mit veränderlicher Debye-Länge ersetzt werden, die Wortleitungen zwischen einer ganzflächigen Bezugselektrode (5) oder mehreren gestreiften Bezugselektroden (6) und den Bitleitungen (3) eingebettet sind, das aktive Medium (1) zwischen der ganzflächigen Bezugselektrode (5) oder den gestreiften Bezugselektroden (6) und den Wortleitungen (2) angeordnet wird und sich zwischen den Wortleitungen (2) und Bitleitungen (3) ein nicht-aktives Dielektrikum (7) befindet, wobei die ganzflächige Bezugselektrode (5) oder die gestreiften Bezugselektroden (6) und die Bitleitungen (3), sowie das aktive Medium (1) und das nicht-aktive Dielektrikum (7), jeweils beliebig vertauscht werden können.Main claim: Capacitive matrix device comprising an active medium (1) which can be driven by electric fields (13) or which itself generates stray electric fields, the active medium (1) being in a layer between a first set and a second set of respective parallel Embedded addressing electrodes, wherein the electrodes of the first set of word lines (2) of the matrix device and are preferably in an orthogonal relationship to the electrodes of the second set, the latter form bit lines (3) of the matrix device, and at the crossing points between the word lines ( 2) and bit lines (3) capacitor cells (4) are defined with the intermediate active medium (1), wherein the capacitor cells (4) by driving the word lines (2) and bit lines (3) can be selected, characterized in that the word lines (2) be replaced by a variable Debye length material, ie e word lines between a full-area reference electrode (5) or a plurality of striped reference electrodes (6) and the bit lines (3) are embedded, the active medium (1) between the whole-area reference electrode (5) or the striped reference electrodes (6) and the word lines (2 ) and between the word lines (2) and bit lines (3) is a non-active dielectric (7), wherein the full-area reference electrode (5) or the striped reference electrodes (6) and the bit lines (3), as well as the active Medium (1) and the non-active dielectric (7), each can be reversed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2.The invention relates to a device and a method according to the preamble of claim 1 and 2, respectively.

In vielen Bereichen der Mikroelektronik wird eine Matrix aus Speicher-, Sensor-, Aktor- oder Bildelementen aufgebaut. Dabei müssen die einzelnen Elemente mit einer Adresse angesteuert werden, ohne dass Nachbarzellen gestört werden. Für Speicherbauelemente spielen solche Matrixvorrichtungen eine große Rolle, um hohe Speicherdichten und schnelle Zugriffsgeschwindigkeiten zu erzielen und einen Ersatz für den heute üblichen Flash-Speicher zu erhalten.In many areas of microelectronics, a matrix of memory, sensor, actuator or picture elements is built. The individual elements must be addressed with an address without disturbing neighboring cells. For memory devices, such matrix devices play a major role in achieving high storage densities and fast access speeds, and to provide a replacement for today's conventional flash memory.

Dabei unterscheidet man allgemein zwischen einer passiven und einer aktiven Matrix (z. B. Willem den Boer: „Active Matrix Liquid Crystal Displays. Fundamentals and Applications” 1st Edition, Elsevier, 2005 und Temkar N. Ruckmongathan: „Addressing Techniques of Liquid Crystal Displays”, Wiley, 2014 ). Die passive Matrix besteht aus zueinander senkrechten Metalllinien, die die Zeilen (Bitleitungen (3)) und Spalten (Wortleitungen (2)) aufspannen. An den Kreuzungspunkten sind Zellen (4) definiert in welchen das aktive Medium (1) durch einen Stromfluss oder ein elektrisches Feld angesteuert werden kann. Vorteil dieser Anordnung ist, dass sie einfach herzustellen ist und bei Speicherchips sehr hohe Dichten (4F2 mit F: minimum featured size) erzielt werden können. Größter Nachteil, welcher die Anwendung einer passiven Matrix bisher verhindert ist, dass die Nachbarzellen parasitär gestört werden. Nur bei organischen ferroelektrischen Speichern kann dieses Prinzip eingesetzt werden, welches jedoch Nachteile hinsichtlich Materialverschleiß und Speicherzeit hat ( EP 1 316 090 B1 ; EP 1 798 732 A1 ; US 2006 0046344 A1 ; US20020017667A1 ; US20030137865A1 ). Die aktive Matrix benutzt ein aktives elektronisches Element zur Ansteuerung der einzelnen Elemente. Dies kann eine Diode oder ein Transistor sein. Die Diode würde den Vorteil einer kompakten Bauweise und bei Speicherchips einer genauso hohen Dichte wie bei einer passiven Ansteuerung (4F2) bieten. Jedoch hat eine Diode bei resistiven Elementen bereits häufig das Problem, dass das Einschalt-/Ausschalt-Verhältnis zu gering ist und sich in Flüssigkristallanzeigen schlechte Kontraste erzielen lassen. Zudem wirkt eine Diode selbst wie eine Kapazität und wenn die anzusteuernden Elemente selbst Kapazitäten sind, wie z. B. bei Flüssigkristallanzeigen ( US20110090443 )/elektronischem Papier ( US20080043317 )/Mikrospiegelarray ( US5583688 ) oder ferroelektrischen Speichern ( EP 1 316 090 B1 ) ist eine Ansteuerung schwierig (Spannungsteiler). Für resistive Speicherelementen können häufig Dioden eingesetzt werden ( US20060002168A1 ; WO200385675A2 ). Eine Transistoransteuerung ( US20030053351A1 ; US6438019 ) ermöglicht deutlich höhere Einschalt-/Ausschalt-Verhältnisse und außerdem können Kapazitäten geschaltet werden. Weiterhin lässt sich bei Bildschirmen der Kontrast gut steuern. Nachteile sind mehr technologische Herstellungsschritte und bei Speichern meistens ein höherer Platzbedarf. Generell unterscheidet man bei Speichern mit Transistoransteuerung zwischen der NAND- ( US5088060 ) und der NOR-Architektur ( US7616497 ), wobei die NAND-Architektur hohe Speicherdichten (4F2) ermöglicht, dafür aber deutlich längere Zugriffszeiten benötigt. Die NOR-Architektur hat einen höheren Platzbedarf (6–8F2) ist aber dafür schnell ( Betty Prince: „Semiconductor Memories: A Handbook of Design, Manufacture and Application”, 2nd Edition, Wiley, 1995 ). Die Nachteile dieser zwei unterschiedlichen Architekturen bilden neben entsprechenden Speichermaterialien eines der Ursachen, wieso ein Universalspeicher, welcher SRAM, DRAM, Flash-Speicher und Festplatte vom Computer ersetzt, bisher fehlt. Daher wäre eine Architektur, welche die Vorteile der NAND- und NOR-Architektur kombiniert, wünschenswert. Ein Universalspeicher müsste mehrere Spezifikationen erfüllen, wozu eine hohe Speicherdichte zählt, eine hohe Schreib- und Lesegeschwindigkeit, sowie eine genügend hohe Anzahl an Schreib-/Lesezyklen. Ein weiteres Kriterium in Hinblick auf mobile Anwendungen ist ein niedriger Energieverbrauch. Eine mögliche alternative Technologie zu den Flash-Speichern ist ein ferroelektrischer Speicher, wobei diese mittlerweile eine hohe Anzahl an Schreib-/Lesezyklen (1012–1015) besitzen und in etwa so schnell wie DRAM-Speicher sind. Größtes bisheriges Problem sind die Skalierbarkeit und Speicherdichte, da die ferroelektrischen Materialien wenig kompatibel zu der siliciumbasierten CMOS-Logik sind. Neue Speichertechnologien sind auch in Hinblick auf künstliche neuronale Netzwerke wichtig. In herkömmlichen Computern sind die Verarbeitung und Speicherung von Informationen strikt getrennt, wohingegen das Gehirn eine solche Trennung nicht besitzt, und aus diesem Grund eine nichtflüchtige Speicherlösung erschaffen werden muss, welche gut in die Verarbeitungseinheiten eingebettet werden kann. Ein künstliches neuronales Netzwerk besteht aus Neuronen und Synapsen, welche Gewichte zum Beispiel in Form eines Widerstandswertes speichern. Die Neuronen, weisen meistens ein sigmoidales Übertragungsverhalten für die Aktivierungsfunktion auf, wofür häufig eine kompliziertere Transistorschaltung nötig ist ( US3476954 ; US8694452 ), welche einen hohen Energieverbrauch besitzt und kompliziert herzustellen ist.In general, a distinction is made between a passive and an active matrix (eg Willem den Boer: "Active Matrix Liquid Crystal Displays. Fundamentals and Applications "1st Edition, Elsevier, 2005, and Temkar N. Ruckmongathan:" Addressing Techniques of Liquid Crystal Displays, "Wiley, 2014 ). The passive matrix consists of mutually perpendicular metal lines that line (bit lines ( 3 )) and columns (word lines ( 2 )). At the crossings, cells ( 4 ) in which the active medium ( 1 ) can be driven by a current flow or an electric field. The advantage of this arrangement is that it is easy to manufacture and very high densities (4F 2 with F: minimum featured size) can be achieved with memory chips. The biggest disadvantage which hitherto prevents the use of a passive matrix is that the neighboring cells are parasitically disturbed. Only in the case of organic ferroelectric memories can this principle be used, which, however, has disadvantages with regard to material wear and storage time ( EP 1 316 090 B1 ; EP 1 798 732 A1 ; US 2006 0046344 A1 ; US20020017667A1 ; US20030137865A1 ). The active matrix uses an active electronic element to control the individual elements. This can be a diode or a transistor. The diode would offer the advantage of a compact design and with memory chips as dense as a passive drive (4F 2 ). However, a diode in resistive elements often has a problem that the turn-on / turn-off ratio is too low and poor contrasts can be obtained in liquid crystal displays. In addition, a diode itself acts as a capacitor and if the elements to be controlled are themselves capacitances, such. B. in liquid crystal displays ( US20110090443 ) / electronic paper ( US20080043317 ) / Micromirror array ( US5583688 ) or ferroelectric memories ( EP 1 316 090 B1 ) is difficult to control (voltage divider). Diodes can often be used for resistive memory elements ( US20060002168A1 ; WO200385675A2 ). A transistor driver ( US20030053351A1 ; US6438019 ) allows significantly higher turn-on / turn-off ratios and also allows capacitors to be switched. Furthermore, the contrast can be controlled well on screens. Disadvantages are more technological manufacturing steps and in stores usually a larger footprint. In general, in the case of memories with transistor control, a distinction is made between the NAND ( US5088060 ) and the NOR architecture ( US7616497 ), where the NAND architecture enables high storage densities (4F 2 ), but requires significantly longer access times. The NOR architecture has a higher footprint (6-8F 2 ) but is fast ( Betty Prince: "Semiconductor Memories: A Handbook of Design, Manufacture and Application," 2nd Edition, Wiley, 1995 ). The disadvantages of these two different architectures, in addition to corresponding storage materials, is one of the reasons why a universal memory, which replaces SRAM, DRAM, flash memory and hard disk from the computer, has so far been missing. Therefore, an architecture that combines the advantages of the NAND and NOR architecture would be desirable. A universal memory would have to meet several specifications, including high memory density, high write and read speeds, and a sufficiently high number of read / write cycles. Another criterion with regard to mobile applications is low energy consumption. A possible alternative technology to the flash memories is a ferroelectric memory, which now has a high number of write / read cycles (10 12 -10 15 ) and are about as fast as DRAM memory. The biggest problem so far has been scalability and storage density because the ferroelectric materials are less compatible with the silicon-based CMOS logic. New storage technologies are also important in terms of artificial neural networks. In conventional computers, the processing and storage of information is strictly separate, whereas the brain does not have such separation, and for this reason a nonvolatile storage solution must be created which can be well embedded in the processing units. An artificial neural network consists of neurons and synapses, which store weights in the form of a resistance value, for example. The neurons usually have a sigmoidal transfer behavior for the activation function, which often requires a more complicated transistor circuit ( US3476954 ; US8694452 ), which has a high energy consumption and is complicated to manufacture.

In dem Patent DE 10 2010 045 363 wurde bereits ein Halbleitersensor veröffentlicht, der ein statisches Feld zu einem Wechselfeld modulieren kann. Das Patent beinhaltet durch seine Modulation der beweglichen Ladungsträgerkonzentration in einem Halbleiter eine Steuerung eines elektrischen Feldes oder Potentials. Hierzu wird die sogenannte Debye-Länge ausgenutzt, welche die typische Abschirmlänge eines Feldes in einen Festkörper angibt:

Figure DE102016012071A1_0002

LD:
Debye-Länge
ε0:
Elektrische Feldkonstante
εr:
relative Dielektrizitätskonstante des Materials
kB:
Boltzmannkonstante
T:
Temperatur
e:
Elementarladung
n:
bewegliche Ladungsträgerkonzentration (Elektronen- und Löcherkonzentration)
In the patent DE 10 2010 045 363 A semiconductor sensor has already been published which can modulate a static field to an alternating field. The patent involves by its modulation of the mobile carrier concentration in a semiconductor controlling an electric field or potential. For this purpose, the so-called Debye length is used, which indicates the typical shielding length of a field in a solid body:
Figure DE102016012071A1_0002
L D :
Debye length
ε 0 :
Electric field constant
ε r:
relative dielectric constant of the material
k B :
Boltzmann constant
T:
temperature
e:
elementary charge
n:
mobile charge carrier concentration (electron and hole concentration)

Das Feld beschreibt dabei für niedrige Felder einen exponentiellen Abfall in den Festkörper:

Figure DE102016012071A1_0003

E:
Elektrische Feldstärke im Festkörper
E0:
Feldstärke am Festkörperanfang bei x = 0
x:
Position im Festkörper
For low fields, the field describes an exponential decay into the solid:
Figure DE102016012071A1_0003
e:
Electric field strength in the solid state
E 0 :
Field strength at the solids start at x = 0
x:
Position in the solid state

Ist die bewegliche Ladungsträgerkonzentration n sehr niedrig, so ist die Debye-Länge gering und das Feld kann den Festkörper gut durchdringen, sofern dieser wesentlich dünner als die Debye-Länge ist. Ist die bewegliche Ladungsträgerkonzentration hingegen hoch, so wird das Feld gut abgeschirmt, und wenn die bewegliche Ladungsträgerkonzentration moduliert wird, so wird das transmittierte Feld unterschiedlich stark transmittiert und in ein Wechselfeld konvertiert. Auf diese Weise wird ein Schalter für elektrische Felder realisiert. Aufgabe dieser Erfindung ist es deshalb eine aktive Ansteuerung von kapazitiven Elementen in einer Matrix mit den Vorteilen einer passiven Ansteuerung (einfache Herstellung, hohe Speicherdichte, schnelle Zugriffszeit) zu ermöglichen. Gleichzeitig soll in Hinblick auf künstliche neuronale Netzwerke die Aktivierungsfunktion eines Neurons leichter modelliert werden können.If the mobile carrier concentration n is very low, the Debye length is low and the field can penetrate the solid well, if this is much thinner than the Debye length. On the other hand, if the mobile charge carrier concentration is high, the field is well shielded, and if the mobile carrier concentration is modulated, the transmitted field is transmitted with different intensity and converted into an alternating field. In this way, a switch for electric fields is realized. The object of this invention is therefore to enable an active activation of capacitive elements in a matrix with the advantages of a passive drive (simple production, high storage density, fast access time). At the same time, with regard to artificial neural networks, the activation function of a neuron should be easier to model.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren nach den Ansprüchen 1–3 gelöst. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wortleitungen (2) durch ein Material mit veränderlicher Debye-Länge ersetzt werden, die Wortleitungen (2) zwischen einer ganzflächigen Bezugselektrode (5) oder mehreren gestreiften Bezugselektroden (6) und den Bitleitungen (3) eingebettet sind, das aktive Medium (1) zwischen der ganzflächigen Bezugselektrode (5) oder den gestreiften Bezugselektroden (6) und den Wortleitungen (2) angeordnet wird und sich zwischen den Wortleitungen (2) und Bitleitungen (3) ein nicht-aktives Dielektrikum (7) befindet, wobei die ganzflächige Bezugselektrode (5) oder die gestreiften Bezugselektroden (6) und die Bitleitungen (3), sowie das aktive Medium (1) und das nicht-aktive Dielektrikum (7), jeweils beliebig vertauscht werden können. In den Wortleitung (2) wird zum Beispiel durch Änderung der Ladungsträgerkonzentration die Transmission eines elektrischen Feldes (13) gesteuert. Zwischen der Wortleitung (2) und der Bezugselektrode (5, 6) ist ein nicht-aktives Dielektrikum (7) angeordnet, welches reine Isolationszwecke erfüllt. Im Folgenden beschreibt ϕR das Potential der Bezugselektrode (5, 6), ϕB das Potential der Bitleitung (3) und ϕW das Potential der Wortleitung (2). Um nun in der Matrix in dem aktiven Medium (1) punktuell ein elektrisches Feld (13) zu erzeugen gibt es nach Anspruch 2 zwei mögliche Verfahren:

  • 1) (siehe 5) Zwischen der ausgewählten Bitleitung (3) und Bezugselektrode (5, 6) liegt in diesem Fall eine Potentialdifferenz (ϕB ≠ ϕR) vor, sodass ein elektrisches Feld (13) erzeugt wird, wie im ersten Teil des Anspruches 2 beschrieben. Wenn in der ausgewählten Wortleitung (2) nun eine solche Debye-Länge vorliegt, dass das elektrische Feld (13) gut transmittiert wird, so wird an dem Kreuzungspunkt zwischen der ausgewählten Wortleitung (2) und der ausgewählten Bitleitung (3) ein elektrisches Feld (13) zu der Bezugselektrode (5, 6) transmittiert, sodass dieses in einem aktiven Medium (1) etwas bewirken kann (z. B. Bei einem Ferroelektrikum eine Polarisationsänderung, die remanent bleibt). Wird in den nicht-ausgewählten Wortleitungen (2) nun eine kurze Debye-Länge eingestellt, so wird das elektrische Feld (13) welches zwischen der ausgewählten Bitleitung (3) und der Bezugselektrode (5, 6) vorliegt unterbrochen. Dabei muss beachtet werden, dass sich die Wortleitung (2) in diesem Falle nahezu metallisch verhält und bei Vorliegen einer Potentialdifferenz zwischen Wortleitung (2) und Bezugselektrode (5, 6) bzw. Bitleitung (3) ein elektrisches Feld (13) ausbilden würde. Ist das aktive Medium (1) somit zwischen Wortleitung (2) und Bezugselektrode (5, 6) angeordnet (wie in 5 dargestellt), so muss das Potential der Wortleitung (2) entsprechend identisch zur Bezugselektrode (5, 6) gewählt werden (ΦW = ϕR). Das sich ausbildende Feld zwischen Wortleitung und Bitleitung in dem nicht-aktiven Dielektrikum stört nicht weiter, da das nicht-aktive Dielektrikum keine Funktion wahrnimmt, außer einer Isolation. Andernfalls, wenn sich das aktive Medium (1) zwischen Wortleitung (2) und Bitleitung (3) befindet (nicht in 5 dargestellt), so ist das Potential der Wortleitung (2) identisch zu der Bitleitung (3) zu wählen (ϕW = ϕB).
  • 2) (siehe 6) Zwischen der ausgewählten Bitleitung (3) und Bezugselektrode (5, 6) kann auch ein identisches Potential vorliegen (ϕB = ϕR), wobei das elektrische Feld (13) in dem aktiven Medium (1) diesmal durch eine kurze Debye-Länge in der ausgewählten Wortleitung (2) erzeugt wird. Die Wortleitung (2) verhält sich dann wieder nahezu metallisch und wenn diese eine Potentialdifferenz zur Bitleitung (3) und damit auch zur Bezugselektrode (5, 6) besitzt (ϕW ≠ ϕB), so wird in dem aktiven Medium (1) ein elektrisches Feld (13) generiert. Wird nun an die nicht-ausgewählte Wortleitung (2) eine lange Debye-Länge eingestellt, sodass das Potential der Bitleitung (3) und der Bezugselektrode (5, 6) gut transmittiert wird, so verschwindet das elektrische Feld (13) aus dem aktiven Medium (1). Das Wortleitungspotential kann in diesem Fall beliebig gewählt werden, da dieses durch die Transmission keine Wirkung mehr erzielt. Das heißt die Debye-Länge zwischen Auswahl und nicht-Auswahl verhält sich hier genau umgekehrt, im Vergleich zum 1. Fall des Anspruches 2.
This object is achieved by a device and a method according to claims 1-3. The object is achieved according to the invention in that the word lines ( 2 ) are replaced by a variable-length Debye material, the word lines ( 2 ) between a whole-area reference electrode ( 5 ) or multiple striped reference electrodes ( 6 ) and the bitlines ( 3 ), the active medium ( 1 ) between the whole-area reference electrode ( 5 ) or the striped reference electrodes ( 6 ) and the word lines ( 2 ) and between the word lines ( 2 ) and bitlines ( 3 ) a non-active dielectric ( 7 ), wherein the whole-area reference electrode ( 5 ) or the striped reference electrodes ( 6 ) and the bitlines ( 3 ), as well as the active medium ( 1 ) and the non-active dielectric ( 7 ), each can be reversed. In the word line ( 2 ), for example by changing the charge carrier concentration, the transmission of an electric field ( 13 ) controlled. Between the word line ( 2 ) and the reference electrode ( 5 . 6 ) is a non-active dielectric ( 7 ), which meets pure isolation purposes. In the following, φ R describes the potential of the reference electrode ( 5 . 6 ), φ B is the potential of the bit line ( 3 ) and φ W the potential of the word line ( 2 ). Order now in the matrix in the active medium ( 1 ) selectively an electric field ( 13 ) there are two possible methods according to claim 2:
  • 1) (see 5 ) Between the selected bit line ( 3 ) and reference electrode ( 5 . 6 ) there is a potential difference (φ B ≠ φ R ) in this case, so that an electric field ( 13 ) is generated, as described in the first part of claim 2. If in the selected word line ( 2 ) is now present such a Debye length that the electric field ( 13 ) is transmitted well, then at the intersection between the selected word line ( 2 ) and the selected bit line ( 3 ) an electric field ( 13 ) to the reference electrode ( 5 . 6 ) so that it is in an active medium ( 1 ) can cause something (eg in the case of a ferroelectric a polarization change that remains remanent). Is used in the non-selected word lines ( 2 ) now set a short Debye length, so the electric field ( 13 ) which is between the selected bit line ( 3 ) and the reference electrode ( 5 . 6 ) is interrupted. It should be noted that the word line ( 2 ) behaves almost metallically in this case and in the presence of a potential difference between word line ( 2 ) and reference electrode ( 5 . 6 ) or bit line ( 3 ) an electric field ( 13 ) would train. Is the active medium ( 1 ) thus between word line ( 2 ) and reference electrode ( 5 . 6 ) (as in 5 shown), the potential of the word line ( 2 ) corresponding to identical to the reference electrode ( 5 . 6 ) (Φ W = φ R ). The forming field between the word line and bit line in the non-active dielectric does not interfere because the non-active dielectric does not perform any function except isolation. Otherwise, if the active medium ( 1 ) between word line ( 2 ) and bit line ( 3 ) is located (not in 5 shown), the potential of the word line ( 2 ) identical to the bit line ( 3 ) (φ W = φ B ).
  • 2) (see 6 ) Between the selected bit line ( 3 ) and reference electrode ( 5 . 6 ) can also be an identical potential (φ B = φ R ), wherein the electric field ( 13 ) in the active one Medium ( 1 ) this time by a short Debye length in the selected word line ( 2 ) is produced. The word line ( 2 ) then behaves almost metallic again and if this has a potential difference to the bit line ( 3 ) and thus also to the reference electrode ( 5 . 6 ) has (φ W ≠ φ B ), then in the active medium ( 1 ) an electric field ( 13 ) generated. Now to the non-selected word line ( 2 ) set a long Debye length such that the potential of the bit line ( 3 ) and the reference electrode ( 5 . 6 ) is transmitted well, the electric field disappears ( 13 ) from the active medium ( 1 ). The word line potential can be chosen arbitrarily in this case, since this no longer achieves an effect by the transmission. That is, the Debye length between selection and non-selection behaves exactly the opposite here, in comparison to the first case of claim 2.

Die Anordnung aus dem Anspruch 1 ermöglicht jedoch auch die Detektion von elektrischen Feldern (13) in dem aktiven Medium, wie in Anspruch 3 beschrieben (siehe 7). Hierzu werden die Potentiale der Wortleitung (2), Bitleitung (3) und der Bezugselektrode (5, 6) gleich gesetzt, und die Debye-Länge wird in der auszuwählenden Wortleitung (2) verändert, sodass in der ausgewählten Bitleitung (3) ein Strom durch die Influenz von Ladungen gemessen werden kann, da das elektrische Feld (13) von dem aktiven Medium (1), welches sich zwischen der Wortleitung (2) und Bezugselektrode (5, 6) befindet, einen Wechsel von Transmission zur Abschirmung oder umgekehrt vollführt. Befindet sich das aktive Medium (1) zwischen Bitleitung (3) und Wortleitung (2), so muss der Strom in der gestreiften Bezugselektrode (6) gemessen werden.However, the arrangement of claim 1 also enables the detection of electric fields ( 13 ) in the active medium as described in claim 3 (see 7 ). For this purpose, the potentials of the word line ( 2 ), Bit line ( 3 ) and the reference electrode ( 5 . 6 ) and the Debye length is set in the word line to be selected ( 2 ), so that in the selected bit line ( 3 ) a current can be measured by the influence of charges, since the electric field ( 13 ) of the active medium ( 1 ), which is located between the word line ( 2 ) and reference electrode ( 5 . 6 ), performs a change from transmission to shielding or vice versa. Is the active medium ( 1 ) between bit line ( 3 ) and word line ( 2 ), the current in the striped reference electrode ( 6 ) are measured.

Die hier skizzierte Erfindung ermöglicht die Steuerung einer kapazitiven Kopplung in einer Matrixanordnung. Somit kann ein Feld punktuell zu Ansteuerungszwecken erzeugt und gleichzeitig gemessen werden. Diese Ansteuerung erfolgt ohne Transistoren, was Vorteile der passiven Matrix mit Vorteilen der aktiven Matrix kombiniert. Im Hinblick auf Speichertechnologien wird der Vorteil der NAND-Architektur mit seiner hohen Speicherdichte und der Vorteil der NOR-Architektur mit hoher Zugriffsgeschwindigkeit kombiniert. Die Speicherdichte beträgt 4F2, wie bei einer passiven Matrix oder der NAND-Architektur, und die hohe Zugriffsgeschwindigkeit resultiert aus der Verwendung metallischer Bitleitungen (3) und Bezugselektroden (5, 6), welche einen geringeren Widerstand besitzen, als Transistoren, womit die Zeitkonstante zum Aufladen der Bitleitung (3) und der Bezugselektroden (5, 6) reduziert wird. Im Wesentlichen ist die Herstellung fast genauso einfach, wie bei einer passiven Matrix, ohne, dass jedoch eine parasitäre Kopplung zu Nachbarzellen entsteht. Die Steuerung des transmittierten elektrischen Feldes (13) kann adaptiv erfolgen, was bei Displays wichtig für den Kontrast ist und bei Speichern mehrstufige Speicherzellen ermöglichen könnte.The invention outlined here enables the control of a capacitive coupling in a matrix arrangement. Thus, a field can be selectively generated for control purposes and measured simultaneously. This control is done without transistors, which combines advantages of the passive matrix with advantages of the active matrix. With regard to memory technologies, the advantage of the NAND architecture with its high storage density and the advantage of the NOR architecture with high access speed is combined. The memory density is 4F 2 , as in a passive matrix or the NAND architecture, and the high access speed results from the use of metallic bit lines ( 3 ) and reference electrodes ( 5 . 6 ), which have a lower resistance than transistors, whereby the time constant for charging the bit line ( 3 ) and the reference electrodes ( 5 . 6 ) is reduced. In essence, fabrication is almost as easy as with a passive matrix, but without parasitic coupling to neighboring cells. The control of the transmitted electric field ( 13 ) can be adaptive, which is important for the contrast in displays and could enable storage multi-level memory cells.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den weiteren Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben:Embodiments of the invention are illustrated in the further drawings and are described in more detail below:

1: Ansicht der Matrix von oben mit gestreifter Bezugselektrode 1 : View of the matrix from above with striped reference electrode

2: Ansicht der Matrix von oben mit ganzflächiger Bezugselektrode 2 : View of the matrix from above with full-area reference electrode

3: Querschnittsansicht der Matrix mit gestreifter Bezugselektrode 3 : Cross-sectional view of the striped reference electrode matrix

4: Querschnittsansicht der Matrix mit ganzflächiger Bezugselektrode 4 : Cross-sectional view of matrix with full-area reference electrode

5: Potentialverhältnisse bei einer Potentialdifferenz zwischen ausgewählter Bitleitung und Bezugselektrode für die ausgewählte und nicht-ausgewählte Wortleitung 5 : Potential Relationships at a Potential Difference Between Selected Bit Line and Reference Electrode for the Selected and Unselected Word Line

6: Potentialverhältnisse bei keiner Potentialdifferenz zwischen Bitleitung und Bezugselektrode für die ausgewählte und nicht-ausgewählte Wortleitung 6 : Potential relationships with no potential difference between bit line and reference electrode for the selected and unselected word line

7: Potentialverhältnisse zum Messen des elektrischen Feldes in dem aktiven Medium 7 : Potential conditions for measuring the electric field in the active medium

8: Günstige Potentialverhältnisse der kompletten Matrix bei Vorliegen einer Potentialdifferenz zwischen ausgewählter Bitleitung und Bezugselektrode (aktives Medium zwischen Bezugselektrode (6) und Wortleitung (2) angeordnet) 8th : Favorable potential ratios of the complete matrix in the presence of a potential difference between selected bit line and reference electrode (active medium between reference electrode ( 6 ) and word line ( 2 ) arranged)

9: Günstige Potentialverhältnisse der kompletten Matrix bei Vorliegen keiner Potentialdifferenz zwischen ausgewählter Bitleitung und Bezugselektrode (aktives Medium zwischen Bezugselektrode (6) und Wortleitung (2) angeordnet) 9 : Favorable potential ratios of the complete matrix in the presence of no potential difference between selected bit line and reference electrode (active medium between reference electrode ( 6 ) and word line ( 2 ) arranged)

10: Matrix mit psn-Übergängen für die Wortleitungen 10 : Matrix with psn transitions for the word lines

11: Matrix mit Metall-Isolator-Übergang Material für die Wortleitung 11 : Matrix with metal-insulator-transition material for the wordline

12: Übertragungsverhalten des transmittierten Feldes der Wortleitung 12 : Transmission behavior of the transmitted field of the word line

13: Querschnittsansicht einer dreidimensionalen Stapelung der Matrix 13 : Cross-sectional view of a three-dimensional stacking of the matrix

Die Ansteuerung der kompletten Matrix kann entsprechend Anspruch 2 auf zwei verschiedene Weisen erfolgen, je nachdem ob eine Potentialdifferenz zwischen ausgewählter Bitleitung (3) und gestreifter Bezugselektrode (6) vorliegt oder nicht. In den Ausführungsbeispielen der Ansprüche 4 und 5 wird eine günstige Wahl der nicht ausgewählten Potentiale vorgestellt, um die Anzahl der Kapazitäten, welche geladen werden müssen, zumindest auf der ausgewählten Bitleitung (3) und ausgewählten Bezugselektrode (6) zu reduzieren. Dabei müssen Aufladungen in dem aktiven Medium (1) außer in der ausgewählten Kondensatorzelle (4) gänzlich vermieden werden. Wenn gleichzeitig die Aufladungen in dem nicht-aktiven Dielektrikum (7) entlang der ausgewählten Bitleitung (3) und Wortleitung (2) vermieden wird, so kann die Zeitkonstante zum Aufladen der ausgewählten Kondensatorzelle (4) reduziert werden, was bei Speichern einen Geschwindigkeitsvorteil bedeuten würde. In Anspruch 4 und 8 wird zunächst das Ausführungsbeispiel für den Fall einer Potentialdifferenz zwischen Bitleitung (5) und Bezugselektrode (6) vorgestellt. Das aktive Medium (1) befindet sich zwischen Wortleitung (2) und Bezugselektrode (6). Die Bezugselektroden (6) sind parallel zur Wortleitung (2) angeordnet und an die nicht-ausgewählten Wortleitungen (2) und nicht-ausgewählten Bezugselektroden (6) wird ein identisches Potential, wie an die ausgewählte Bitleitung (ϕB) angelegt. Damit wird zum einen sichergestellt, dass das aktive Medium (1) in den nicht-ausgewählten Wortleitungen (2) und nicht-ausgewählten Bezugselektroden (6) nicht aufgeladen wird, da beide identisches Potential (ϕB) haben. Gleichzeitig besitzen die nicht-ausgewählten Wortleitungen (2) ein identisches Potential, wie die ausgewählte Bitleitung (3), wodurch eine Aufladung zwischen Wortleitung (2) und ausgewählter Bitleitung (3) in dem nicht-aktiven Dielektrikum (7) vermieden wird. Somit wird die ausgewählte Bitleitung (3) sich nur an der ausgewählten Kondensatorzelle (4) aufladen (dort wo die Wortleitung (2) ausgewählt ist). Die Aufladung entlang der ausgewählten Wortleitung (2), welche eine gute Transmission besitzt, wird dadurch vermieden, dass das Potential der nicht-ausgewählten Bitleitungen (3) identisch zu dem der ausgewählten Bezugselektrode (ϕR) gewählt wird. Damit liegt keine Potentialdifferenz zwischen nicht-ausgewählter Bitleitung (3) und ausgewählter Bezugselektrode (6) vor. Auf diese Weise findet eine Aufladung entlang der gewählten Bezugselektrode (6) und der gewählten Bitleitung (3) nur dort statt, wo das aktive Medium (1) punktuell verändert werden soll (in 8 der gestrichelte und durchgängige Kreis). Wie in 8 durch die gestrichelten schwarzen Kreise dargestellt findet wohl eine Aufladung in dem nicht-aktiven Dielektrikum an einigen Stellen außerhalb der ausgewählten Bezugselektrode (6) und ausgewählten Bitleitung (3) statt. Diese Aufladung stört jedoch nicht weiter und könnte durch hohe Serienwiderstände vermindert werden, um den Energieverbrauch zu reduzieren. In Anspruch 5 wird ein günstiges Schema für den zweiten Fall von Anspruch 2 dargestellt (9): Die gestreiften Bezugselektroden (6) und Bitleitungen (3) können hierbei parallel ausgerichtet sein. Um eine unnötige Aufladung entlang der ausgewählten Wortlinie (2) zu vermeiden, werden nicht-ausgewählte Bitleitungen (3) und nichtausgewählte Bezugselektroden (6) auf dasselbe Potential (ϕW), wie die ausgewählte Wortlinie (2) gelegt. Damit wird sowohl die Aufladung in dem aktiven Medium (1) als auch nicht-aktiven Dielektrikum (7) vermieden. In diesem Verfahren findet ausschließlich eine Aufladung in der ausgewählten Kondensatorzelle (4) statt, was Vorteile gegenüber Anspruch 4 bringen würde.The control of the complete matrix can be done in two different ways according to claim 2, depending on whether a Potential difference between selected bit line ( 3 ) and striped reference electrode ( 6 ) or not. In the embodiments of claims 4 and 5, a favorable choice of the non-selected potentials is presented to limit the number of capacitances which must be charged, at least on the selected bit line (FIG. 3 ) and selected reference electrode ( 6 ) to reduce. Charges in the active medium ( 1 ) except in the selected capacitor cell ( 4 ) are avoided altogether. When at the same time the charges in the non-active dielectric ( 7 ) along the selected bit line ( 3 ) and word line ( 2 ) is avoided, the time constant for charging the selected capacitor cell ( 4 ), which would mean a speed advantage on storage. In claim 4 and 8th First, the embodiment for the case of a potential difference between bit line ( 5 ) and reference electrode ( 6 ) presented. The active medium ( 1 ) is located between word line ( 2 ) and reference electrode ( 6 ). The reference electrodes ( 6 ) are parallel to the word line ( 2 ) and to the non-selected word lines ( 2 ) and non-selected reference electrodes ( 6 ), an identical potential is applied as to the selected bit line (φ B ). This ensures, on the one hand, that the active medium ( 1 ) in the unselected word lines ( 2 ) and non-selected reference electrodes ( 6 ) is not charged, since both have identical potential (φ B ). At the same time, the non-selected word lines ( 2 ) has an identical potential as the selected bit line ( 3 ), whereby a charge between word line ( 2 ) and selected bit line ( 3 ) in the non-active dielectric ( 7 ) is avoided. Thus, the selected bit line ( 3 ) only at the selected capacitor cell ( 4 ) (where the word line ( 2 ) is selected). Charging along the selected word line ( 2 ), which has a good transmission, is avoided in that the potential of the non-selected bit lines ( 3 ) is selected to be identical to that of the selected reference electrode (φ R ). There is thus no potential difference between unselected bit line ( 3 ) and selected reference electrode ( 6 ) in front. In this way, a charge along the selected reference electrode ( 6 ) and the selected bit line ( 3 ) take place only where the active medium ( 1 ) should be changed selectively (in 8th the dashed and continuous circle). As in 8th represented by the dashed black circles probably finds a charge in the non-active dielectric at some points outside of the selected reference electrode ( 6 ) and selected bit line ( 3 ) instead of. However, this charge does not interfere and could be reduced by high series resistance to reduce energy consumption. In claim 5, a favorable scheme for the second case of claim 2 is shown ( 9 ): The striped reference electrodes ( 6 ) and bitlines ( 3 ) can be aligned parallel. To avoid unnecessary charging along the selected word line ( 2 ), non-selected bit lines ( 3 ) and non-selected reference electrodes ( 6 ) to the same potential (φ W ) as the selected word line ( 2 ) placed. Thus, both the charge in the active medium ( 1 ) as well as non-active dielectric ( 7 ) avoided. In this method, only one charge in the selected capacitor cell ( 4 ), which would bring advantages over claim 4.

Die Erfindung kann z. B., wie in DE 10 2010 045 363 mittels psn-Übergänge aufgebaut werden (Anspruch 6 und 7; 10). Die Wortleitungen (2) können aus einem schwach dotierten Halbleiter bestehen und sind mittels abwechselnder p- und n-Gebiet miteinander verbunden. Dabei wird das elektrische Feld in dem schwach dotierten Bereich transmittiert. Dabei sollte die Höhe der Dotierung in den p- und n-Gebieten so hoch gewählt werden, dass der komplette Übergang ein symmetrisches Bänderschema aufweist und wie bei dem in DE 10 2010 045 363 veröffentlichten Sensor die Ansteuerung mittels antisymmetrischer Spannungen erfolgen kann, wodurch ein Ausgleich erreicht wird und in dem schwach dotierten Gebiet kein Störfeld generiert wird. Wird der psn-Übergang in Sperrrichtung betrieben, so wird die Wortleitung (2) verarmt und das senkrechte Feld gut transmittiert, in Durchlassrichtung würde das Feld gut abgeschirmt werden. Ebenenso können nach Anspruch 8 Schottky-Kontakte verwendet werden, welche z. B. bei Speichern einen deutlich schnelleren Datenzugriff ermöglichen. Einen schnellen Datenzugriff und zusätzlich reduzierten Energieverbrauch könnte mit einem Metall-Isolator-Übergang in der Wortleitung (2) erzielt werden (Anspruch 9 und 10; 11). Dazu wird durch die Wortleitungen (2) ein Strom geleitet, welcher zu einer leichten Temperaturerhöhung führt und damit einen Übergang vom metallischen zum isolierenden Zustand bewirkt. Weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Störspannungen, im Gegensatz zu nicht perfekt symmetrischen psn- oder Schottkykontakten (Anspruch 6 oder 7) sehr gering sind. In Bezug auf ferroelektrischen Speichern (Anspruch 11–13) wird das aktive Medium mit einem Ferroelektrikum ersetzt. Zudem wäre der Weg frei zu einer 3D Integration indem mehrere solcher Matrix-Strukturen übereinander gestapelt werden (Anspruch 20). Weiterhin ist das Auslesen des Polarisationszustandes nicht destruktiv, da die Struktur gleichzeitig als Felddetektor dient (Anspruch 3). Das destruktive Auslesen war eines der großen Probleme bei konventionellen ferroelektrischen Speichern. Die Zugriffsgeschwindigkeit bei heutigen ferroelektrischen Speichern ist vor allem durch den Widerstand der Transistoren limitiert. Mit metallischen Bitleitungen (3) und Bezugselektroden (5, 6) wäre dieser Widerstand deutlich niedriger. Zudem könnte die Modulation des Halbleiters mit Schottkykontakten erfolgen, die sehr schnell reagieren. Mittels der in Anspruch 4 und 5 erwähnten geschickten Ansteuerung der Matrix können die Kapazitäten der Bitleitungen (3) und der Bezugselektroden (6) reduziert werden. Diese drei Aspekte zusammen könnten zu schnelleren Zugriffs- und Schreibzeiten führen, als bei konventionellen FeRAMs. Wird als Halbleitermaterial zusätzlich SrTiO3 oder TiO2 verwendet (Anspruch 14), so ergeben sich Vorteile durch die höhere Dielektrizitätskonstante und ähnlichen Kristallstrukturen wie die der Ferroelektrika (Perovskite), wodurch das Problem mit der mangelnden CMOS-Kompatibilität zwischen Ferroelektrika und Silicium gelöst wird. Neben einem Ferroelektrikum als aktives Speichermedium können auch Ionen verwendet werden, welche durch einen Festkörper driften (Anspruch 12). Je nach Position der Ionen im Material wird das transmittierte Feld durch die Wortleitungen (2) unterschiedlich sein. Eine Besonderheit des Transmissionsverhaltens durch die Wortleitungen (2) ist, dass die Potentialverbiegung sich extrem nicht-linear verhält:

Figure DE102016012071A1_0004

ψ:
Potential im Festkörper
UT:
Temperaturspannung
The invention may, for. B., as in DE 10 2010 045 363 be constructed by means of psn transitions (claim 6 and 7; 10 ). The word lines ( 2 ) may consist of a lightly doped semiconductor and are interconnected by means of alternating p and n regions. In this case, the electric field is transmitted in the lightly doped region. In this case, the level of doping in the p and n regions should be selected to be so high that the complete transition has a symmetric band diagram and, as in the case of FIG DE 10 2010 045 363 Published sensor can be controlled by means of anti-symmetric voltages, whereby a balance is achieved and in the lightly doped region no noise field is generated. If the psn transition is operated in the reverse direction, the word line ( 2 ) impoverished and the vertical field well transmitted, in the forward direction, the field would be well shielded. Also, according to claim 8 Schottky contacts can be used which z. B. enable a much faster data access when saving. Fast data access and additionally reduced energy consumption could be achieved with a metal-insulator transition in the word line ( 2 ) can be achieved (claim 9 and 10; 11 ). For this purpose, the word lines ( 2 ) passed a current which leads to a slight increase in temperature and thus causes a transition from the metallic to the insulating state. Another advantage of this arrangement is that the interference voltages, in contrast to not perfectly symmetrical psn or Schottkykontakten (claim 6 or 7) are very low. With respect to ferroelectric memories (claim 11-13), the active medium is replaced with a ferroelectric. In addition, the way would be free for a 3D integration by stacking several such matrix structures one above the other (claim 20). Furthermore, the readout of the polarization state is not destructive, since the structure serves as a field detector at the same time (claim 3). Destructive readout was one of the big problems with conventional ferroelectric memories. The access speed in today's ferroelectric memories is limited mainly by the resistance of the transistors. With metallic bit lines ( 3 ) and reference electrodes ( 5 . 6 ) this resistance would be much lower. In addition, the modulation of the semiconductor with Schottky contacts take place, which react very quickly. By means of the smart control of the matrix mentioned in claims 4 and 5, the capacities of the bit lines ( 3 ) and the reference electrodes ( 6 ) are reduced. These three aspects together could result in faster access and write times than conventional FeRAMs. If SrTiO 3 or TiO 2 is additionally used as the semiconductor material (Claim 14), advantages result from the higher dielectric constant and similar crystal structures to those of the ferroelectrics (perovskites), which solves the problem with the lack of CMOS compatibility between ferroelectrics and silicon. In addition to a ferroelectric as an active storage medium, it is also possible to use ions which drift through a solid (claim 12). Depending on the position of the ions in the material, the transmitted field through the word lines ( 2 ) be different. A special feature of the transmission behavior through the word lines ( 2 ) is that the potential bending behaves extremely non-linearly:
Figure DE102016012071A1_0004
ψ:
Potential in the solid state
U T :
thermal stress

Die oben erwähnte Debye-Länge mit einem exponentiellen Abfall des Potentials oder Feldes durch die Wortleitung (2) gilt nur für relativ kleine Potentiale und Felder und ergibt sich aus einer Linearisierung der oben gezeigten Differentialgleichung. Wird das Feld erhöht, so wird die nicht-Linearität der Differentialgleichung dominant und das transmittierte Feld geht in eine Sättigung. Es ergibt sich zwischen der Bitleitungsspannung UBL = ϕR – ϕB (Potentialdifferenz zwischen Bitleitungspotential und Bezugselektrodenpotential) und dem transmittierten Feldes eine sigmoidale Beziehung (12). Ein Neuron in einem künstlichen neuronalen Netzwerken wiederrum zeigt, wie bereits erwähnt, ein sehr ähnliches Verhalten und es bestünde die Möglichkeit, wie in Anspruch 15 erwähnt, dieses Verhalten zur Modellierung der Aktivierungsfunktion eines Neurons auszunutzen, wobei das aktive Medium mit einer Speicherfunktion die Aufgabe der Synapse erfüllen kann, bzw. die adaptive Einstellmöglichkeit des transmittierten Feldes mit der Debye-Länge auch die synaptische Gewichtung erfüllen kann. Hiermit würden Neuron und Synapse zu einem Bauelement kombiniert werden und keine nachteilige Transistorschaltung wäre mehr nötig, was auch eine dreidimensionale Strukturierung der künstlichen neuronalen Netzwerke vereinfachen würde (Anspruch 20). In Anspruch 16 wird als aktives Medium ein Flüssigkristall, welcher seine Polarisationsrichtung ändert, zum optischen Anzeigen von Informationen benutzt. In Anspruch 17 werden als aktives Medium Mikrokapseln verwendet, welche elektrophoretisch angesteuert werden. Dieses Prinzip könnte bei sogenanntem Elektronischem Papier zum Einsatz kommen. In Anspruch 18 werden Flüssigkeitstropfen durch die elektrischen Felder bewegt, was in der EWOD (Electrowetting on dielectric) Technologie in der Mikrofluidik Verwendung findet. In Anspruch 19 werden mechanische Aktoren durch das transmittierte Feld angesteuert, was zum Beispiel in Mikrospiegelarrays angewendet werden könnte. In Anspruch 20 sind, wie bereits erwähnt, mehrere solcher Matrixvorrichtungen dreidimensional übereinandergestapelt, wobei die Bezugselektrode (6) der einen Matrix gleichzeitig die Bitleitung (3) der darüber liegenden Matrix bildet. Diese Anordnung ist vor allem für Speicheranwendungen vorteilhaft, da so die Speicherdichte erheblich erhöht werden könnte.The above-mentioned Debye length with an exponential drop of the potential or field through the word line ( 2 ) applies only to relatively small potentials and fields and results from a linearization of the differential equation shown above. If the field is increased, the non-linearity of the differential equation becomes dominant and the transmitted field goes into saturation. It results between the bit line voltage U BL = φ R - φ B (potential difference between bit line potential and reference electrode potential) and the transmitted field a sigmoidal relationship ( 12 ). As already mentioned, a neuron in an artificial neural network shows a very similar behavior and it would be possible, as mentioned in claim 15, to exploit this behavior for modeling the activation function of a neuron, wherein the active medium with a memory function is the object of the Synapse or the adaptive adjustment of the transmitted field with the Debye length can also meet the synaptic weighting. Hereby neuron and synapse would be combined into one device and no disadvantageous transistor switching would be necessary anymore, which would also simplify a three-dimensional structuring of the artificial neural networks (claim 20). In claim 16, as the active medium, a liquid crystal which changes its polarization direction is used for optically displaying information. In claim 17 microcapsules are used as the active medium, which are driven electrophoretically. This principle could be used in so-called electronic paper. In claim 18, liquid droplets are moved through the electric fields, which is used in the EWOD (electrowetting on dielectric) technology in microfluidics. In claim 19, mechanical actuators are driven by the transmitted field, which could be used, for example, in micromirror arrays. In claim 20, as already mentioned, several such matrix devices stacked three-dimensionally, wherein the reference electrode ( 6 ) of one matrix simultaneously the bit line ( 3 ) forms the overlying matrix. This arrangement is particularly advantageous for memory applications, since so the storage density could be significantly increased.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
aktives Mediumactive medium
22
Wortleitungwordline
33
Bitleitungbit
44
Kondensatorzellecapacitor cell
55
ganzflächige Bezugselektrodefull-surface reference electrode
66
gestreifte Bezugselektrodestriped reference electrode
77
nicht-aktives Dielektrikumnon-active dielectric
88th
p-dotiertes Gebietp-doped area
99
n-dotiertes Gebietn-doped area
1010
pin-Übergangpin junction
1111
Stromflusscurrent flow
1212
sigmoidales Übertragungsverhaltensigmoidal transfer behavior
1313
elektrisches Feldelectric field

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • US 20110090443 [0003] US 20110090443 [0003]
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  • US 20060002168 A1 [0003] US 20060002168 A1 [0003]
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  • US 6438019 [0003] US 6438019 [0003]
  • US 5088060 [0003] US 5088060 [0003]
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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  • Betty Prince: „Semiconductor Memories: A Handbook of Design, Manufacture and Application”, 2nd Edition, Wiley, 1995 [0003] Betty Prince: "Semiconductor Memories: A Handbook of Design, Manufacture and Application", 2nd Edition, Wiley, 1995 [0003]

Claims (20)

Kapazitive Matrixvorrichtung, umfassend ein aktives Medium (1), welches mit elektrischen Feldern (13) angesteuert werden kann oder selber elektrische Streufelder erzeugt, wobei das aktive Medium (1) in einer Schicht zwischen einem ersten Satz und einem zweiten Satz von jeweiligen parallelen Adressierungselektroden eingebettet ist, wobei die Elektroden des ersten Satzes Wortleitungen (2) der Matrixvorrichtung bilden und vorzugsweise in einer orthogonalen Beziehung zu den Elektroden des zweiten Satzes sind, wobei die letzteren Bitleitungen (3) der Matrixvorrichtung bilden, und an den Kreuzungspunkten zwischen den Wortleitungen (2) und Bitleitungen (3) Kondensatorzellen (4) mit dem dazwischenliegenden aktiven Medium (1) definiert sind, wobei die Kondensatorzellen (4) durch Ansteuerung der Wortleitungen (2) und Bitleitungen (3) ausgewählt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die Wortleitungen (2) durch ein Material mit veränderlicher Debye-Länge ersetzt werden, die Wortleitungen zwischen einer ganzflächigen Bezugselektrode (5) oder mehreren gestreiften Bezugselektroden (6) und den Bitleitungen (3) eingebettet sind, das aktive Medium (1) zwischen der ganzflächigen Bezugselektrode (5) oder den gestreiften Bezugselektroden (6) und den Wortleitungen (2) angeordnet wird und sich zwischen den Wortleitungen (2) und Bitleitungen (3) ein nicht-aktives Dielektrikum (7) befindet, wobei die ganzflächige Bezugselektrode (5) oder die gestreiften Bezugselektroden (6) und die Bitleitungen (3), sowie das aktive Medium (1) und das nicht-aktive Dielektrikum (7), jeweils beliebig vertauscht werden können.Capacitive matrix device comprising an active medium ( 1 ), which with electric fields ( 13 ) or generates electrical stray fields, wherein the active medium ( 1 ) is embedded in a layer between a first set and a second set of respective parallel addressing electrodes, the electrodes of the first set of word lines ( 2 ) of the matrix device and are preferably in an orthogonal relationship to the electrodes of the second set, the latter bit lines ( 3 ) of the matrix device, and at the crossing points between the word lines ( 2 ) and bitlines ( 3 ) Capacitor cells ( 4 ) with the intermediate active medium ( 1 ), wherein the capacitor cells ( 4 ) by controlling the word lines ( 2 ) and bitlines ( 3 ), characterized in that the word lines ( 2 ) are replaced by a variable-length Debye material, the word lines between a full-area reference electrode ( 5 ) or multiple striped reference electrodes ( 6 ) and the bitlines ( 3 ), the active medium ( 1 ) between the whole-area reference electrode ( 5 ) or the striped reference electrodes ( 6 ) and the word lines ( 2 ) and between the word lines ( 2 ) and bitlines ( 3 ) a non-active dielectric ( 7 ), wherein the whole-area reference electrode ( 5 ) or the striped reference electrodes ( 6 ) and the bitlines ( 3 ), as well as the active medium ( 1 ) and the non-active dielectric ( 7 ), each can be reversed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der auszuwählenden Kondensatorzelle (4) ein elektrisches Feld (13) erzeugt wird, indem – entweder eine Potentialdifferenz zwischen auszuwählender Bitleitung (3) und ganzflächiger Bezugselektrode (5) oder gestreifter Bezugselektrode (6) angelegt wird und das Potential der auszuwählenden Wortleitung (2) identisch zur Bezugselektrode (5, 6) gewählt wird, wenn das aktive Medium sich zwischen Bezugselektrode (5, 6) und Wortleitung (2) befindet oder das Potential der Wortleitung (2) identisch zur Bitleitung (3) gewählt wird, wenn sich das aktive Medium (1) zwischen Wortleitung (2) und Bitleitung (3) befindet, sowie in der auszuwählenden Wortleitung (2) eine lange Debye-Länge erzeugt wird, sodass am Kreuzungspunkt zur ausgewählten Bitleitung (3) ein elektrisches Feld (13) transmittiert wird, wobei an die nicht-ausgewählten Wortleitungen (2) eine kurze Debye-Länge und schlechte Transmission eingestellt wird, – oder zwischen auszuwählender Bitleitung (3) und Bezugselektrode (5, 6) keine Potentialdifferenz vorliegt, das Potential der auszuwählenden Wortleitung (2) unterschiedlich zur Bezugselektrode (5, 6) und Bitleitung (3) gewählt wird und die Debye-Länge der Wortleitung (2) kurz gewählt wird, sodass das Potential schwacher oder gar nicht transmittiert wird und die Feldlinien des elektrischen Feldes (13) jeweils hauptsächlich an der Wortleitung (2) enden, wobei an die nicht-ausgewählten Wortleitungen (2) eine lange Debye-Länge und gute Transmission eingestellt wird.A method according to claim 1, characterized in that in the capacitor cell to be selected ( 4 ) an electric field ( 13 ) is generated by either - a potential difference between bit line to be selected ( 3 ) and full-area reference electrode ( 5 ) or striped reference electrode ( 6 ) and the potential of the word line to be selected ( 2 ) identical to the reference electrode ( 5 . 6 ) is selected when the active medium is between the reference electrode ( 5 . 6 ) and word line ( 2 ) or the potential of the word line ( 2 ) identical to the bit line ( 3 ) is selected when the active medium ( 1 ) between word line ( 2 ) and bit line ( 3 ) and in the word line to be selected ( 2 ) a long Debye length is generated, so that at the intersection point to the selected bit line ( 3 ) an electric field ( 13 ) is transmitted to the non-selected word lines ( 2 ) a short Debye length and poor transmission is set, - or between to be selected bit line ( 3 ) and reference electrode ( 5 . 6 ) there is no potential difference, the potential of the word line to be selected ( 2 ) different from the reference electrode ( 5 . 6 ) and bit line ( 3 ) and the Debye length of the word line ( 2 ) is selected short so that the potential is transmitted weaker or not at all and the field lines of the electric field ( 13 ) mainly at the word line ( 2 ), where the non-selected word lines ( 2 ) a long Debye length and good transmission is set. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der auszuwählenden Kondensatorzelle (4) ein elektrisches Feld (13) gemessen wird, indem die Potentiale der Bitleitungen (3), der Bezugselektroden (5, 6) und der Wortleitungen (2) identisch gewählt werden und – für den Fall, dass sich das aktiven Mediums zwischen Wortleitung (2) und Bezugselektrode (5, 6) befindet, ein Strom in der ausgewählten Bitleitung (3) gemessen wird, welcher während der Änderung der Debye-Länge in der ausgewählten Wortleitung (2) erzeugt wird, – sowie für den Fall, dass sich das aktive Medium (1) zwischen Wortleitung (2) und Bitleitung (3) befindet, der Strom in der gestreiften Bezugselektrode (6) gemessen wird.A method according to claim 1, characterized in that in the capacitor cell to be selected ( 4 ) an electric field ( 13 ) is measured by the potentials of the bit lines ( 3 ), the reference electrodes ( 5 . 6 ) and the word lines ( 2 ) are selected identically and - in the event that the active medium between word line ( 2 ) and reference electrode ( 5 . 6 ), a stream in the selected bit line ( 3 ) measured during the change of the Debye length in the selected word line ( 2 ), as well as in the event that the active medium ( 1 ) between word line ( 2 ) and bit line ( 3 ), the current in the striped reference electrode ( 6 ) is measured. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der kompletten Matrix in der Weise erfolgt, dass bei Vorliegen einer Potentialdifferenz zwischen der ausgewählten gestreiften Bezugselektrode (6) und der Bitleitung (3), wobei erstere parallel zu den Wortleitungen (2) angeordnet sind, an die nicht-ausgewählten Wortleitungen (2) und nicht-ausgewählten gestreiften Bezugselektroden (6) ein identisches Potential wie die ausgewählte Bitleitung (3) angelegt wird und die nicht-ausgewählten Bitleitungen (3) mit identischem Potential wie die ausgewählte gestreifte Bezugselektrode (5, 6) versehen wird, sofern sich das aktive Medium (1) zwischen den gestreiften Bezugselektroden (6) und den Wortleitungen (2) befindet und wenn aktives Medium (1) und nicht-aktives Dielektrikum (7) vertauscht sind, so muss auch die Funktion der Bitleitungen (3) und der gestreiften Bezugselektroden (6) vertauscht werden.Method according to claim 2, characterized in that the activation of the complete matrix takes place in such a way that, in the presence of a potential difference between the selected striped reference electrode ( 6 ) and the bit line ( 3 ), the former being parallel to the word lines ( 2 ) to the non-selected word lines ( 2 ) and non-selected striped reference electrodes ( 6 ) has an identical potential as the selected bit line ( 3 ) and the non-selected bit lines ( 3 ) with identical potential as the selected striped reference electrode ( 5 . 6 ), provided that the active medium ( 1 ) between the striped reference electrodes ( 6 ) and the word lines ( 2 ) and if active medium ( 1 ) and non-active dielectric ( 7 ), the function of the bit lines ( 3 ) and the striped reference electrodes ( 6 ) are reversed. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der kompletten Matrix in der Weise erfolgt, dass bei Vorliegen keiner Potentialdifferenz zwischen ausgewählter Bitleitung (3) und ausgewählter gestreifter Bezugselektrode (6), wobei die gestreiften Bezugselektroden (6) und Bitleitungen (3) parallel angeordnet werden, die nicht-ausgewählten Bitleitungen (3) und nicht-ausgewählten gestreiften Bezugselektroden (6) auf dasselbe Potential, wie die ausgewählte Wortleitung (2) gelegt werden und das Potential der nicht-ausgewählten Wortleitungen (2) beliebig gewählt werden kann.A method according to claim 2, characterized in that the control of the complete matrix is carried out in such a way that in the presence of no potential difference between selected bit line ( 3 ) and selected striped reference electrode ( 6 ), wherein the striped reference electrodes ( 6 ) and bitlines ( 3 ) are arranged in parallel, the non-selected bit lines ( 3 ) and non-selected striped reference electrodes ( 6 ) to the same potential as the selected word line ( 2 ) and the potential of the non-selected word lines ( 2 ) can be chosen arbitrarily. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleiter für die Wortleitungen (2) zum Einsatz kommt und diese durch p- (8) und n-dotierte (9) Gebiete verbunden sind, wobei die Höhe der Dotierung so gewählt wird, dass die Fermi-Niveaus der p- (8) und n-dotierten (9) Gebiete gleichen Abstand zu dem Fermi-Niveau der Wortleitungen (2) besitzen und das Bändermodell des so entstehenden psn-Überganges (10) eine Symmetrie besitzt.Device according to Claim 1, characterized in that a semiconductor for the word lines ( 2 ) is used and this by p- ( 8th ) and n-doped ( 9 ) Regions, the level of doping being chosen such that the Fermi levels of the p- 8th ) and n-doped ( 9 ) Areas equidistant from the Fermi level of the word lines ( 2 ) and the band model of the resulting psn transition ( 10 ) has a symmetry. Verfahren nach Anspruch 6 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass an die psn-Übergänge (10) eine Sperrspannung zur Verarmung der beweglichen Ladungsträgerkonzentration in den Wortleitungen (2) angelegt wird, sofern eine lange Debye-Länge gewünscht wird und eine Durchlassspannung zur Anreicherung der beweglichen Ladungsträgerkonzentration in den Wortleitungen (2) angelegt wird, sofern eine kurze Debye-Länge gewünscht wird, wobei eine antisymmetrische Spannung jeweils an die p- (8) und n-Gebiete (9) angelegt wird.Method according to Claims 6 and 2, characterized in that the psn junctions ( 10 ) a blocking voltage for depleting the mobile carrier concentration in the word lines ( 2 ) is applied if a long Debye length is desired and a forward voltage for accumulating the mobile carrier concentration in the word lines ( 2 ), if a short Debye length is desired, with an antisymmetric voltage being applied to the p- 8th ) and n-areas ( 9 ) is created. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleiter für die Wortleitungen (2) zum Einsatz kommt und diese durch Metall-Gebiete, zur Ausbildung von Schottkykontakten, verbunden sind, wobei die Austrittsarbeit der Metalle so gewählt wird, dass die Abstände der Fermi-Niveaus zwischen den Metallgebieten und dem Halbleiter identisch sind und das Bändermodell symmetrisch ist.Device according to Claim 1, characterized in that a semiconductor for the word lines ( 2 ) and are connected by metal regions to form Schottky contacts, wherein the work function of the metals is chosen such that the distances of the Fermi levels between the metal regions and the semiconductor are identical and the band model is symmetrical. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material mit einem Metall-Isolator-Übergang für die Wortleitungen (2) zum Einsatz kommt.Device according to claim 1, characterized in that a material with a metal-insulator transition for the word lines ( 2 ) is used. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromfluss (11) durch die auszuwählende Wortleitung (2) eine leichte Temperaturerhöhung bewirkt und ein Metall-Isolator-Übergang eine Änderung der beweglichen Ladungsträgerkonzentration in der auszuwählenden Wortleitung (2) auslöst.Method according to claim 9, characterized in that a current flow ( 11 ) by the word line to be selected ( 2 ) causes a slight increase in temperature and a metal-insulator transition causes a change in the mobile charge carrier concentration in the word line to be selected ( 2 ) triggers. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das aktive Medium (1) ein elektrisch polarisierbares dielektrisches Speichermaterial zur Speicherung digitaler Daten ist.Device according to claim 1, wherein the active medium ( 1 ) is an electrically polarizable dielectric memory material for storing digital data. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei bewegliche Ionen in einem Festkörper als aktives Medium (1) zur Speicherung digitaler Informationen verwendet werden.Apparatus according to claim 8, wherein mobile ions in a solid as an active medium ( 1 ) are used to store digital information. Vorrichtung, nach Anspruch 9, wobei ein Ferroelektrikum als Speichermaterial Verwendung findet.Apparatus according to claim 9, wherein a ferroelectric material is used as storage material. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 5, wobei die Wortleitungen (2) aus Strontiumtitanat oder Titandioxid bestehen.Apparatus according to claim 3 or 5, wherein the word lines ( 2 ) consist of strontium titanate or titanium dioxide. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein sigmoidales Transmissionsverhalten (12) der Wortleitungen (2) dazu dienen soll die Aktivierungsfunktion eines Neurons zu modellieren.Device according to claim 1, wherein a sigmoidal transmission behavior ( 12 ) of the word lines ( 2 ) should serve to model the activation function of a neuron. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das aktive Medium (1) ein Flüssigkristall ist, welcher zur Anzeige von Informationen dient.Device according to claim 1, wherein the active medium ( 1 ) is a liquid crystal which serves to display information. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das aktive Medium (1) aus Mikrokapseln zur elektrophoretischen Ansteuerung und Anzeige von Informationen besteht.Device according to claim 1, wherein the active medium ( 1 ) consists of microcapsules for electrophoretic control and display of information. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das aktive Medium (1) aus Flüssigkeitstropfen besteht und die Elektrobenetzung von diesen gesteuert werden kann. Device according to claim 1, wherein the active medium ( 1 ) consists of liquid droplets and the electrowetting can be controlled by them. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mechanische Aktoren als aktives Medium (1) verwendet werden.Apparatus according to claim 1, wherein mechanical actuators as active medium ( 1 ) be used. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mehrerer solcher Matrixvorrichtungen übereinander gestapelt sind und die gestreifte Bezugselektrode (6) gleichzeitig die Bitleitung (3) für die darüber liegende Zelle bildet.Apparatus according to claim 1, wherein a plurality of such matrix devices are stacked on top of each other and the striped reference electrode ( 6 ) simultaneously the bit line ( 3 ) forms for the cell above.
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