DE2000258A1

DE2000258A1 - Datenspeicher mit Vierschicht-Dioden

Info

Publication number: DE2000258A1
Application number: DE19702000258
Authority: DE
Inventors: Ho Irving Tze
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-01-06
Filing date: 1970-01-05
Publication date: 1971-07-22
Also published as: US3569945A; GB1234900A; FR2027783A1

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, 29. Dezember I969 ru-sk

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk,N.Y,- 10 504

Amtl.Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenz.d.Anmelderin: Docket PI 967 077

Datenspeicher mit Vierschicht-Dioden

Die Erfindung betrifft einen Datenspeicher mit Vierschicht-Dioden als Speicherelemente, die in Matrixform in Zeilen und Spalten angeordnet sind und eine besonders kleine Verlustleistung aufweisen.

Die prinzipielle Wirkungsweise einer Vierschicht-Diode und ihre Verwendung als Datenspeicher in elektronischen Rechenmaschinen ist aus dem Artikel " Thyristoren und ihre Verwendung' als Binärspeicher"von Reinald Greller in "Elektronische Rechenanlagen", Heft 6, Dezember I965, Seiten 29J5~j3O2 _f bekannt geworden. Die Thyristoren eignen sich deshalb besonders für die monolithische Technik, weil die einzelne Speicherzelle sehr einfach aufgebaut

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werden kann und somit eine sehr hohe Packungsdichte verspricht. Die Anwendung von Thyristoren für extrem hohe Schaltgeschwindigkeiten, insbesondere in Schaltern, wird durch »ei grundlegende"und miteinander in Wechselwirkung stehende Erscheinungen beeinträchtigt. Die erste Erscheinung ist der dynamische Durchbruch solcher Halblei tereLemente, während die zweite Erscheinung mit der Speicherung von Minioritätsträgern zusammenhängt, wovon die Fähigkeit des Halbleiterelements zur raschen Wiedererlangung der Sperrwirkung in Durchlaß-oder Vorwärtsrichtung vom Leitzustand ausgehend,abhängig ist. Der dynamische Durchbruch tritt auf, wenn das anfänglich im Startzustand befindliche Halbleiterelement in Vorwärtsrichtung mit einer sich rasch ändernden Anoden-Kathodenspannung beaufschlagt wird. Der hierdurch entstehende Verschiebungsstrom der der Raumladung oder den Ladungsträgern entspricht, bewirkt eine Umladung der Kapazität, wodurch ein unbeabsichtigtes Umschalten in den Leitzustand erreicht wird. Die zweite Erscheinung ist durch die Ansammlung von Minoritätsträgem bzw. die Ladungsspeicherung im Leitzustand des Halbleiterelements bedingt. Diese Ladung muß im wesentlichen abgeflossen sein« bevor das Halbleiterelement seine StartfähigkeIt in Vorwärtsrichtung wieder erlangt. Zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit ist daher nicht nur eine Verbesserung der dynamischen Durchbruchsfestigkeit, sondern auch eine entsprechende Ver-

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minderung der Sperr-Wiederherstellungszeit in Vorwärtsrichtung erforderlich. Zur Erreichung des letztgenannten Ziels sind bereits verschiedene Lösungen angegeben worden. So zeigt z.B. die Literatur stelle "How to Suppress Rate Effect in PNPN-DeViCeS¹¹VOn Richard A. Stassior "Electronics, IO.I.I964, Seiten 50-33 einen Vorschlag zur Verbesserung der Sperr-Wiederherstellungszeit und zur Unterdrückung des Änderungseffekts bei einem PNP-Thyristor. Dieser l

Vorschlag besteht in der Anordnung einer vierten Thyristor-Klemme, die mit der zweiten Zone des Halbleiterelements verbunden ist und als Anodenanschluß bezeichnet wird. Während der Sperr-Wiederherstellungszeit beschleunigt ein Strom, der über einen in Roihe mit dem Anodenanschluß angeordneten Widerstand fließt, die Entladung der mittleren Grenzschicht des Thyristors. Um jedoch eine tatsächliche Verbesserung zu erreichen, muß der Reihenwiderstand in vergleichbarer Größe zum Lastwiderstand bemessen sein. Eine Vorleistungs- λ aufnahme einer so aufgebauten Speicherzelle wäre die Folge, weshalb sich dieser Vorschlag nicht für einen hochintegrierten modernen Datenspeicher eignet.

Außerdem wurde schon vorgeschlagen, die Verlustleistung bei derartigen Speichern dadurch zu senken, daß die Speisespannungen bzw.-Ströme für die Speicherzellen gepulst zugeführt werden. Dies ist möglich, weil eine Speicherzelle, insbesondere aus Vierschioht-Dioden oder -Transistoren,

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den Informationsinhalt auch noch bei nicht voll anliegender Speisespannung hält. Will man dann bei einem so betriebenen Speicher eine Information lesen oder schreiben, dann wird die Speisespannung für diese betreffenden adressierten Speicherzellen kurzzeitig auf die volle Speisespannung gelegt. Jedoch hat auch dieser Vorschlag den Nachteil, daß die Verlustleistung und damit die freiwerdende Wärme noch zu hoch ist und damit den Integrationsgrad wesentlich beschränkt. Um eine erhöhte Schaltgeschwindigkeit bei Vierschicht-Trioden zu erreichen, wurde in der deutschen Auslegeschrift 1 277 920 der Vorschlag gemacht, daß der Abschaltkreis eine zwischen der dritten und vierten Zone angeschlossene erste Diode, eine zwischen der er&en und dritten Zone angeschlossene zweite Diode sowie eine zwischen der zweiten und vierten Zone angeschlossene dritte Diode aufweist, und daß die Sperr-Wiederherstellungszeit der Grenzschicht geringer als die Sperr-Wiederherstellungszeit der ersten Diode sowie größer als diejenige der zweiten und dritten Diode ist. Dieser Vorschlag eignet sioh für die Herstellung von hochintegrierten monolithischen Speichern nicht, da der Zusatz von vier Dioden und die Steuerung des Thyristors an den zwei vorhandenen Steuerelektroden zuviel Platz benötigt. Außerdem ist auch die Leistungsaufnahme einer derartig aufgebauten Speicherzelle für hochintegrierte Speicher wesentlich zu hoch.

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Des weiteren wurde in der deutschen Auslegeschrift 1 262 der Vorschlag gemacht, einen integrierten Informationsspeicher aufzubauen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Speicherelemente an sich bekannte Vierschichtdioden mit kontaktierten inneren Schichten und an.einer Betriebsspannung liegenden äußeren Schichten sind, daß die inneren Schichten mit Speichereingangsleitungen verbunden sind, und daß das Dotiermaterial in der einen inneren Schicht auf einer Seite des mittleren PN-Überganges so stark konzentriert ist, daß es eine feste Lösung mit dem Halbleitermaterial bildet, während die andere innere Schicht, eine wesentlich niedrigere gleichförmigere Dotiermittelkonzentration aufweist. Auch bei diesem SpeicherzeIlenkonzept besteht der Nachteil, daß die einzelne Zelle schon zuviel Leistung aufnimmt, so daß die Erwärmung der Speicherzelle einen Grad erreicht, der die Verwendung in hochintegrierten Speichern nicht möglich macht. Außerdem werden i auch hier wieder die beiden Steuerelektroden mit Leitungen zur Steuerung des Speicherzustandes versehen, die ebenfalls einen platzraubenden typolOgischaiEntwurf eigeben..

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Speicher mit Vierschicht-Dioden zu schaffen, dessen Speichereffekt auf den Minoritätsträgern beruht und der außerdem eine äußerst geringe Leistungsaufnahme besitzt, so daß eine Verwendung in hochintegrierten monolithischen Speichern möglich

ist. 109830/1615

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Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, daß mit einer die Speicherzelle bildenden PNPN-Diode eine weitere PN-Diode verbunden ist.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht darin, daß ein Bit dadurch eingeschrieben wird, daß eine positive Spannung angelegt wird, die die innere Grenzschicht der PNPN-Diode durchbricht und die Minoritätsträger in den angrenzenden Bereichen erhöht und daßdurch relativ kleine positive Impulse diese Minoritätsträger-Bedingung als Speicherung eines Bits aufrechterhalten wird.

Die Erfindung wird nun anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbe!spielen näher beschrieben.

In den Zeichnungen bedeuten:

Pig.1 ein Prinzipschaltbild, aus der die Betriebsweise der Virschicht-Dioden-Speicherzelle hervorgeht;

Fig.2 eine weitere an sich bekannte Speicherzelle,

die sich für das erfindungsgemäße Einschreiben und Aufrechterhalten der Speicherung eignet und

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Fig.5 ein Prinzipschaltbild einer Speicherebene mit den dazugehörigen peripheren Schaltkreisen.

In Pig.1 sind die erfindungsgemäße Speicherzelle und die dazugehörigen Treiberelemente dargestellt. Die PNPN-Diode 1 ist mit einer PN-Diode 2 und einem Widerstand J3 in Reihe geschaltet.

Während des Betriebs des Speichers gibt der Impulsgenerator konstant Impulse ab. Der Impulsgenerator nach Fig.2 hat einen Ein-Zyklus von 0,1<ΰ, d.h. dass im vorliegenden Beispiel die Einschaltzeit 20 Nanosekunden mit einer Amplitude von 5 Volt beträgt, wenn die Ausschaltzeit 20 Mikrosekunden beträgt. Während der 20 Nanosekunden Einschaltzeit erneuert der Impulsgenerator die Minoritätsträgerdichte in der PNPN-Diode, wenn diese im leitenden Zustand ist. Wenn sich diese Diode in dem nichtleitenden Zustand befindet, dann haben die Impulse keine Wirkung, weil ihre Spannungsamplitude kleiner als die Zündspannung, die im vorliegenden Falle bei ca. 10 Volt liegt, ist.

Wenn die PNPN-Diode 1 sich im nicht-leitenden Zustand befindet und es soll ein Bit in den Speicher eingetragen werden, dann wird der Impulsgenerator 6 veranlaßt, einen pesitiven Impuls mit einer Amplitude, die mindestens gleich der Zündspannung ist, abzugeben. Dieser Impuls wirä> auf Docket FI 967 077 109830/1615

die PNPN-Diode 1 gegeben. Die daraus resultierende Zündung verursacht eine Erhöhung der Minoritätsträgerdichte, die zur Speicherung eines Signals erforderlich ist. Nachfolgend wird die Minoritätsträgerdichte durch den Impulsgenerator aufrechterhalten, dör die Diode 1 in den leitenden Zustand hält.

Wenn festgestellt werden soll, ob eine PNPN-Dioden-Speicherzelle sich im Ein- oder im Auszustand befindet, wird ein kurzer einzelner Impuls mit einer Amplitude kleiner als die Zündspannung durch einen Abtastgenerator 7 erzeugt. Z.B. kann der Abtastimpuls eine Amplitude von 5 Volt haben. Der Abtastimpuls muß zeitlich so fallen, daß er genau zwischen zwei Impulsen, die zur Aufrechterhaltung des Zustande dienen, fällt. Wenn die PNPN-Diode 1 leitend ist, zeigt ein Stromanzeiger den Durohgang des Stromes an, wodurch angezeigt wird, daß sich die Diode 1 Im leitenden Zustand befindet.

Wenn ein gespeichertes Bit aus der Speicherzelle entfernt werden soll, dann wird ein Impulsgenerator 10 veranlaßt» einen negativen Impuls mit einer Amplitude, die der Zündspannung entspricht, zu erzeugen. Dieser negative Löschimpuls hat unter den Bedingungen des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Spannung von -10 Volt und räumt die Minoritätsträger aus der entsprechenden Zon4 aus.

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Eine solche Speicherzelle oder eine Speieherebene, die aus derartigen Speicherzellen aufgebaut ist, kann auch gelöscht werden, indem die Impulse, die zur Aufrechterhaltung des Zustands dienen, abgeschaltet werden.

In Fig.5 ist schematisch dargestellt,wie eine Anzahl von PNPN-Dioden-SpeicherzeIlen einen Teil eines mittels Planartechnik hergestellten monolithischen Speichers 11 bilden.

Auf der einen Seite der Speicherebene sind Leitungen 12-H und auf der entgegenliegenden Seite Leiter 15-17 angeordnet. Die Impulse, die zur Aufrechterhaltung des Speieherzustands dienen, werden über den Impulsgenerator 5 und die Dioden 22-24 bzw. 25-27 sowie die genannten Leiter den Speicherzellen zugeführt.

Die Anwendung der Schreibimpulse 6, der Leseimpulse 7 und der Löschimpulse 10 zu ausgewählten orthogonalen Paaren von Leitern kann in bekannter Weise erfolgen. Während die in Fig.2 gezeigte Speicherzelle ohne die PN-Diode 2 arbeitet, wird durch das Vorhandensein dieser Diode der Zyklus, in dem die Speicherzelle tatsächlich eingeschaltet ist, um ein bis zwei Größenordnungen reduziert. Für Speicher mit extrem geringer Leistungsaufnahme ist das Vorhandensein der Diode 2 sehr günstig.

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Bei verschiedenen Anwendungen, z.B. beim Ausführungsbeispiel nach Pig.2, besteht die Möglichkeit des Übersprechens zwischen den einzelnen Zellen. Dieses Problem kann durch Hinzufügen eines Widerstandselements zwischen die PN-Diode 1 und den Anschlußpunkt B in Fig.2 wesentlich reduziert werden.

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Claims

PATENTANSPRÜ C_H E

1. Datenspeicher mit Vierschicht-Dioden als Speicherelemente, die in Matrixform in Zeilen und Spalten angeordnet sind und eine besonders kleine Verlustleistung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer die Speicherzelle bildenden PNPN-Diode eine weitere PN-Diode verbunden ist.

2. Datenspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bit dadurch eingeschrieben wird, daß eine positive Spannung an die Speicherzelle angelegt wird, die die innere Grenzschicht der PNPN-Diode durchbricht und die Minoritäts- ™ träger in den angrenzenden Bereichen erhöht und daß durch relativ kleine positive Impulse dieser Minoritätsträger-Zustand als Speicherung eines Bits aufrechterhalten wird.

3. Datenspeicher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Aufrechterhaltung des Speicherzustands der Speicherzelle dienende Impulsgenerator eine Speiseimpulsfolge liefert, deren Ein-Zyklus 0,1 % des Aus-Zyklus beträgt und deren Amplitude unterhalb der Zündspannung der Speicherdiode liegt.

4. Datenspeicher nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß | die Spannungsamplitude der Speiseimpulse vom Generator so groß ist, daß diese Impulse keine Wirkung auf eine Speicherdiode haben, die sich im nichtleitenden Zustand befindet .^

5. Datenspeicher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Feststellen des Speicherzustands einer oder mehrerer Speicherzellen mit PNPN-Dioden ein kurzer einzelner Impuls mit einer Amplitude kleiner als die Zündspannung auf die ausgewählte PNPN-Diode gegeben wird, der zeitlich genau zwischen zwei Impulse fällt, die zur Aufrechterhaltung des Speicherzustands dienen.

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