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Referenz auf
zugehörige
Anmeldungen
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Dies
ist eine weiterführende
Anmeldung der US-Patentanmeldung mit der Nr. 10/951,375, die am 28.
September 2004 eingereicht wurde mit dem Titel „Steuern von Speicherbauelementen
mit variablen Widerstandseigenschaften". Die Gesamtheit dieser Anmeldung ist
hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen.
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Speicherbauelemente
und betrifft insbesondere das Steuern von Widerstandseigenschaften
von Speicherbauelementen zum Löschen
und Programmieren.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Größe, die
Verwendung und die Komplexität
von Computern und elektronischen Geräten nimmt ständig zu.
Computer werden ständig
leistungsfähiger
mittels neuer und verbesserter elektronischer Bauelemente, die einer
ständigen
Entwicklung unterliegen (beispielsweise digitale Audoabspielgeräte, Videoabspielgeräte). Ferner
hat die Ausbreitung und die Verwendung digitaler Medien (beispielsweise
Audio, Video, Bildbearbeitung und dergleichen) die Entwicklung dieser
Bauelemente gefördert.
Eine derartige Verbreitung und Entwicklung hat die Informationsmenge
drastisch erhöht,
die gespeichert und für
Computer und elektronische Bauelemente bewahrt werden muss oder
soll.
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Im
Allgemeinen wird Information in einem oder mehreren aus einer Reihe
von unterschiedlichen Arten von Speichereinrichtungen gespeichert und
bewahrt. Zu Speichereinrichtungen gehören Langzeitspeichermedien,
beispielsweise Festplattenlaufwerke, Kompaktlaufwerke, und entsprechende
Medien, digitale Videodiskettenlaufwerke (DVD), und dergleichen.
Die Langzeitspeichermedien speichern typischerweise große Mengen
an Information bei geringeren Kosten, sind aber langsamer als andere
Arten von Speicherbauelementen. Speichergeräte umfassen ferner Speicherbauelemente,
die häufig
aber nicht immer Kurzzeitspeichermedien sind.
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Speicherbauelemente
sind tendenziell deutlich schneller als Langzeitspeichermedien.
Zu derartigen Speicherbauelementen gehören beispielsweise dynamische
Speicher mit wahlfreiem Zugriff (DRAM), statische Speicher mit wahlfreiem
Zugriff (SRAM), Speicher mit doppelter Datenrate (DDR), Flash-Speicherbauelemente,
NUR-Lese-Speicher (ROM), und dergleichen. Speicherbauelemente werden
in flüchtige
und nicht flüchtige
Arten unterteilt. Flüchtige
Speicherbauelemente verlieren im Allgemeinen ihre Information, wenn
die Versorgungsspannung abgeschaltet wird und erfordern typischerweise periodische
Auffrischzyklen, um ihre Information zu halten. Zu flüchtigen
Speicherbauelementen gehören beispielsweise
Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), DRAM, SRAM und dergleichen.
Nicht flüchtige
Speicherbauelemente behalten ihre Information, unabhängig davon,
ob die Versorgungsspannung an den Bauelementen anliegt oder nicht.
Zu nicht flüchtigen
Speicherbauelementen gehören,
ohne einschränkend
zu sein, ROM's,
programmierbare Nur-Lese-Speicher (PROM), löschbare programmierbare Nur-Lese-Speicher
(EPROM), Flash-Speicher, und dergleichen. Flüchtige Speicherbauelemente
bieten im Allgemeinen schnellere Arbeitsgeschwindigkeiten bei geringeren
Kosten im Vergleich zu nicht flüchtigen
Speicherbauelemente.
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Speicherbauelemente
enthalten im Allgemeinen Arrays bzw. Felder aus Speicherzellen.
Auf jede Speicherzelle kann zugegriffen werden oder diese kann „ausgelesen", „beschrieben", und „gelöscht" werden im Hinblick
auf die spezielle Information. Die Speicherzellen enthalten Information
in einem „Aus" oder einem „Ein"-Zustand (beispielsweise
sind diese auf zwei Zustände
begrenzt), die auch als „0" und „1" bezeichnet werden.
Typischerweise wird ein Speicherbauelement adressiert, um eine spezifizierte Anzahl
an Bytes abzurufen (beispielsweise 8 Speicherzellen pro Byte). Für flüchtige Speicherbauelemente
müssen
die Speicherzellen periodisch „aufgefrischt" werden, um ihren
Zustand zu bewahren. Derartige Speicherbauelemente werden typischerweise als
Halbleiterbauelemente hergestellt, die die diversen Funktionen ausführen und
in der Lage sind, zwischen zwei Zuständen hin und her zu schalten
und diese zu bewahren. Die Bauelemente werden häufig mittels anorganischer
Festkörpertechnologie
aufgebaut, etwa in Form kristalliner Siliziumbauelemente. Ein übliches
Halbleiterbauelement, das in Speicherbauelementen eingesetzt ist,
ist der Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET).
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Die
Verwendung von tragbaren Computern und elektronischen Bauelementen
hat die Nachfrage nach nicht flüchtigen
Speicherbauelementen stark erhöht.
In Digitalkameras, digitalen Audioabspielgeräten, persönlichen digitalen Assistenten,
und dergleichen wird für
gewöhnlich
versucht, nicht flüchtige Speicherbauelemente
mit größerer Kapazität einzusetzen
(beispielsweise Flash-Speicher, intelligente Medien, Kontakt-Flash-Speicher, etc.).
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Auf
Grund der zunehmenden Nachfrage nach Informationsspeicherung versuchen
die Hersteller und Entwickler von Speicherbauelementen stets, die
Speicherkapazität
für Speicherbauelemente
zu vergrößern (beispielsweise
den Speicherbereich pro Chip oder Chipfläche zu vergrößern). Ein briefmarkengroßes Siliziumstück kann
einige 10 Millionen Transistoren enthalten, wobei jeder Transistor lediglich
einige 100 nm groß ist.
Jedoch erreichen Bauelemente auf Siliziumbasis ihre fundamentalen physischen
Größengrenzen.
Anorganische Festkörperbauelemente
weisen nachteiligerweise eine komplexe Architektur auf, die zu hohen
Kosten und einem Verlust an Datenspeicherdichte führt. Die
flüchtigen Halbleiterspeicher
auf der Grundlage eines anorganischen Halbleitermaterials müssen ständig mit
elektrischem Strom versorgt werden, woraus sich Erwärmung und
eine hohe elektrische Leistungsaufnahme ergeben, um damit die gespeicherte
Information zu bewahren. Nicht flüchtige Speicherbauelemente
besitzen eine reduzierte Datenrate und eine relativ hohe Leistungsaufnahme
und ein hohes Maß an
Komplexität.
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Wenn
die Größe anorganischer
Festkörperbauelemente
abnimmt und die Integration zunimmt, wächst auch die Empfindlichkeit
für Justiertoleranzen,
wodurch die Herstellung deutlich schwieriger wird. Die Herstellung
von Strukturelementen bei geringer minimaler Größe impliziert nicht, dass die
minimale Größe auch
für die
Herstellung von gebrauchsfähigen
Schaltungen eingesetzt werden kann. Es ist notwendig, Justiertoleranzen
vorzusehen, die wesentlich kleiner sind als die kleinste minimale
Größe, und
beispielsweise ein Viertel der minimalen Größe beträgt.
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Das
Größenreduzieren
anorganischer Festkörperbauelemente
bringt Probleme hinsichtlich der Dotierstoffdiffusionslänge mit
sich. Wenn die Abmessungen reduziert werden, führen die Dotierstoffdiffusionslängen in
Silizium zu Schwierigkeiten bei der Prozessgestaltung. In dieser
Hinsicht wurden viele Schritte unternommen, um die Dotierstoffbeweglichkeit
zu verringern und um die Prozesszeit bei hohen Temperaturen zu reduzieren.
Jedoch ist nicht klar, ob derartige Prozesseinschränkungen
in unbegrenzter Weise fortgesetzt werden können.
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Das
Anlegen einer Spannung über
einem Halbleiterübergang
(in der Sperrrichtung) erzeugt ein Verarmungsgebiet um den Übergang
herum. Die Breite des Verarmungsgebiets hängt von den Dotierstoffpegeln
des Halbleiters ab. Wenn das Verarmungsgebiet sich soweit ausdehnt,
dass ein weiteres Verarmungsgebiet berührt wird, kann ein Durchschlag
oder ein nicht gesteuerter Stromfluss auftreten.
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Größere Dotierstoffpegel
neigen tendenziell dazu, die Abstände zu verkleinern, die zum
Verhindern von Durchschlägen
erforderlich sind. Wenn jedoch die Spannung pro Einheitslänge groß ist, ergeben
sich weitere Schwierigkeiten dahingehend, dass eine große Spannungsänderung
pro Einheitslänge zu
einem hohen elektrischen Feld führt.
Ein Elektron, das einen derartigen steilen Gradienten durchläuft, wird
bis zu einem Energiepegel beschleunigt, der deutlich höher ist
als die minimale Leitungsbandenergie. Ein derartiges Elektron ist
als ein heißes
Elektron bekannt und erhält
ausreichend Energie, um einen Isolator zu durchdringen, wodurch
eine irrverisible Beeinträchtigung
eines Halbleiterbauelements stattfindet.
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Das
Skalieren und die Integration führen
dazu, dass die Isolation in einem monolithischen Halbleitersubstgrat
zunehmend schwierig ist. Insbesondere die laterale Trennung von
Bauelementen voneinander ist in einigen Situationen äußerst schwierig. Eine
weitere Schwierigkeit ist die Verringerung des Leckstromes. Eine
noch weitere Schwierigkeit ergibt sich durch die Diffusion von Ladungsträgern innerhalb
des Substrats. D. h., freie Ladungsträger können über mehrerer 10 μm diffundieren
und können
eine gespeicherte Ladung neutralisieren. Somit kann die weitere
Größenreduzierung
von Bauelementen und die Erhöhung
der Dichte für
anorganische Speicherbauelemente an Grenzen stoßen. Ferner ist eine derartige
Bauteilgrößenreduzierung
für anorganische nicht
flüchtige
Speicherbauelemente unter Beibehaltung einer erhöhten Leistungsfähigkeit
insbesondere schwierig. wenn geringe Kosten beibehalten werden sollen.
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Diese
Arten der Beschränkung
anorganischer Bauelemente haben zu einer erhöhten Aufmerksamkeit für organische
Halbleiterspeicherbauelemente als einen nächsten logischen Schritt in
der Entwicklung von Halbleiterbauelementen geführt. Daher werden organische
Bauelemente zunehmend verwendete Bestandteile in Halbleiterfertigungsstätten und
insbesondere in elektronischen Bauelementen. Es ist vorstellbar,
dass die meisten elektronischen Einrichtungen in der nahen Zukunft
eine gewisse Art organischer Halbleiterbauelement enthalten. Unabhängig davon,
ob organische oder anorganische Bauelemente betrachtet werden, haben
sich technologische Fortschritte in Richtung von Halbleiterbauelementen
ergeben, in denen ein Widerstand als ein Mittel verwendet wird,
um die Zustandswerte des Speichers zu bestimmen. Daher sind Widerstandswerte
und ihre Steuerung wichtige Aspekte beim Fortschreiten der Speichertechnologie.
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Überblick über die
Erfindung
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Das
Folgende ist ein Überblick über die
Erfindung, um ein grundlegendes Verständnis einiger Aspekte der Erfindung
bereitzustellen. Dieser Überblick beabsichtigt
nicht, wesentliche/kritische Elemente der Erfindung anzugeben oder
den Schutzbereich der Erfindung abzugrenzen. Der einzige Zweck besteht
darin, einige Konzepte der Erfindung in vereinfachter Form als eine
Einleitung zu der detaillierteren Beschreibung, die nachfolgend
angegeben ist, zu präsentieren.
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Es
werden Vorrichtungen und Verfahren zum Ermöglichen des Programmierens
und Löschens
organischer und/oder anorganischer Speicherbauelemente bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung verwendet ein Mittel, das das Steuern
der inhärenten Variabilität des internen
Widerstands eines Speicherbauelements während des Programmierens und
Löschens
ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung bietet verbesserte Genauigkeit und Effizienz
beim Programmieren von Mehrbit-Speicherbauelementen.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
ferner die Datenspeicherung, indem die Effizienz für die Art und
Weise verbessert wird, in der Speicherbauelemente ihre Zustände ändern. Durch
Verwenden einer Konstantstromquelle kann der Speicher in präziser Weise
in einen von mehreren Zuständen,
die für
den Speicher verfügbar
sind, programmiert werden. Dies ermöglicht ein rasches und präzises Programmieren der
Mehrbitbauelemente, ohne dass speicherschädigende Stromspitzenwerte auftreten.
In ähnlicher
Weise kann durch die Verwendung von Konstantspannungsquellen der
Speicher unabhängig
von großen dynamischen
Widerstandsänderungen,
die einigen Arten von Speichern innewohnen, gelöscht werden. Die vorliegende
Erfindung erlaubt ferner eine effiziente Herstellung von Speicherbauelementen
mit hoher Qualität,
indem Konstantstromquellen und Konstantspannungsquellen eingesetzt
werden, wobei Fehlfunktionen reduziert und die Zuverlässigkeit
erhöht werden.
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Um
die zuvor angegebenen Ziele und andere Aspekte zu erreichen, umfasst
die Erfindung Merkmale, die im Weiteren vollständig beschrieben und insbesondere
in den Patentansprüchen
dargestellt sind. Die folgende Beschreibung und die begleitenden
Zeichnungen geben detailliert gewisse anschauliche Aspekte und Implementierungen
der Erfindung an. Diese sind für
einige wenige der diversen Arten kennzeichnend, in der die Prinzipien
der Erfindung eingesetzt werden können. Andere Aufgaben, Vorteile
und neue Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten
Beschreibung der Erfindung hervor, wenn diese in Verbindung mit
den Zeichnungen betrachtet wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine dreidimensionale Ansicht eines Speicherbauelementsarrays gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine dreidimensionale Ansicht eines Beispiels eines organischen
Speicherbauelements.
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3 ist
eine Ansicht, die ein Speicherbauelement unter Anwendung einer Konstantspannungsquelle
gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt.
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4 ist
eine Ansicht, die ein Speicherbauelement unter Anwendung einer Konstantstromquelle gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5 ist
ein Graph, der eine I-U-(Strom-Spannungs-) Eigenschaft für ein grundlegendes
Speicherbauelement gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
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6 ist
ein Graph, der die I-U-Eigenschaften einer Speicherdiode gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
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7 ist
ein Graph, der eine Konstantstromquelle gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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8 ist
ein Graph, der eine Konstantstromquelle auf Transistorbasis gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
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9 ist
eine Darstellung eines Speicherbauelements mit einem Transistor,
wobei die Stromsteuerung gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung verwirklicht wird.
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10 ist
ein Graph, der Strompegel für
diverse Transistorgatespannungen gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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11 ist
eine Darstellung eines Speicherbauelements mit einem Transistor,
wobei die Stromsteuerung gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird.
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12 ist
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines organischen
Speicherbauelements gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Das
Folgende ist eine detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen durchwegs die gleichen
Elemente bezeichnen.
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Zellen
eines Speicherbauelements arbeiten im Allgemeinen so, dass zwei
oder mehrere Zustände
diversen Impedanzpegeln entsprechen. Diese Zustände werden gesetzt, indem eine
Vorspannung angelegt wird und die Zellen anschließend in
ihren entsprechenden Zuständen
verbleiben, bis eine weitere Spannung als umgekehrte, Vorspannung
angelegt wird. Die Zellen behalten ihre Zustände mit und ohne Anliegen der
Versorgungsleistung (beispielsweise nicht flüchtig) bei und können elektronisch
oder optisch ausgelesen werden, indem der eingeprägte Strom
oder die Lichtemission gemessen werden. Die Systeme und Verfahren
der vorliegenden Erfindung ermöglichen
sowohl das Programmieren (Schreiben) als auch das Löschen von
Speicherbauelementen mittels der Steuerung ihrer Widerstandseigenschaften.
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In 1 ist
eine dreidimensionale Darstelldung eines Speicherbauelementarrays 100 gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung gezeigt. 1 ist ein
spezielles Beispiel zur Darstellung einer Speicherzelle 102 aus
dem Bauelementarray 100 mit entsprechender Bitleitung 104 und
Wortleitung 106, die mit einer „Konstantquelle" 108 verbunden
sind. Die Konstantquelle 108 kann eine Konstantspannungsquelle 112 oder
eine Konstantstromquelle 114 sein. In diesem anschaulichen
Beispiel ist die Konstantquelle 108 durch einen Konstantquellenselektor bzw.
Auswahlschalter 110 umschaltbar. Die Konstantquelle 108 stellt
eine Konstantstromquelle 114 zum Programmieren oder Beschreiben
und eine Konstantspannungsquelle zum Löschen der Speicherzelle 102 bereit.
Diese Konstantquellen 112, 114 dienen als ein
Widerstandslastelement, wenn sie elektrisch mit der organischen
Speicherzelle 102 verbunden sind. Die vorliegende Erfindung
erfordert nicht, dass sowohl eine Konstantstromquelle 114 als auch
eine Konstantspannungsquelle 112 vorgesehen ist. Die Quellen
können
unterschiedliche Einheiten sein. Sie können auch unabhängig in
anderen Fällen der
vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, und können in das Speicherbauteilarray 100 integriert sein.
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Die
Konstantspannungsquelle 112 bildet eine Last für die Speicherzelle 102 während des
Löschens.
Eine typische Speicherzelle besitzt keinen Lastwiderstand in Reihe
mit der Zelle, so dass die vorliegende Erfindung diese Funktion
bereitstellen kann. Dies ermöglicht
in präziser
Weise ein Steuern der Spannung über
der Speicherzelle während
des Löschens.
Einige Arten von Speicherzellen besitzen die Fähigkeit, den Widerstand zu
variieren, um damit zusätzliche
Speicherzustände
bereitzustellen. Diese gleiche Fähigkeit
bringt jedoch auch Probleme während
des Löschens
mit sich auf Grund der deutlichen Widerstandsänderung, wenn diese Funktion
verwendet wird. Die Konstantstromquelle 114 stellt eine
Last für
die Speicherzelle 102 während
des Programmierens bereit. Wenn eine Speicherzelle einen variablen Widerstand
zur Speicherung von Zuständen
anwendet, ist es wichtig, in genauer Weise den abschließenden Widerstandswert
zu steuern, um damit eine Zelle in geeigneter Weise zu programmieren.
Häufig kann
es während
eines Schreibzyklus beim Stromfluss durch die Zelle zu einem Stromspitzenwert
kommen, wodurch ungenaue Zustände
hervorgerufen werden. Das Verwenden einer Konstantstromquelle eliminiert
Stromspitzen und erlaubt eine genaue Steuerung der Widerstandszustände der
Zelle. Die vorliegende Erfindung stellt ein Mittel bereit, um in genauer
Weise den in die Zelle eingeprägten
Strom unabhängig
von dem Widerstand der Zelle zu steuern, und damit den programmierten
Zustand in genauer Weise zu steuern.
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Es
ist hilfreich die Grundlagen zu verstehen, wie einige Speicherzellen
funktionieren, um die vorliegende Erfindung vollständig würdigen zu
können. Eine
organische Speicherzelle ist für
gewöhnlich
aus zwei Elektroden mit einem zwischen den zwei Elektroden angeordneten
leitenden Einstellmedium aufgebaut. Das leitende Einstellmedium
enthält
eine organische Leiterschicht und eine oder mehrere Passivierungsschichten.
Das leitende Einstellmedium wird programmiert (beispielsweise beschrieben),
indem Vorspannungen angelegt werden, die einen gewünschten
Impedanzzustand in die Speicherzelle programmieren. Der gewünschte Impedanzzustand repräsentiert
ein oder mehrere Bits an Information und erfordert keine konstante
Leistungszufuhr oder Auffrischzyklen, um den gewünschten Impedanzzustand zu
bewahren. Der Impedanzzustand des leitenden Einstellmediums wird
ausgelesen, indem ein Strom eingeprägt wird und anschließend die
Impedanz des leitenden Einstellmediums ausgelesen wird. Wie bei
dem geschriebenen Impedanzzustand repräsentiert der Ausleseimpedanzzustand
ein oder mehrere Bits an Information.
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In 2 ist
eine dreidimensionale Ansicht eines Beispiels eines organischen
Speicherbauelements 200 gezeigt. Das Speicherbauelement
umfasst eine erste Elektrode 204, eine passive Schicht 206,
eine organische Leiterschicht 208 und eine zweite Elektrode 210.
Die Ansicht zeigt ferner eine Spannungsquelle 202, die
mit der ersten Elektrode 204 und der zweiten Elektrode 210 verbunden
ist und die der ersten Elektrode 204 und der zweiten Elektrode 210 eine
Spannung zuführt.
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Die
erste Elektrode 204 und die zweite Elektrode 210 sind
aus einem leitenden Material aufgebaut. Die Dicke der ersten Elektrode 204 und
der zweiten Elektrode 210 kann in Abhängigkeit der Ausführungsform
und des aufzubauenden Speicherbauelements variieren. Die organische
Leiterschicht 208 und die passive Schicht 206 werden
gemeinsam als ein leitendes Einstellmedium oder Regulationsmedium
bezeichnet. Die leitenden Eigenschaften diese Mediums (beispielsweise
leitfähig,
nicht leitfähig, halbleitend)
kann in gesteuerter Weise modifiziert werden, indem diverse Spannung über dem
Medium mittels den Elektroden 204 und 210 angelegt
werden.
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Das
organische Speicherbauelement kann, wie konventionelle Speicherbauelemente,
zwei Zustände
aufweisen, einen leitenden (geringe Impedanz oder „Ein") Zustand oder einen
nicht leitenden (Hochimpedanz oder „Aus) Zustand. Anders als
konventionelle Speicherbauelemente ist das organische Speicherbauelement
jedoch in der Lage, mehrere Zustände
zu bewahren, im Gegensatz zu einem konventionellen Speicherbauelement,
das auf zwei Zustände
beschränkt
ist (beispielsweise aus oder ein). Das organische Speicherbauelement
kann mit unterschiedlichen Maßen
an Leitfähigkeit
verwirklicht werden, um weitere Zustände zu kennzeichnen. Beispielsweise
kann das organische Speicherbauelement einen sehr gut leitenden
Zustand (Zustand mit sehr geringer Impedanz) einen gut leitenden
Zustand (Zustand mit geringer Impedanz), einen leitenden Zustand
(Zustand mit mittlerer Impedanz) und einen nicht leitenden Zustand
(Hochimpendanzzustand) aufweisen. Dies ermöglicht das Speichern mehrerer Bits
an Information in einer einzelnen organischen Speichereinrichtung,
etwa zwei oder mehr Bits an Information oder vier oder mehr Bits
an Information (z. B. vier Zustände
liefern 2 Bits an Information, acht Zustände liefern 3 Bits an Information,
etc.).
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Das
Umschalten der organischen Speichereinrichtung in einen speziellen
Zustand wird als Programmieren oder Schreiben bezeichnet. Das Programmieren
wird bewerkstelligt, indem eine spezielle Spannung (beispielsweise
9 Volt, 2 Volt, 1 Volt, etc.) über
dem leitenden Einstellmedium mittels den Elektroden 204 und 210 angelegt
wird. Die spezielle Spannung, die auch als eine Schwellwertspannung bezeichnet
wird, variiert entsprechend dem jeweiligen gewünschten Zustand und ist im
Allgemeinen deutlich größer als
Spannungen, die während
des normalen Betriebs eingesetzt wird. Somit gibt es typischerweise
eine separate Schwellwertspannung, die dem gewünschten Zustand entspricht
(z. B. „Aus", „Ein", etc.). Der Schwellwert
variiert in Abhängigkeit einer
Vielzahl von Faktoren, wozu die Art der Materialien gehören, die
das organische Speicherbauelement bilden, die Dicke der diversen
Schichten, und dergleichen. Die Spannungsversorgung 202 ist
steuerbar und wird verwendet, um die Schwellwertspannung in diesem
Aspekt der Erfindung bereitzustellen. In anderen Aspekten der Erfindung
werden jedoch andere Mittel eingesetzt, um Schwellwertspannungen
anzulegen.
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Allgemein
gesagt, das Vorhandensein eines externen Stimulus, etwa eines angelegten
elektrischen Feldes, das einen Schwellwert („Ein"-Zustand) übersteigt, ermöglicht es,
dass eine angelegte Spannung Information in die organische Speichereinrichtung
schreibt, daraus ausliest oder diese löscht; wohingegen das Fehlen
des externen Stimulus, der eine Schwellwertspannung („Aus"-Zustand) übersteigt, verhindert,
dass eine angelegte Spannung, Information in die organische Speichereinrichtung
schreibt oder darin löscht.
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Um
Information aus der organischen Speichereinrichtung auszulesen,
wird eine Spannung oder ein elektrisches Feld (beispielsweise 2
Volt, 1 Volt, 0,5 Volt, etc.) mittels der Spannungsquelle 202 angelegt.
Anschließend
wird eine Impedanzmessung ausgeführt,
die den Betriebszustand der Speichereinrichtung (beispielsweise
hohe Impedanz, sehr geringe Impedanz, geringe Impedanz, mittlere
Impedanz, und dergleichen) bestimmt. Wie zuvor angegeben ist, bezieht
sich die Impedanz beispielsweise auf „Ein" (beispielsweise 1) oder „Aus" (beispielsweise
0) für
ein Bauelement mit zwei Zuständen,
oder bezeichnet „00", „01", „10" oder „11" für ein Bauelement mit
4 Zuständen.
Zu beachten ist, dass eine andere Anzahl an Zuständen andere binäre Interpretationen ermöglichen
kann. Um in die organische Speichereinrichtung geschriebene Information
zu löschen, wird
eine negative Spannung oder eine Polarität, die entgegengesetzt ist
zu der Polarität
des Schreibsignals und die einen Schwellwert übersteigt, angelegt.
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Die
vorliegende Erfindung kann auch für andere Speicherbauelementstypen
eingesetzt werden, etwa Halbleiterspeicherbauelemente und nicht-Halbleiterbauelemente.
Ein Bauelement, in welchem eine Widerstandssteuerung verwendet wird,
kann ebenso in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, wozu,
ohne einschränkend
zu sein, verdrahtete Bauelemente, Bauelemente auf Metallsulfidbasis,
Bauelemente mit Tunnelmechanismen, MOS-Bauelemente, organische Bauelemente
und Bauelemente mit Widerstandszuständen, und dergleichen gehören. Beispielsweise
kann bei der organischen Speicherstruktur, die in 2 gezeigt
ist, eine Änderung
in einer Metallstruktur vorgenommen werden, wobei die passive Schicht 206 aus
Sulfiden und die organische Leiterschicht 208 aus Oxiden
aufgebaut ist. Dies ergibt ein nichtorganisches Bauelement, das
mittels der vorliegenden Erfindung steuerbar ist.
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3 zeigt
eine Ansicht, in der ein Speicherbauelement 300 dargestellt
ist, in der eine Konstantspannungsquelle 304 gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Eine Speicherzelle 302 ist
elektrisch parallel mit der Konstantspannungsquelle 304 verbunden,
um das Löschen
der Speicherzelle 302 zu ermöglichen. Die Konstantspannungsquelle 304 liefert
eine stabilisierende Wirkung für
die Speicherzelle 302 bei einem gegebenen Spannungspegel.
Dieser Spannungspegel ist ausreichend, um die Löschschwellwertspannung der
Speicherzelle zu überschreiten,
wodurch es möglich
ist, die Speicherzelle 302 zu löschen. Der innere Aufbau der
Speicherzelle 302 bewirkt, dass ihre Widerstandspegel variieren,
wenn Spannungen über
der Zelle 302 angelegt werden. Normalerweise würde dies
verursachen, dass auch die Spannungsquelle variiert, wodurch eine
Schwankung hervorgerufen wird, die die Wirksamkeit der Spannungsquelle
zum geeigneten Löschen
der Zelle verringert. Durch Verwenden einer Konstantspannungsquelle 304 kann ein
gewünschter
Löschspannungspegel
für eine sorgfältige Löschung bewahrt
werden, unabhängig von
dem sich ständig ändernden
Widerstand in der Speicherzelle 302. Dies ermöglicht ein
höheres
Maß an
Steuerung und Effizienz während
des Löschens der
Speicherzelle 302. Das Eliminieren der Schwankungen der
angelegten Spannung erlaubt eine höhere Effizienz, indem ein Mittel
zum genauen Steuern des Spannungspegels auf einen Wert bereitgestellt wird,
der ausreicht, um das Löschen
zu bewirken, wobei die Spitzenspannungswerte reduziert werden, die
die Zelle schädigen
könnten
und die zu einer erhöhten
Verlustleistung führen
würden.
Ferner stellt das Steuern des Spannungspegels am Ende eines Löschzyklus
sicher, dass das gewünschte
Verhalten eines nachfolgenden Programmierzyklus beibehalten wird.
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4 zeigt
eine Ansicht, in der ein Speicherbauelement 400 mit einer
Konstantstromquelle 404 gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung gezeigt ist. Eine Speicherzelle 402 ist elektrisch
in Reihe mit der Konstantstromquelle 404 verbunden, um das
Programmieren der Speicherzelle 402 zu ermöglichen.
Die Konstantstromquelle 404 erzeugt eine stabilisierende
Wirkung auf die Speicherzelle 402 bei einem gegebenen Spannungspegel. Üblicherweise wird
zum Programmieren der Speicherzelle 402 eine externe Spannung
an die Zelle angelegt. Diese Spannung bewirkt, dass der innere Widerstand
der organischen Speicherzelle abhängig von einem gewünschten
Ergebnis variiert (in Abhängigkeit
von der gespeicherten Information). Die externe Spannung bewirkt
auch einen Stromfluss durch die Speicherzelle 402 während des
Programmierens. Stromsprünge oder
Stromspitzen können
während
dieses Prozesses auftreten. Dies bewirkt, dass der interne Widerstandswert
der Speicherzelle 402 sich ebenfalls ändert. Durch Verwendung einer
Konstantstromquelle 404 in Reihe mit der Speicherzelle 402 werden
diese Sprünge
oder Spitzen eliminiert, wodurch eine bessere Steuerung während des
Programmierens der Zelle 402 möglich ist. Da einige Speicherzellen
Mehrbitzellen sind (mit zwei Zuständen oder mehr), ermöglicht die
genauere Steuerung der Widerstandswerte der Zellen, dass mehr Information
in genauerer Weise mit einem höheren
Maß an
Zuverlässigkeit
gespeichert werden kann.
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5 ist
ein Graph 500, der die Strom- und Spannungseigenschaften
einer grundlegenden Speichereinrichtung zeigt. Der Graph 500 zeigt,
dass der Speicherzellenwiderstand einer Speicherbasiszelle in einen
Zustand mit geringem Widerstand übergeht, wenn
die Spannung größer als
Vt_pgm ist, und die Speicherzelle zurück in den Zustand mit hohem
Widerstand übergeht,
wenn die Spannung in negativer Richtung verläuft und den Schwellwert Vt_er übersteigt. 6 ist
ein Graph 600, der die Strom-Spannungseigenschaften eines
Speicherbauelements mit Diodeneigenschaften zeigt. Diese Art einer
Speicherzelle besitzt eine innere Diode, die mit Widerstandsumschalteigenschaften
kombiniert ist. Der Speicherzellenwiderstand geht in einen Zustand
mit geringem Widerstand (Ein-Zustand) über, wenn die Spannung größer wird
als Vt_pgm und die Speicherzelle verhält sich entsprechend der Dioden
I-U-Kurve bei einer kleineren Einschaltspannung. Auf Grund der inhärenten Diodeneigenschaft
wird der Strom in der negativen Richtung gleichgerichtet. Daher
kann die negative Spannung über
der Zelle angelegt werden, aber es fließt kein Strom (oder ein sehr
geringer Leckstrom) durch die Zelle. Wenn die negative Spannung
den Schwellwert Vt_er übersteigt,
kehrt die Speicherzelle in den Zustand mit hohem Widerstand zurück (Aus-Zustand).
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7 zeig
einen Graphen 700, der eine Stromquelle zum Programmieren
einer Speicherzelle zeigt. Der Graph stellt einen idealen konstanten Strom
dar, der bei Veränderungen
in der Spannung über
einer Speicherzelle nicht variiert. Typischerweise nimmt die Spannung
einer Speicherzelle ab, wenn der Widerstand kleiner wird. In einem
Falle der vorliegenden Erfindung wird ein MOS-Transistor verwendet,
um eine Konstantstromquelle bereitzustellen. In 8 ist
ein Graph 800 dargestellt, in welchem eine Konstantstromquelle
unter Anwendung der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. 9 zeigt
eine Speichereinrichtung 900, in der in diesem Beispiel ein
Transistor 902 verwendet ist, der in Reihe mit einer Speicherzelle 904 als
Last angeordnet ist, um damit erfindungsgemäß den Zugriff zu steuern. Der Transistor 902 kann
den Speicherzellenstrom als eine Stromquelle mit einer ausgewählten Gatespannung
steuern. Obwohl das Stromprofil nicht ein ideales Konstantstromverhalten
zeigt, kann diese Gleichstromquelle ein im Wesentlichen akzeptables
Leistungsverhalten zum Steuern der Speicherzellenwiderstandspegel
liefern. 10 zeigt einen Graphen 1000,
in der unterschiedliche Strompegel für eine gegebene Gatespannung
gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
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In 11 wird
eine Speicherzelle 1102 durch einen Transistor 1104 gesteuert,
der eine Konstantspannungsquelle für eine Speichereinrichtung 1100 gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung bereitstellt. In diesem Falle
der vorliegenden Erfindung wird der Transistor 1104 verwendet,
um eine Konstantspannungsquelle zum Löschen der Speicherzelle 1102 einzurichten.
Es wird eine hohe Gatespannung an den Transistor 1104 angelegt,
um den Lastwiderstand zu minimieren.
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In
anderen Fällen
der vorliegenden Erfindung besitzt eine Konstantstromquelle eine
begrenzte Anzahl an Pegeln, die beim Programmieren einer Speicherzelle
auf spezielle Widerstandspegel unterstützend wirken. In einer weiteren
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist eine Konstantstromquelle in kontinuierlicher
Weise variabel, um damit eine unbegrenzte Anzahl an Strompegeln
beim Ermöglichen
des Programmierens einer Speicherzelle bereitzustellen.
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In
noch weiteren Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfasst ein System eine Einrichtung zum
Bereitstellen einer Konstantstromquelle und eine Einrichtung für eine Konstantspannungsquelle
wird verwendet, um Speicherzellen zu löschen und zu programmieren.
Das System kann eine Einrichtung aufweisen, um einen gewünschten
Impedanzzustand bzw. Zustände
einer oder mehrerer Speicherzellen zu bestimmen und kann eine Einrichtung
aufweisen, um einen Informationsgehalt aus dem Impedanzzustand bzw.
Zuständen
zu bestimmen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das System
eine Einrichtung, um einen gewünschten
Impedanzzustand bzw. Zustände
für Information
zu bestimmen, die zu speichern ist, und umfasst eine Einrichtung
zum Programmieren (Schreiben) dieser Information in mindestens eine
Speicherzelle, indem der bzw. die die gewünschten Impedanzzustände in mindestens
eine Speicherzelle programmiert (geschrieben) werden.
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Die
Widerstandssteuerungseigenschaften der vorliegenden Erfindung sind
in einer beliebigen Einrichtung, in der ein Speicher erforderlich
ist, vorteilhaft. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung
verwendet werden in Computern, Geräten, Industrieanlagen, tragbaren
Einrichtungen, Telekommunikationsanlagen, medizinischen Anlagen,
Forschungs- und Entwicklungsanlagen, Transportfahrzeugen, Radar/Satelliteneinrichtungen,
und dergleichen. Tragbare Handgeräte und insbesondere elektronische
Handgeräte
erhalten Verbesserungen hinsichtlich ihrer Transportfähigkeit
auf Grund der geringen Größe und des
geringen Gewichts von Mehrbit-Speicherbauelementen,
die durch die vorliegende Erfindung ermöglicht werden. Zu Beispielen
von Handgeräten
gehören
Mobiltelefone und andere Zweiwege-Kommunikationseinrichtungen, persönliche Datenassistenten,
Palm-Geräte,
Rufbenachrichtigungsgeräte,
Notebook-Computer, Fernsteuerungen, Rekorder (Video und Audio),
Funkgeräte,
kleine Fernsehgeräte
und Internetgeräte,
Kameras, und dergleichen.
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Angesichts
der vorhergehenden strukturellen und funktionellen Merkmale, wie
sie oben beschrieben sind, können
Verfahrensabläufe
gemäß diversen
Aspekten der vorliegenden Erfindung besser mit Bezug zu 12 verstanden
werden. Obwohl zum Zwecke der einfachen Erläuterung der Verfahrensablauf
aus 12 so beschrieben und dargestellt ist, dass dieser
der Reihe nach ausgeführt
wird, sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht
auf die spezielle Reihenfolge beschränkt ist, da gewisse Aspekte
erfindungsgemäß auch in
anderen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Aspekten
auftreten können,
anders als dies hierin gezeigt und beschrieben ist. Ferner sind
nicht alle dargestellten Merkmale erforderlich, um ein Verfahrensablauf
gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung zu verwirklichen.
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12 zeigt
ein Flussdiagramm eines Verfahrens 1200 zum Steuern eines
Speicherbauelements gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Verfahren 1200 kann eingesetzt werden, um
eine Speichereinrichtung zu betreiben, die einen Widerstand zum
Speichern von Speicherzuständen
verwendet. Die Funktion des Bauelements umfasst das Auslesen und
Schreiben von Information aus und in eine Speichereinrichtung. Es
ist zu beachten, dass das Verfahren 1200 an Speicherbauelementen
und Arrays aus Speicherbauelementen innerhalb einer Speichereinrichtung
betrieben werden kann.
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Das
Verfahren 1200 beginnt bei 1202, wobei eine Bestimmung
durchgeführt
wird, ob eine Löschoperation
oder eine Schreib-(Programmier-)Operation auszuführen ist. Wenn eine Schreiboperation
bei 1202 erkannt wird, wird ein gewünschter Impedanzzustand bei
1204 bestimmt. Der Impedanzzustand entspricht einem gewünschten
Zustandswert und/oder einem gewünschten
Informationsinhalt für das
entsprechende Bauelement(e) (beispielsweise 0, 1, 11, 10, und dergleichen).
Der gewünschte
Zustand ist einer von mehreren verfügbaren Referenzzuständen oder
Impedanzpegeln für
das Bauelement, wobei die verfügbaren
Referenzzustände
unterschiedliche Informationsinhalte angeben. Es wird ein Konstantstrompegel,
der für
den gewünschten
Impedanzpegel geeignet ist, an die Speicherzelle 202 angelegt.
Es wird dann eine Vorspannung an das Bauelement im Schritt 1208 angelegt,
um den gewünschten
Zustand zu schreiben. Das Verfahren 1200 kehrt dann zu 1202 zurück, in welchem
die nachfolgende Operation bestimmt wird.
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Wie
zuvor erläutert
ist, wird der gewünschte Informationsgehalt
typischerweise in der Speichereinrichtung in adressierbaren Speicherstellen
(beispielsweise Zellen) in einer spezifizierten Anzahl an Bytes
gespeichert. Anders als in konventionellen Speichereinrichtungen
können
jedoch mehr als 1 Bit an Information aus einer einzelnen Mehrbit-Speichereinrichtung
ausgelesen werden.
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Zu
beachten ist, dass die obige Beschreibung des Verfahrens 1200 in
gewisser Weise vereinfacht ist, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung
zu erleichtern. Beispielsweise wird auf Bauelemente der Speichereinrichtung
zugegriffen, indem ein Adressierschema verwendet wird, um damit
Speicherstellen zu löschen
oder diese zu beschreiben. Des weiteren können Speicherbauelemente ausgelesen
werden (beispielsweise in einem Voreinstellungszustand versetzt
werden), indem ein geeigneter eingeprägter Strom in dem leitenden
Einstellmedium der Speichereinrichtung erzeugt wird und indem der entsprechende
Impedanzwert bestimmt wird. Der Voreinstellungswert einer Speicherzelle
ist im Allgemeinen ein sehr gut leitender oder ein sehr schlecht leitender
Impedanzzustand.
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Es
wurden ein oder mehrere Aspekte der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Es ist natürlich nicht
möglicht,
jede mögliche
Kombination aus Komponenten und Verfahrensabläufe zum Zwecke des Beschreibens
der vorliegenden Erfindung darzulegen, aber der Fachmann erkennt,
dass viele weitere Kombinationen und Möglichkeiten der vorliegenden Erfindung
möglich
sind. Folglich soll die vorliegende Erfindung alle derartigen Änderungen,
Modifizierungen und Variationen umfassen, die innerhalb des Grundgedankens
und Schutzbereichs der angefügten
Patentansprüche
liegen. Obwohl ein spezielles Merkmal der Erfindung unter Umständen in
Bezug auf lediglich eine von mehreren Ausführungsformen beschrieben ist,
kann ein derartiges Merkmal auch mit einem oder mehreren anderen
Merkmalen der anderen Ausführungsformen
kombiniert werden, wie dies wünschenswert
und vorteilhaft ist für
eine gegebene oder spezielle Anwendung. In dem Maße, wie der
Begriff „enthält" in der Beschreibung
oder den Patentansprüchen
verwendet ist, soll dieser Begriff „einschließend" sein in einem Sinne ähnlich zu
dem Wort „mit
oder umfassend".
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Zusammenfassung
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Es
werden Systeme und Verfahren bereitgestellt, wobei mindestens eine
Konstantstromquelle (114, 404) zur Programmierung
einer organischen Speicherzelle (102, 302, 402, 904, 1102, 1206)
eingesetzt wird und/oder wobei mindestens eine Konstantspannungsquelle
(112, 304) zum Löschen einer Speichereinrichtung
(200, 300, 400, 900, 1100)
verwendet wird. Die vorliegende Erfindung wird in Bauelementen mit
einzelnen Speicherzellen und in Speicherzellenarrays (100)
angewendet. Das Verwenden einer Konstantstromquelle (114, 404)
verhindert Stromspitzen während
des Programmierens und ermöglicht
eine genaue Steuerung des Zustands einer Speicherzelle (102, 302, 402, 904, 1102, 1206)
während
der Schreibzyklen, unabhängig
von dem Widerstand der Zelle. Das Verwenden einer Konstantspannungsquelle
(112, 304) ergibt eine stabile Last für die Speicherzellen
(102, 302, 402, 904, 1102, 1206) während der
Löschzyklen
und ermöglicht
eine genaue Spannungssteuerung an der Speicherzelle (102, 302, 402, 904, 1102, 1206)
trotz der großen
dynamischen Änderungen
im Zellenwiderstand während
des Prozesses.