DE1961125B2 - Speicherschaltung - Google Patents

Description

und einfache Schreib- und vor allem Lese-

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g^ÄtUtdarin^aBbeieinerSpeicner schaltung der eingangs genannten Art der Feldeffekt- £££ zwischen dessen Gate- und Enütterelek- «roden während eines Schreibvorganp ein Signal ST einer der ersten oder der zweiten Spannung de,chen Amplitude und wahrend eines Lesevorganges ein ttimal mit einer zwischen den beiden gegebenen SUS Hegenden Amphtude angelegt wird, das einzige aktive Bauelement der Speicherschaltung ist und ohne aktive Bauelemente zwischen die Pole der Betncbsspannungsquelle geschaltet ist und daß beim Lest-organg die Impedanz des Kanals de* Felde^uransistors das Ausgangssignal der Speicherder
fur den

befindet

zonen
aus i\
Schicht 22
u Material das

^rLS^cherschaltung, deren Platzbedarf „vnimal gering ist, hat den Vorteil, daß die taten»- tioii.n unbegrenzt und auch bei Ausfall der Betriebs-_Spa-.mune zerstörungsfrei speicherbar sind und ein-L'cr. und auf Grund der Abhängigkeit des ^usiassignals lediglich von der Impedanz des Spe;-fcaSsistore eindeutiger, gelesen werden können als bisher. Ferner kann die Speicherschaltung über e pe minimale Anzahl von Leitungen die zur Enriiter-, Kollektor- und Gateelektrode fuhren, bei Anisenheit von Steuerungen mit einer minimalen W.7-.M von Spannungswerten betneben werden. Wc_Kn der Eigenschaften eines Feldeffekttransistors dc/verwendeten Art hat die Speicherschaltung an _dcsSen Gateelektrode eine extrem hohe Eingangsimpedanz. Ein wesentlicher Vorte-1 besteht erner darin. daß die an die Gateelektrode angelegten Signale vollkommen vom Strom oder S_lgna im Hauptstromweg (Kanal) des Feldeffekttransistors isoliert sind. Vorteilhaft ist schließlich auch, daß bei Verwendung eines Feldeffekttransistors vom Anreicherungstyp im Ruhezustand praktisch keine Verlustleistung erzeugt wird, da in diesem Fall kein Gatesignal angelegt werden muß und der Kanal aesperrt werden kann.

' An Hand der Zeichnung soll die Erfindung nun näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaittdarstellung einer Ausfuhrungsform dnes für die Sparschaltung verwendbaren Ko^gJ? die Breite

i· und Kollektorzonen

Elektroden 18 b^ ^^_tt

Über dem **?™*^Χ™ΤΤ _eine Anordnung mit bfidt ^^ S_herelenf_eaten Die erste auf der Kollektor-

^J^^ _Schicht22 hrcht β _χ._{± Au{ der}

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26· ^üb!^r-^Z^?gJ Swdektrode 26 äußere Spantroden 18, 2CI undder«« _{Falle des}

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Große NuI!besteht £ dur■ t· _{mistor mit}

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45

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effekttransistors veranschaulichendes Kapazitats-

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Fig.4aund4bSpannungs-Strom-Diagrammedes Gf^ _{15 und die} Ko
Feldeffekttransistors im niederen bzw. hohen Schwell- 60 12 an den'^«^^ ^^ ^ ^ _andere Belegung wertzustand. . . _ .. ^ die Isolier- und Ladungsspeicherschicht als

Fig. 5 eine Speicherschaltung mit einem Feld- und de^ lsoher _{en Kondensators W1}rken.

cffektfransistor als Speicherelement und S-i Ändert des Gatepotentials ändert sich diese

5 6

einen höheren Wert und bleibt nach Entfernen der einer Gatespannung (Fq) von 0 Volt beträgt der negativen Spannung auf diesem Wert bzw. in diesem Kollektorstrom (/) für eine Kollektor-Emitter-Span-Zustand. Wenn das Gatepotential ausreichend positiv nung (V_DS) von größer als 4 Volt ungefähr 5 Milligemacht wird, schaltet die Kapazität auf den niedri- ampere. Der Knick der Konstantstromkurve für geren Wert und bleibt nach Entfernen der positiven s V₀ = 0 entspricht einem Wert von 4 Volt längs der Spannung in diesem Zustand. ΑΓ-Achse (welche den Wert der Kollektor-Emitter-Wenn (s. F ig. 2) die Gate-Emitter-Spannung beider- Spannung wiedergibt). Da der Knick der Kurve an seits des Bezugspunktes (V_REF) sich um einen Betrag einem Punkt liegt, an dem V_DS gleich der Differenz ändert, dessen Amplitude kleiner ist als plus oder zwischen der Gatespannung und der Schwellenminus dem halben Betrag A V, der beispielsweise io spannung (F₀ — F₇-) ist, und da F₀ Null ist, ist F₇-10 Volt betragen kann, ist der Zustend des Feld- dann offenbar ungefähr gleich — 4VoIt. Wenn der effekttransistors ungestört, entsprechend einer Be- Schalter 66 geöffnet wird, behält der Feldeffekttriebsart, bei der die Information zerstörungsfrei im transistor 50 diesen Wert von V_TH so lange bei, wie Bauelement gespeichert ist. nicht durch eine der Gateelektrode zugeführte Span-Dies äußert sich darin, daß der Feldeffekttransistor 15 nung der Gate-Emitter-Obergang um einen Betrag beim Transistorbetrieb eine zweiwertige Schwellen- in Sperrichtung vorgespannt wird, der den Bezugsspannung aufweist. Im Gegensatz zur Kapazitäts- wert übersteigt, der in diesem beispielsweisen Fall änderung schaltet bei einem Feldeffekttransistor mit eine Spannung von ungefähr (—) 3 Volt um eine η-Kanal die Schwellenspannung (F_r), wenn die Gate- negative Vorspannung von ( —) 7 Volt ist.
spannung ausreichend positiver gemacht wird als 20 Wird bei geöffnetem Schalter 66 der Schalter 70 die Emitterspannung, auf einen hohen Wert (F₇₇,) geschlossen, so gelangt zur Gateelektrode des Feidund, wenn die angelegte Spannungs ausreichend effekttransistors SO eine Spannung von — 22,5 Volt, negativ in bezug auf die Emitter- und Kollektor- Durch diese große Sperrspannung zwischen Gateelektroden gemacht wird, auf einen niedrigeren elektrode einerseits und Emitter und Kollektor ande-Wert (V_TL). «5 rerseits wird der Transistor in den Zustand der nied-Fig. 3 zeigt ein Torglied, dessen Schwellwert rigen Schwellenspannung (F _TL) geschaltet, wie in durch Steuern des Durchtritts von Eingangssignalen Fig. 4b gezeigt. Fig. 4b entspricht im wesentlichen verändert werden kann. Der Feldeffekttransistor50 der Fig. 4a, außer daß der Schwellenpegel um ist mit einer Gateelektrode an den Punkt 52, mit ungefähr 6VoIt erniedrigt ist. In Fig. 4b zeigt die seinem Kollektor an den Punkt 56 angeschlossen. 30 Kurve für F₀ = 0 an, daß im flachen Teil der Kurve Ein Widerstand R 58 liegt zwischen dem Punkt 54 ein Strom von 10 Milliampere vorhanden ist, wobei und dem Verbindungspunkt 60, an den eine mit der Knick der Kurve einer Kollektor-Emitter-Spanihrem anderen Pol am Bezugspotential liegende nung von 10 Volt entspricht Der Spannungswert, bei Spannungsquelle 62 mit der Spannung V_cc ange- welchem der Knick auftritt, zeigt, wie oben erklärt, schlossen ist. Der Punkt 54 bildet den Spannungs- 35 an, daß die Schwellenspannung des Feldeffekttranausgang der Schaltung, während das Signal am sistors50 jetzt —10 Volt beträgt. Durch Anlegen Widerstand 58 den Stromfluß in der Schaltung einer negativen Spannung zwischen Gateelektrode anzeigt. Für die hier als Batterie dargestellte Span- und Emitter ist also die Schwellenspannung von nungsquelle 62 kann man auch eine Impulsquelle —4 Volt auf —10 Volt geändert worden. Dieser oder eine Quelle einweg- oder vollweggleichgerich- 40 Schwellwert wird selbst bei geöffnetem Schalter 70 teter Energie verwenden. so lange beibehalten, wie nicht durch eine positive Eine Quelle 64 einer positiven Spannung V₁ kann Gatespannung der Gate-Emitter-Übergang um einen mittels eines Schalters 66 an den Punkt 52 (Gate Betrag in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, der elektrode) angeschaltet werden, während eine Quelle den Wert der angegebenen Bezugsspannung über-68 einer negativen Spannung V₂ mittels eines Schal- 45 steigt, die in diesem beispielsweise Falle ungefähr ters70 an den Punkt 52 angeschaltet werden kann. ( + )3 Volt um eine negative Vorspannung von Der Punkt 52 ist außerdem mit dem einen Pol eines ( —) 7 Volt beträgt

Kondensators 72 verbunden, dessen anderer Pol an Bei im Zustand des niedrigen Wertes V_TL befindeinen Signalgenerator 74 angeschlossen ist. Mittels lichem Feldeffekttransistor 50 bewirkt also ein Signal eines über den Kondensator 72 geschalteten Schalters 50 oberhalb —10 Volt Stromleitung sowie die Erzeu-76 kann der Kondensator kurzgeschlossen und der gung eines Ausgangssignals. Dagegen wird im Zu-Signalgeoerator 74 direkt an die Gateelektrode des stand des hohen Wertes V_TH der Feldeffekttransistor Feldeffekttransistors 50 angekoppelt werden. Die 50 für alle Signale, deren Amplitude nicht — 4VoIt verschiedenen Schalter können in der Praxis durch übersteigt, gesperrt Die Schwellenspannung wird elektronische Bauelemente wie Feldeffekttransistoren 55 also dazu verwendet, um zwischen Signalen unter- oder bipolare Bauelemente realisiert werden. schiedlicher Amplitude zu unterscheiden. Ein wich-Die Spannungen V₁ und F₂ der Quellen 64 und 68 tiges Merkmal der hier beschriebenen Speicherwerden so groß gewählt, daß der Schwellwert des schaltung besteht darin, daß sämtliche Spannungen FeldeffekttransistorsSO auf entweder den niedrigen vom Transistor weggenommen werden können und oder den hohen Wert geschaltet werden kann. Bei- 60 der Transistor dennoch in demjenigen Zustand verspielsweise können im vorliegenden Fall V₁ und V_s bleibt, in welchen er zuletzt gesetzt worden ist Dies die Werte + 22,5 Volt bzw. — 22,5 Volt haben. ist von großem Wert, da durch den Verlust von Bei einem Feldeffekttransistor 50 vom Verarmungs- Energie oder anderweitige Störungen ähnlicher Art typ wird durch Schließen des Schalters 66 der Gate- in einem Computersystem die gespeicherte Informaelektrode eine Spannung von + 22,5 Volt zugeführt 65 tion nicht zerstört wird.

und dadurch die Schwellenspannung auf V_TH, d. h. F i g. 5 zeigt eine flipflopartige Speicherschaltung

ungefähr - 4 Volt eingestellt, wie aus der Spannungs- mit einem Feldeffekttransistor 80, der in diesem Fall

Strom Charakteristik nach Fig. 4a ersichtlich. Bei vom η-leitenden Anreichenmgstyp mit einer Silicium-

nitridschicht von der in F i g. 1 dargestellten Art sein möge. Die Gateelektrode des Feldeffekttransistors 80 ist an die eine Klemme zweier Signalgeneratoren 82 und 84 angeschlossen, deren Innenwiderstände so groß sind, daß der eine von ihnen nicht den anderen kurzschließen kann, und deren andere Klemmen am Bezugspotentialpunkt 100 (Masse) liegen. Ein Signalgenerator 86 ist zwischen den Bezugspotentialpunkt 100 und den Emitter des Feldeffekttransistors 80 geschaltet. Der Kollektor des Feldeffekttransistors 80 ist am Punkt 90, der zugleich die Ausgangsklemme bildet, mit einem Widerstand 88 verbunden, der mit seinem anderen Ende an den positiven Pol einer mit ihrem negativen Pol an Masse liegenden Betriebsspannungsquelle 92 der Spannung V_cc angeschlossen ist.

Wie in F i g. 5 angedeutet, ist die Amplitude des Signals von den Signalquellen 84 und 86 zweiwertig, und zwar entweder OVoIt oder 22,5VoIt. Bei auf Massepotential liegenden Signalgeneratoren 86 und 82 wird durch einen 22,5-Volt-Impuls vom Signalgenerator 84 der Gate-Emitter-Übergang des Feldeffekttransistors 80 in Durchlaßrichtung vorgespannt und dadurch der Transistor in den Zustand des hohen Wertes V_TH von z.B. +10VoIt geschaltet. Ein der Gateelektrode des Feldeffekttransistors 80 vom Signalgenerator SI zugeführter Leseimpuls mit einem Wert, der größer als V_TL, jedoch kleiner als V_TH ist, reicht nicht aus, um die Schwellenspannung zu überwinden, so daß am Punkt 90 kein Signal auftritt. Je nachdem wie die Binärwerte definiert sind, kann dies beispielsweise dem gesetzten Zustand eines Flipflops oder der Speicherung einer »1« oder einer »0« in einer Speicherzelle entsprechen, da die Ausgangsspannung auf +V_cc bleibt und im Kanal des Feldeffekttransistors 80 keine Stromleitung erfolgt.

Bei wieder auf Massepotential liegenden Signalgeneratoren 82 und 84 kann der Signalgenerator 86 getriggert werden, so daß er dem Emitter des Feldeffekttransistors einen positiven Impuls von 22,5 Volt zuführt. Dieser Impuls spannt den Emitter-Gate-Übergang in Sperrichtung vor, was dem Zustand bei geschlossenem Schalter 70 in F i g. 2 analog ist. Dadurch wird der Feldeffekttransistor 80 in den niederen Schwellenzustand von z. B. +4 Volt gesetzt. Ein Lesesignal vom Signalgenerator 82 mit einem Wert, der größer ist als V_TL, jedoch kleiner als V₇₁₁, hat jetzt einen Stromfluß zwischen Kollektor und Emitter des Feldeffekttransistors 80 zur Folge, so daß die Spannung am Punkt 90 einen von F_cc abweichenden Wert annimmt. Entsprechend der obigen Binärwertdefinition kann dies dem rückgesetzten Zustand eines Flipflops entsprechen, da der Feldeffekttransistor auf den Zustand der niedrigen Schwellenspannung zurückgebracht ist. Wie in F i g. 6 gezeigt, kann die Parallelschaltung der Signalgeneratoren 82 und 84 durch eine Gleichstromquelle ersetzt werden, deren Maximalamplitude den Erfordernissen für die Maximalampulitude des Signalgenerators 82 in Reihe mit einem Impulsgenerator wie dem Signalgenerator 84 genügt.

Statt η-leitende Feldeffekttransistoren wie in F i g. 1 und in den Schaltungen nach F i g. 3 und 5 kann man auch solche vom p-Typ verwenden, wenn die Anschlüsse der Vorspannquellen und die Pegel der Eingangssignale entsprechend geändert werden.

Hierzu rBlatt Zeichnungen 309517/442

Claims (3)

1 2 Leistung benötigen, einen geringen Platzbedarf haben Patentansprüche: und zu großen Anordnungen integriert werden kön nen. Einige handelsübliche Speicherschaltungen (vgl.

1. Speicherschaltung mit einem speicherfahigen z.B. USA.-Patentschrift 3 355 721) benötigen aber Feldeffekttransistor, der einen ersten Schwellen- 5 eine Mehrzahl von Transistoren für jedes gespeicherte wert hat, wenn zwischen seinen Gate- und Informationsbit Es ist wünschenswert, die Anzahl Emitterelektroden eine erste Spannung angelegt der aktiven Halbleiterbauelemente pro Bit zu verwird, die größer ist als ein erster gegebener Wert ringem, damit die Anzahl von Speicherzellen in einer und eine solche Polarität hat, daß sie den zwi- Fläche gegebener Größe entsprechend erhöht werden sehen die Pole einer Betriebsspannungsq'ielle io kann.

geschalteten Kanal des Feldeffekttransistors Es sind bereits Speicherschaltungen mit nur einem stärker leitend macht, und der einen zweiten, Speichertransistor je gespeichertes Bit bekannt, dessen anderen Schwellenwert hat, wenn zwischen den Hauptstromweg auf mindestens zwei Leitfähigkeits-Gate- und Emitterelektroden eine zweite Span- zustände einstellbar ist, die der Transistor jeweils nung angelegt wird, die größer ist als ein zweiter 15 auch dann beibehält, wenn beispielsweise von außen gegebener "Wert und eine Polarität hat, bei der zugeführte Spannungen wieder von den Elektroden der Kanal weniger stark leitend wird, dadurch des Transistors entfernt werden. Im bekannten Fall gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransi- handelt es sich um einen ferroelektrischen Speicherstor (80), zwischen dessen Gate- und Emitter- transistor, der aus einem Halbleiterkörper besteht, elektroden während eines Schreibvorgangs ein 20 dessen Stromweg durch Polarisierung von ferro-Signal mit einer der ersten oder der zweiten elektrischem Material umgeschaltet wird. Das ferro-Spannung gleichen Amplitude und während eines elektrische Material ist nahe bei den Elektroden de» Lesevorganges ein Signal mit einer zwischen den Transistors angeordnet, damit die Oberflächenladung beiden gegebenen Werten liegenden Amplitude auf einem am Stromweg befindlichen Teil des Halbangelegt wird, das einzige aktive Bauelement der 35 leiterkörpers verändert werden kann. Es hat sich Speicherschaltung ist und ohne aktive Bau- jedoch in der Praxis herausgestellt, daß solche ferroelemente zwischen die Pole der Betriebsspan- elektrischen Speichertransistoren äußerst schwierig nungsquelle (92) geschaltet ist und daß beim herzustellen und außerdem unstabil sind.
Lesevorgarag die Impedanz des Kanals des Feld- Eine andere bekannte Speicherschaltung enthält effekttransistors das Ausgangssignal der Speicher- 30 ebenfalls nur ein einziges aktives Bauelement, nämschaltung bestimmt. lieh eine Doppelbasisdiode, deren negativer Wider-

2. Speicherschaltung nach Anspruch 1, dadurch stand zum Speichern ausgenutzt wird (USA.-Patentgekennzeichnet, daß im Ruhezustand zwischen schrift 2 907 000). Einigen Aufwand erfordern hier den Gate- und Emitterelektroden des Feldeffekt- jedoch eine zusätzliche Diode, über das das Austransistors (80) eine Spannung angelegt wird, die 35 gangssignal entnommen wird, und die Notwendigkeit den Kanal in den nichtleitenden Zustand vor- von vier Zuleitungen für die Doppelbasisdiode, spannt. Ferner hat die Schaltung eine beträchtliche Verlust-

3. Speicherschaltung nach Anspruch 1 oder 2, leistung im Ruhezustand. Außerdem geht die gedadurch gekennzeichnet, daß während eines speicherte Information verloren, wenn die Betriebs-Lesevorgangs ein Signal zuführbar ist, das den 40 spannung unterbrochen wird, was in größeren Kanal des Feldeffekttransistors (80) bei dessen Speichersystemen nicht immer vermieden werden Einstellung auf den ersten Schwellenwert in den kann.

Leitzustand und bei Einstellung auf den zweiten Das Speichervermögen im pn-übergang eines Schwellenwert in den nichtleitenden Zustand vor- bipolaren Bauelements wird in einer weiteren bespannt. 45 kannten Schaltung ausgenutzt (USA.-Patentschrift

3 070 779), die ebenfalls kein weiteres aktives Bau-

element benötigt. Sie hat aber den Nachteil, daß die

im bipolaren Bauelement gespeicherten Minoritätsträger nur eine beschränkte Lebensdauer haben, nach

Die Erfindung betrifft eine Speicherschaltung mit 50 deren Ablauf die gewünschte Information nicht mehr

einem speicherfähigen Feldeffekttransistor, der einen gelesen werden kann.

ersten Schwellenwert hat, wenn zwischen seinen Eine Speicherschaltung der eingangs genannten Gate- und Emitterelektroden eine erste Spannung Art wurde in der deutschen Offenlegungsschrift angelegt wird, die größer ist als ein erster gegebener 1 803 035 vorgeschlagen. Sie enthält außer dem Wert und eine solche Polarität hat, daß sie den 55 speicherfähigen Feldeffekttransistor der vorliegenden zwischen die Pole einer Betriebsspannungsquelle Art mit zwei unterschiedlichen Schwellenwerten geschalteten Kanal des Feldeffekttransistors stärker mindestens einen zusätzlichen, in herkömmlicher leitend macht, und der einen zweiten, anderen Weise betriebenen Feldeffekttransistor, über den dem Schwellenwert hat, wenn zwischen den Gate- und Kanal des Speichertransistors selektiv eine Betriebs-Emitterelektroden eine zweite Spannung angelegt 60 spannung zugeführt wird. Die Schaltung benötigt wird, die größer ist als ein zweiter gegebener Wert ferner einen zusätzlichen Lastwiderstand für den und eine Polarität hat, bei der der Kanal weniger Speichertransistor, an welchem während des Lesestark leitend wird. Vorgangs die abfallende Spannung gemessen werden Aktive Halbleiterbauelemente, wie Feldeffekt- muß, um den Zustand festzustellen, auf welchen der transistoren, sind als Speicherelemente von großem 65 Speichertransistor zuvor eingestellt worden ist. Das Interesse. Mit derartigen Bauelementen ausgerüstete Ausgangssignal hängt nicht nur vom Zustand des Schaltungen haben den Vorteil daß sie eine hohe Speichertransistors ab, sondern unter anderem auch Arbeitsgeschwindigkeit haben, billig sind, wenig von der Impedanz des zusätzlichen Feldeffekttransi-