DE2045843C3

DE2045843C3 - Elektronenstrahl-Speichervorrichtung

Info

Publication number: DE2045843C3
Application number: DE2045843A
Authority: DE
Inventors: Mitchel Simminds Watertown Mass. Cohen
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1969-06-02
Filing date: 1970-09-16
Publication date: 1982-02-04
Also published as: FR2061786A1; DE2025025A1; DE2045843B2; FR2052345A5; NL7013452A; GB1330165A; DE2045843A1; GB1271927A; FR2061786B1

Description

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch Anschlüsse zur elektrischen Verbindung einer elektrischen Energiequelle (7) mit der hinteren Leiterschicht (10) und der vorderen Leiterschicht (4), so daß ein elektrisches Feld im wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Sandv/ich- oder Mehrschichtenkörpers erzeugt wird (F i g. 3,4).

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Leiterschicht (4) und die Isolierschicht (2) eine solche Dicke haben und so aufgebaut sind, daß die beiden Schichten zusammen von einem Elektronenstrahl (16) mäßiger Energie durchsetzt werden können (F i g. 3,4).

28. Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch

eine elektrisch mit dem Mehrschichtenkörper gekoppelte Ausgangsschaltung (6) und Schaltungen (77,78,75) zur Steuerung der Lage und der Intensität des Elektronenstrahls (90) in der Kathodenstrahlröhre, so daß an diskreten Punkten in der Ebene des Mehrschichtenkörpers in der Isolierschicht gespeicherte elektrische Ladung durch Signale in der Ausgangsschaltung dargestellt wird, wenn der Strahl auf dem Mehrschichtenkörper an den einzelnen diskreten Punkten auftrifft (F i g. 16).

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch eine elektrisch mit den Strahlsteuerschaltungen gekoppelte EingangsschaJtung, durch eine Quelle von Eingangssignalen, und durch eine Einrichtung zum synchronisierten Betrieb der Eingangs- und Ausgangsschaltung, so daß elektrische Ladung an diskreten Punkten in der Ebene des Mehrschichtenkörpers in der Isolierschicht in Abhängigkeit von über die Eingangsschaltung der Anordnung zugeführten Eingangssignalen gespeichert wird (F i g. 16).

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet,

daß die Eingangssignale in zwei Arten, nämlich als Schreib- und Lesesignale auftreten, daß die Schreibsignale die Verteilung der Speicherpunkte in der Ebene des Mehrschichtenkörpers bestimmen, und

daß die Lesesignale diejenigen Punkte im Mehrschichtenkörper bestimmen, auf die der Elektronenstrahl (90) gerichtet wird, um die Anzeigesignale der Ausgangsschaltung zu erzeugen (F i g. 16).

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Schreib- und Lesesignale in verschiedenen Zeitintervallen auftreten, nämlich in Schreib- und Leseintervallen (F i g. 16).

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahl-Speichervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist bereits festgestellt worden, daß positive Ladung durch einen Elektronenstrahl in demjenigen Teil einer Isolierschicht (z. B. aus S1O2 in einem MOS-Sandwich- oder Mehrschichtenkörper) erzeugt werden kann, der sich in der Nähe einer Elektrode befindet, die mit einer negativen Vorspannung während des Elektronenbeschusses beaufschlagt ist Die Ladungserzeugung geht vermutlich wie folgt vor sich: Wenn ein Potential am Mehrschichtenkörper angelegt wird, so daß das Metall positiv vorgespannt wird, erzeugt ein das Oxyd durchsetzender Elektronenstrahl Elektron-Loch-Paare und regt Elektronen aus normalerweise gefüllten Haftstellen in das Leitungsband an. Die Löcher und Elektronen im Valenz- und Leitungsband werden durch das angelegte Feld abgesaugt, so daß ein weniger als normal gefüllter Satz von Haftstellenzuständen übrigbleibt, nachdem der Elektronenstrahl abgeschaltet worden ist.

Es ist ferner in Erwägung gezogen worden, daß eine derartige MOS-Speicherung zusammen mit einem Elektronenstrahl zum Speichern und Lesen von Information in Analog- oder Digitalform verwendet werden kann. Zu diesem Zv. eck werden kleine MOS-Transistoren zur Speicherung von Ladung erzeugt, wobei auf der Oberfläche der Transistoren Source- bzw. Quellen- und Drain- bzw. Senkenzuieitungen zu jedem Transistor führen und die gespeicherte Ladung durch Feststellen von Änderungen in den Leitungsschwellen dieser Transistoren festgestellt wird, die durch die Gegenwart der gespeicherten Ladung

verursacht werden. Ein deutlicher Nachteil derartiger Vorrichtungen besteht darin, daß eine kleine, besondere Struktur für jede Reihe gespeicherten Bits hergestellt werden muß und getrennte Zuleitungen für jede Zeile von der Vorrichtung ausgehen müssen. Ferner ist ein ι bestimmter Ort vorgesehen, auf den der Elektronenstrahl gerichtet werden muß, um die Speicherung vorzunehmen, und ein anderer (benachbarter) fester Ort, auf den der Elektronenstrahl gerichtet werden muß, um die gespeicherte Information zu erfassen oder zu κι lesen, wobei diese Orte bei der Herstellung festgelegt werden. Eine derartige vorgefertigte Speicherstruktur legt also beträchtliche Beschränkungen bei der Ausrichtung des Elektronenstrahls auf einen vorbestimmten Ort infolge der nichtlinearen Ablenkung des Strahls in r> Abhängigkeit von Ablenkansteuersignalen auf.

Es ist bereits eine Fernseh-Kameraröhre bekannt (vgl. US-PS 34 03 284), bei der das auf das n-leitende Substrat isolierter pn-Dioden einfallende Licht den pn-Übergangsstrom entsprechend einem sichtbaren jo Bild moduliert oder verstärkt. Ein Elektronenstrahl lädt zuvor alle Dioden auf den gleichen Spannungspegel auf, so daß keine Information durch die Einwirkung des Elektronenstrahles gespeichert wird, der vielmehr lediglich zum Aktivieren für den anschließenden r, Lichteinfall dient Bei der bekannten Fernseh-Kameraröhre wird also zwar sichtbare Information in elektrische Information umgesetzt, wobei aber keine eigentliche Speicherung oder Auffrischung erfolgt.

Dagegen ist es Aufgabe der Erfindung, eine i<> Elektronenstrahl-Speichervorrichtung anzugeben, bei der der Elektronenstrahl auf einfache Weise genau an diskreten Stellen der Vorrichtung auftrifft, um dort elektrische Ladung zu speichern.

Diese Aufgabe wird bei einer Elektronenstrahl- π Speichervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die Erfindung wird eine Elektronenstrahl-Speichervorrichtung geschaffen, mit der Information w auf einfache Weise genau an diskreten Stellen speicherbar ist

Die Erfindung ermöglicht auch die Erfassung gespeicherter elektrischer Ladung, wobei der Elektronenstrahl auf den Ort gerichtet wird, in dem die Ladung 4^r> gespeichert ist, um einen die gespeicherte Ladung anzeigenden elektrischen Strom durch diesen Ort in einer Richtung zu erzeugen, die im wesentlichen parallel zur Richtung des Strahls verläuft Die an jedem Punkt gespeicherte Ladung kann erfaßt werden, wenn danach vt derselbe oder ein anderer Elektronenstrahl auf denselben Bereich gerichtet wird Schließlich speichert eine derartige Vorrichtung Digital· oder Äiiakjgiiiiorinaiion in einer zweidünensionalen Anordnung von Bereichen, wobei die Information an jedem diskreten Bereich der ss Vorrichtung getrennt gespeichert und erfaßt werden kann, ohne daß besondere kleine Strukturen oder Zuleitungen notwendig sind, die zu einem einzelnen oder einer Gruppe von Speicherbereichen führen.

Der Elektronenstrahl wird senkrecht auf die Oberflä- bo ehe eines Metall-Isolierstoff-Halbleiter-(MOS)-Sandwich- oder Mehrschichtenkörpers zum Schreiben gerichtet, so daß die Information in die Speichervorrichtung eingegeben wird. Der Elektronenstrahl durchsetzt den Metallfilm und gelangt in das Oxyd des MOS-Mehr- es Schichtenkörpers, so daß in das Leitungsband Elektronen aus dem Valenzband und/oder Haftstellen in der Energielücke des Oxyds angeregt werden. Die Elektronen werden vom Oxyd durch ein angelegtes elektrisches Feld abgesaugt, das durch eine am MOS-Mehrschichtenkörper angelegte Spannung erzeugt wird, wobei eine positive Spannung am Metall angelegt ist, was positive Ladungspunkte im Oxyd in der Nähe der Zwischenfläche zwischen dem Oxyd und dem Halbleiter zurückläßt. Wenn andererseits eine negative Spannung am Metall anliegt, wird die positive Ladung aus dem Oxyd in der Nähe der Metall-Oxyd-Zwischenfläche entfernt Beide Zustände bleiben fast unendlich lang erhalten, wenn der Isolierstoff (Oxyd) und der Halbleiter geeignet gewählt sind. Daher wird die Lage der gespeicherten Ladung (ebenso wie ihr Betrag) durch den Betrag und das Vorzeichen der während des Elektronenbeschusses angelegten Spannung bestimmt, so daß der Zustand der gespeicherten Ladung im Oxyd, der die gespeicherte Information darstellt, von außen beim Schreiben gesteuert werden kann. Der Speicherbereich ist ungefähr gleich dem Querschnitt des auffallenden Elektronenstrahls.

Wenn der Halbleiter vom p-Typ ist bringt das Vorliegen der positiven Ladung in der Nähe der Oxyd-Halbleiter-Zwischenfläche (bei positivem Metall während des Elektronenbeschusses) mit sich, daß die Energiebänder des Halbleiters an der Zwischenfläche nach unten gekrümmt werden, so daß ein Verarmungsbereich im Halbleiter in der Nähe der Oxyd-Halbleiter-Zwischenfläche erzeugt bzw, falls er bereits vorhanden ist, vergrößert wird.

Wenn der Halbleiter vom η-Typ ist bringt das Vorliegen von positiver Ladung in der Nähe der Oxyd Halbleiter-Zwischenfläche (bei positivem Metall während des Elektronenbeschusses) mit sich, daß die Energiebänder des Halbleiters an der Zwischenfläche nach unten gekrümmt werden, und daß ferner ein bereits vorhandener Verarmungsbereich zerstört und ein Anreicherungsbereich im Halbleiter erzeugt wird.

Sowohl für n- als auch für ρ Halbleiter bedeutet das Fehlen von positiver Ladung in der Nähe der Oxyd-Halbleiter-Zwischenfläche (bei negativem Metall während des Elektronenbeschusses) keine Beeinflussung des Halbleiters. Zusätzlich zum Einfluß des Felds von der gespeicherten Ladung im Oxyd kann eine am MOS-Mehrschichtenkörper angelegte Vorspannung entweder einen Verarmungs- oder einen Anreicherungsbereich im Halbleiter erzeugen, und zwar in Abhängigkeit vom Vorzeichen des Vorfelds und der Art des Halbleiters, vorausgesetzt daß das erforderliche Vorfeld nicht so hoch ist daß die dielektrische Durchschlagsfestigkeit des Oxyds überschritten wird.

Beim Lesen wird der MOS-Mehrschichtenkörper abgefragt um die Information (Ladungszustand im

Oxyd), die vorher απ einem bcSiHBHirai Oil Sm der

Oberfläche geschrieben wurde, zu erfassen. Der Elektronenstrahl wird auf denselben Ort gerichtet an dem Ladung vorher im Oxyd gespeichert worden ist, so daß Elektron-Loch-Paare nach Eindringen des Elektronenstrahls in den Halbleiter erzeugt werden. Wenn der Halbleiter vom p-Typ ist und die gespeicherte Ladung im Oxyd eine beträchtliche Verarmungsschicht im Halbleiter verursacht werden die durch den Strahl erzeugten Elektronen und Löcher in entgegengesetzten Richtungen durch das zum Vigsbeiekii gehörende »eingebaute« oder feste elektrische Feld abgesaugt so daß ein außen meßbarer elektrischer Stromspitzenwert auftritt. Diese Sotze, die mit h bezeichnet wird, kann durch einen äußeren Fühler erfaßt werden, der mit der MOS-Emrichtnng gekoppelt

ist, so daß durch Überwachung dieses Stroms der Zustand der im Oxyd gespeicherten Ladung bestimmt werden kann.

Außer dem oben beschriebenen Elektron-Loch-Halbleiterstrom-Spitzenwert Λ kann ein kontinuierlicher, ϊ strahlinduzierter Elektron-Loch-Isolierstoffstrom /, während des Beschüsses bei angelegtem Feld gemessen werden. Der Strom /„ der nicht durch im Oxyd gespeicherte Ladung verursacht wird, entsteht durch die Trennung der Elektronen und Löcher, die im Oxyd κι erzeugt und durch das von außen angelegte Vorfeld bewegt werden.

Es tritt eine beträchtliche Stromverstärkung auf, wenn der Elektronenstrahl auf den Verarmungsbereich im Halbleiter trifft. Das heißt, der Strom /_s hat ii Spitzenwerte, die ein Vielfaches des Eiekironensirahistromes und auch des Stroms /, betragen. Da der Ladungsspeicherungsbereich die gleiche Größenordnung wie der Querschnitt des Elektronenstrahls hat und nur im Halbleiter in unmittelbarer Nähe dieses .?:> Ladungsspeicherbereichs der Verarmungsbereich entsteht, ist es sehr wichtig, daß während des Lesens der Elektronenstrahl auf den interessierenden Ladungsspeicherbereich gerichtet wird und nicht stärker die benachbarten Ladungsspeicherbereiche im MOS-Mehr- r> schichtenkörper überlappt oder sich in diese erstreckt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der die Fig. 1—5 symbolische Energiebanddiagramme eines Metall-Isolierstoff-Halbleiter-Mehrschichtenkörpcrs darstellen, wobei es sich um i" einen p-Halbleiter handelt. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 die Materialschichten und die Energieniveaus im Halbleicrmaterial im binären »O«-Zustand, ohne eine von außen angelegte Spannung und ohne Speicherung von positiver Ladung im Oxyd in der Nähe r. der Zwischenfläche.

Fig. 2 die Bänder, wenn ein Vorpotential am Mehrschichtenkörper mit einem solchen Vorzeichen angelegt ist. daß der Metallfilm positiv gegenüber dem Halbleiter ist, w

F i g. 3 die Bänder in den Materialien, wenn ein Elektronenstrahl die isolierschicht durchdringt wahrend eine positive Spannung angelegt ist,

F i g. 4 die Bandniveaus in den Materialien im binären »!«-Zustand oder während der Speicherung von ·<"> Ladung an der Zwischenfläche. wobei keine äußere Spannung an der Vorrichtung angelegt ist,

F i g. 5 die Bandniveaus, wenn keine Spannung angelegt ist und ein Elektronenstrahl den Verarmungsbereich im Halbleiter durchdringt, so daß ein Ausgangs- *' strom erzeugt wird, der den binären »1 «Zustand oder die gespeicherte I .adung anzeigt

Fig.6 eine schematische Darstellung einer Anlage, die zusammen mit einem einfachen Ausführungsbetspiel der Erfindung verwendet wird, um das Schreiben und Lesen vorzunehmen und das Ausgangssignal zu prüfen.

Fig.7 und 8 Impulsverläufe, die die Form und das Amplitudenverhältnis des Ausgangssignals angeben, das beim Lesen binärer »1« bzw. binärer »0« erzeugt wird.

F i g. 9 ein Impulsdiagramm, das das Ausgangssignal so vom einfachen Ausführungsbeispiel zeigt, wenn der Elektronenstrahl Bereiche abtastet, in denen vorher keine positive Ladung in der Nähe der Oxyd-Halbleiter-Zwischenfläche gespeichert worden ist, zum Vergleich mit dem Signalverlauf in F i g. 10. *5

Fig. 10 den Verlauf des Ausgangssignals beim einfachen Ausfühnmgsbeispiel, wenn der Elektronenstrahl qner drei getrennte, unterschiedliche Streifen abtastet, in denen eine positive Ladung vorher in der Nähe der Oxyd-Halbleiter-Zwischenfläche gespeichert worden ist,

F i g. 11 einen schematischen Querschnitt durch einen Mehrschichtenkörper entsprechend den Schichten im einfachen Ausführungsbeispiel, der eine Anordnung von diskreten Speicherstellen oder -punkten ergibt,

Fig. 12 und 13 den Verlauf von Ausgangssignalen von einer geeignet vorgespannten p-MOS-Struktur, wenn der Lesestrahl auf Bereiche einer gespeicherten »0« bzw.»1« gerichtet wird,

Fig. 14 und 15 den Verlauf von Ausgangssignalen einer geeignet vorgespannten n-MOS-Struktur, wenn der Lesestrahl auf Bereiche einer gespeicherten »0« bzw.»1« gerichtet wird und

Fig. 16 das Biockschaiibüd einer Schaltung, die eine Speicherung mit wahlfreiem Zugriff ermöglicht einschließlich eines MOS-Mehrschichtenkörpers, der eine Anordnung von Speicherpunkten bildet

Es sollen zunächst Fig. 1—5 erläutert werden. Dort ist schematisch ein Mehrschichtenkörper mit verschiedenen Werkstoffschichten und Energiebändern gezeigt die die grundlegende Speichervorrichtung gemäß der Erfindung bilden. In F i g. 1 gehört zu den Schichten ein Halbleitersubstrat 1, das an einer Isolierstoffschicht (Oxyd) 2 anliegt wobei die Zwischenfläche zwischen diesen beiden Materialschichten durch eine Linie 3 dargestellt ist. Ein Leiterfilm 4 erstreckt sich über die Isolierschicht 2 und liegt an dieser an. Ein guter elektrischer Kontakt ist zwischen der Leiterschicht 4 und einer Impedanz 6 hergestellt die an eine Spannungsquelle 7 über einen Schalter 8 und auch an einen Ausgang 9 gekoppelt ist der ein Stromfühler ist Eine Leiterschicht SC bildet einen ohmschen Kontakt mit der anderen Oberfläche des Halbleitersubstrats und ist geerdet

Der binäre »O«-Zustand ist dahingehend definiert, daß keine Ladung in der Isolierschicht 2 in der Nähe der Zwischenfläche 2 gespeichert ist Wenn keine äußere Spannung an dem Mehrschichtenkörper anliegt, so daß kein elektrisches Feld zwischen dem Leiterfilm 4 und der Leiterschicht 10 erzeugt wird, können die Energiebänder im Halbleiter durch Linien II und 12 dargestellt werden. Die Linie U bedeutet die untere Kante des Leitungsbands und die Linie 12 die obere Kante des Valenzbands. Ähnlich bedeuten die Linien 13 und 14 die untere Kante des Leitungsbands bzw. die obere Kante des Valenzbands in der Isolierstoffschicht 2. Unter diesen Bedingungen wird, wenn der Halbleiter 1 vom p-Typ ist das Fermi-Niveau im Halbleiter und Isolierstoff durch eine Strichlinie 15 dargestellt Im allgemeinen kann eine gewisse Krümmung im Halbleiter wegen der vorhandenen Oberflächenzustände an der Isolierstoff-Halbleiter-Zwischenfläche 3 angenommen werden, jedoch kann diese Krümmung als vernachiässigbar Mein im Vergleich mit derjenigen betrachtet werden, die durch im Isolierstoff in der Nähe der Zwischenfläche 3 vorhandene Ladung erzeugt wird, so daß in F i g. 1 nicht näher darauf eingegangen wird. Das in Fig. 1 abgebildete Bandstrukturmodell kann irgendeinen Isolierstoff 2 und irgendein p-Hafbleitermateriai 1 darstellen.

Wenn eine positive Spannung am Leiterfflm 4 durch Betätigen des Schalters 8 in die in Fig.2 gezeigte Stellung angelegt wird, krümmen sich die angenommenen Leitungs- und Valenzbandkanten 13 und 14 in der Isolierschicht 2, wie aus F i g. 2 ersichtlich ist Ein Teil des Spannungsabfalls zwischen dem Leiterfilm 4 und der

Leiterschicht 10 tritt innerhalb des Halbleiters 1 in der Nähe der Isolierstoff-Halbleiter-Zwischenfläche 3 auf, so daß eine Krümmung der Bänder im Halbleiter in der Nähe dieser Zwischenfläche und die Ausbildung eines dünnen Verarmungsbereichs 23 verursacht werden.

Fig.3 zeigt denselben Zustand wie in Fig.2, wobei jedoch ein positives Potential am Leiterfilm 4 anliegt, und außerdem ist eine Einrichtung vorgesehen, um einen Elektronenstrahl 16, hier Schreibstrahl genannt, zu erzeugen und durch den Leiterfilm 4 und die Isolierschicht 2 zu schicken. Diese Einrichtung kann z. B. einen Elektronenstrahlerzeuger 17 und eine Elektronenlinse 18, einen Satz von Ablenkplatten 19 sowie Eingangsschaltungen 20 zur Erregung des Elektronenstrahlerzeugers und der Ablenkplatten haben, so daß dadurch sowohl die Intensität als auch die Lage des Schreibstrahls gesteuert wird.

Die Energie des Elektronenstrahls 16 ist so groß, daß er den Leiterfilm 4 durchdringt und in die Isolierschicht 2 gelangt, wo in der Isolierschicht 2 in der Nähe der Zwischenfläche 3 gespeicherte Ladung 21 erzeugt wird. Der Elektronenstrahl regt Elektronen im Isolierstoff in das Leitungsband 13 an, entweder vom Valenzband 14 oder von Haftstellen im verbotenen Bereich zwischen diesen Bändern, und diese angeregten Elektronen werden von der Isolierschicht 2 durch das elektrische Feld wegbewegt, das zwischen dem Film 4 und der Leiterschicht tO verläuft Es sei vorausgesetzt, daß diese Elektronenerzeugung in der Isolierschicht 2, wo sie vom Strahl durchsetzt wird, gleichmäßig ist, und daß der größte Teil der Isolierschicht, wo sie vom Strahl durchsetzt wird, ebenso wie anderswo elektrisch neutral bleibt und eine konstante Leitfähigkeit hat Da jedoch keine Elektronen Ober die Zwischenfläche 3 fließen, muß eine positive Raurrladung im Isolierstoff an der Zwischenfläche aufgebaut werden. Es wird daher angenommen, daß die gespeicherte Ladung 21 im Isolierstoff sehr nahe zur Zwischenfläche 3 liegt

Diese zur Zwischenfläche zwischen dem Isolierstoff und dem Halbleiter benachbarte Lage der gespeicherten Ladung 21 hat einen großen Einfluß auf die Energiebänder im Halbleiter, die sich in unmittelbarer Nähe der Zwischenfläche befinden. Sie verursacht eine schärfere und tiefere Krümmung der Bänder als bei der positiven Vorspannung allein (F ig. 2) und kann sogar zu einer Inversionsschicht an der Zwischenfläche zusätzlich zu der Verarmungsschicht führen. Wenn es sich um p-Halbleitermaterial handelt, tritt ein Verarmungsbereich 22 mit der Bandkrümmung auf. Wenn das Material vom η-Typ wäre, würde eine Anreicherungsschicht erzeugt werden.

Die Leitungs- und Valenzbandkanten 13 und 14 im Isolierstoff 2 werden ebenfalls durch die gespeicherte Ladung 21 geär dert Wie F ig. 3 zeigt sind diese Bänder in der Nähe der gespeicherten Ladung 21 an der Zwischenfläche 3 nach oben gebogen und in der übrigen Isolierschicht bis zum Leherfüm 4 konstant geneigt Diese konstante Neigung ist auf die angelegte positive

S fr fh

Wenn danach die Leiterschicht 4 und der Leiterfilm 10 die gleiche Spannung haben, so daß kein äuBeres Feld auf den Mehrschichtenkörper bleiben die gespeicherte Ladung 21 und die Bänder im Halbleiter sowie die Bänder im Isolier- and Verarnnmgsberekh 24 erhalten, wie in Fig.4 gezeigt ist Die Vergsbereiche 34 und 22 unterscheiden sich durch die Wirkungen der angelegten Spannung. Mit anderen Worten, obwohl sich der Schalter 8 in derselben

Stellung wie in F i g. 1 befindet, wird Ladung im Mehrschichtenkörper gespeichert, und diese Speicherung äußert sich in der Bandkrümmung gemäß F i g. 4. Dieser Zustand wird hier der binäre »!«-Speicherzustand genannt, während der Zustand von F i g. 1 — wie bereits erwähnt — der binäre »0«-Zustand ist. Der Mehrschichtenkörper kann vom binären »!«-Zustand in den binären »0«-Zustand übergehen und eine binäre »1«- sowie binäre »O«-Speicherung lesen oder erfassen. Dieses Umschalten von »1«- in den »0«-Zustand wird durch Beschüß mit Elektronen (Elektronenstrahl) erreicht, während eine negative Spannung am Mehrschichtenkörper angelegt ist, die den Mehrschichtenkörper in den Zustand von F i g. 1 bringt, nachdem die Vorspannung weggefallen ist. Von diesen Wirkungen der gespeicherten Ladung auf die Halbleiterenergiebänder wird hier Gebrauch gemacht, urn das Vorhandensein der gespeicherten Ladung zu erfassen. Der in Fig.4 gezeigte Zustand (ohne von außen angelegtes Feld), bei dem die Bänder im Halbleiter scharf an der Zwischenfläche gekrümmt sind, führt zur Bildung des Verarmungsbereichs 24 im Halbleiter an der Zwischenfläche und erzeugt ein festes elektrisches Feld im Halbleiter an der Zwischenfläche, das immer bereit ist. Löcher und Elektronen in entgegengesetzten Richtungen abzusaugen, falls sie im Verarmungsbereich des Halbleiters erzeugt werden sollten. Ferner bleibt diese Wirkung der gespeicherten Ladung fast unbegrenzt erhalten, und zwar in Abhängigkeit von der Temperatur und der Tiefe der Haftstellen, die die gespeicherte Ladung enthalten. Es ist ersichtlich, daß verschiedenste Halbleiter und Isolierstoffe so gewählt werden können, daß die in Fig.4 abgebildeten Speicherbedingungen auf nutzbaren Pegeln für verhältnismäßig lange Zeiten bleiben. Außer Si und SiOj können andere geeignete Halbleiter und Isolierstoffe verwendet werden, wie sie beispielsweise in der folgenden Tabelle aufgeführt sind:

Halbleiter	Isolierstoff
InSb	AI₂O₃
InAs	SiN
GaAs	AlN
Ge	MgO
	SiN-SiO,
	(Doppelschicht)

Wenn eine Doppeischicht aus SiN-SiO₂ der Isolierstoff ist und durch den Elektronenstrahl beschossen wirrt. »»"> i-a/hwip tu speichern, kann die gespeicherte Ladung negativ sein.

Der Verarmungsbereich 23, der in F i g. 2 abgebildet ist, wird lediglich durch Anlegen der Vorspannung am Mehrschichtenkörper ohne Beschüß mit dem Elektronenstrahl erzeugt Ein derartiger Verarmungsbereich würde jedoch nach Abschalten der Vorspannung verschwinden, und die Bandstruktur würde in den Zustand von F ig.1 zurückkehren.

Die gespeicherte Information wird erfaßt oder gelesen, indem wiedennn ein Elektronenstrahl auf den Mehrschichtenkörper gerichtet wird, so daß er den Leherfihn 4 und die Isolierschicht 2 durchsetzt und in den Verannungsbereich 24 des HaMertermaterials eindringt, der sich unmittelbar an der gespeicherten Ladnng 21 befindet Dieser Zustand ist in F ig. 5 gezeigt

Innerhalb des Verarmungsbereichs werden die Elektronen, die durch den Leseelektronenstrahl 25 in das Leitungsband 11 angeregt werden, und die entsprechenden Löcher, die im Valenzband 12 des Halbleiters erzeugt werden, in entgegengesetzten Richtungen durch das feste elektrische Feld im Verarmungsbereich abgesaugt, so daß ein Elektron-Loch-Strom von beträchtlicher Stärke erzeugt wird, der am Ausgang 9 erfaßt wird. Während der Bestrahlung mit dem Lesestrahl 25 kann ein Potential am Mehrschichtenkörper zwischen den Leiterfilmen 4 und 10 angelegt werden, um den Verarmungsbereich und damit den Wirkungsgrad der Elektron-Loch-Sammlung von diesem Bereich so zu beeinflussen, daß dieser Wirkungsgrad einen geeigneten Wert erreicht. Es soll jetzt der Fall betrachtet werden, daß keine

während des Schreibens induziert worden ist. Dieser Zustand, der hier als binärer »O«-Speicherzustand bezeichnet wird, ist in F i g. 1 abgebildet Er wird durch Anlegen einer negativen Vorspannung während des Beschüsses mit dem Schreibstrahl induziert. In diesem Fall würde nach Abschalten der Vorspannung die Bandstruktur wie in F i g. 1 sein, und es würde eine vernachlässigbare Verarmungsschicht auftreten. Es ist ersichtlich, daß wegen des Fehlens eines festen Felds der Wirkungsgrad der Elektron-Loch-Stromsammlung während des Lesens von einem derartigen Bereich sehr niedrig im Vergleich mit einem Bereich sein würde, in dem positive Ladung in den Isolierstoff an der Zwischenfläche 3 geschrieben worden ist Daher ist bei einem p-HalWeiter während des Lesens ein großer Elektron-Loch-Strom eine Anzeige für das Vorhandensein einer gespeicherten »1«, während ein kleiner Elektron-Loch-Strom für das Vorhandensein einer gespeicherten »0« spricht Auf diese Weise ist eine Vorrichtung zum digitalen Informationsspeichern und -lesen geschaffen worden.

Wenn das Halbleitermaterial in Fig. 1—5 vom nanstatt vom p-Typ wäre, wäre die in Fig.4 oben gezeigte Bandkrümmung dieselbe, jedoch wäre das Fenni-Niveau näher am Leitungsband angeordnet. Das führt zur Bildung eines Anreicherungsbereichs anstelle eines Verarmtmgsbereichs im Halbleiter in der Nähe der Zwischenfläche für positive Vorspannung oder positive Ladungsspeicherung. Daher wird das Lesen vorgenommen, während eine negative Vorspannung an den FDm 4 anstatt einer positiven Vorspannung angelegt wird. Da ein Elektron-Loch-Strom nur bei Vorhandensein eines Verarmungsbereichs registriert werden kann, muß bei η-Material die gespeicherte binäre »1« und »0« durch Lesen unterschieden werden, bei dem dnc negative Vorspannung arn Film 4 anliegt In diesem Fall wird eine gespeicherte binäre »0« (keine 1-adimg gespeichert) durch einen großen Ausgangsimpulsstrom dargestellt während eine gespeicherte binäre »1« (positive Ladung gespeichert) durch einen relativ kleinen Ansgangsstromimpuls angezeigt wird.

Eine analoge Informationsspeicherung und -wiederauffmdung ist grundsätzlich mh der erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls möglich, wenn die Stromstärke des Elektroa-Loch-Stroms sorgfältig als Anzeige der genauen Menge der I-arfimg überwacht wird, die an der HalWeher-IsoBerstoff-Zwischenfläche 3 gespeichert ist

Der oben beschriebene Betriebsablauf, der anhand von Fig. 1—5 erläutert ist kann wie folgt zusammengefaßt werdem

Wenn eme positive Vorspannung am Lerterfflm 4

angelegt ist, wird eine positive Ladung 21 in der Isolierschicht 2 in der Nähe der Isolierstoff-Halbleiter-Zwischenfläche 3 durch Beschüß einer kleinen Fläche des Speicherelements mit dem Schreibelektronenstrahl 16 gespeichert, wobei der Schreibstrahl genug Energie hat, um den Leiterfilm 4 zu durchdringen und zur Isolierschicht 2 zu gelangen. Dies bewirkt die Speicherung einer binären »1« dort im Speicherelement, wo der Schreibstrahl 16 auftrifft. Wahlweise, wenn eine

ίο negative Vorspannung am Leiterfiim 4 während des Schreibens anliegt, wird jede positive Ladung, die an der Isolierstoff-Halbleiter-Zwischenfläche 3 gespeichert worden ist entfernt, so daß die Speicherung einer binären »0« dort im Speicherelement verursacht wird, wo der Schreibstrahl 16 auf triff L

Die Lage des Informationsbits ist daher definiert durch die Lage des Schreibstrahls, und der Zustand des Bits ist definiert durch den Zustand der Vorspannung während des Schreibens. Das ist der Fall unabhängig davon, ob der Halbleiter vom p- oder η-Typ ist. Anschließend wird die an der Auftreffstelle gespeicherte Information durch den Lesestrahl 25 abgefragt der auf dieselbe Auftreffstelle des Speicherelements gerichtet wird, an der die Informationsspeicherung stattgefun- den hat wobei die Auftreffstelle durch geeignete Steuerung des elektronenoptischen Systems ausgewählt wird. Eine geeignete Vorspannung wird während des Lesens angelegt die >.0« oder positiv für p-Material oder »0« oder negativ für η-Material ist und der

jo Elektronen-Loch-Strom wird durch den Ausgangsstromfühler 9 überwacht Bei einem p-Halbleitermaterial zeigt der Fühler 9 einen großen Stromimpuls, wenn eine binäre »1« gespeichert worden ist jedoch einen verhältnismäßig kleinen Impuls, wenn eine binäre »0« gespeichert worden ist Bei einem n-Halbleitermateriai zeigt der Fühler einen kleinen Stromimpuls für eine binäre »1« und einen größeren Stromimpuls für eine binäre »0«.

Der Betrag der an dem Leiterfilm 4 während des

Lesens angelegten Vorspannung (vgL Fig.5) muß sorgfältig gewählt werden. Wenn p-Halbleitermaterial verwendet wird, neigt eine positive Vorspannung dazu, das Schreiben einer binären »1« wahrend dieses Vorganges zu veranlassen, während eine negative Vorspannung dazu neigt eine binäre »0« zu speichern, selbst wenn eine binäre »1« gespeichert worden ist Wenn der Betrag der am Film 4 während des Schreibens angelegten Vorspannung (vgL F i g. 3) relativ groß und der Schreibstrahlstrom relativ hoch ist ferner die

so Strahlstromvorspannung relativ niedrig und der Lesestrahlstrom verhältnismäßig klein ist werden diese Schwierigkeiten sehr klein gehalten. Jedoch kann bei

moiivildl ruiwciiuutlg

der Information erforderlich sein.

F i g. 6 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, das ein Si—SiCfe-MOS-FJement 30 vorsieht. Diese Einrichtung wird hergestellt indem man von einem Chip eines Einkristalls 31 aus p-Si mit einem spezifischen Widerstand von etwa 1,0 Ω · cm ausgeht der weniger als 100 Versetzungen pro cm² und einen Durchmesser von etwa 23 cm und eine Dicke von etwa 0,2 mm hat Eine Spiegelvergütung wild auf der (100)-Fläche aufgetragen. Das Chip wird in einen Quarzhalter gesetzt gesäubert and in Fluorwasserstoff geätzt mh Ammonhimfluorid gepuffert, anschließend gereinigt und wieder mit Fluorwasserstoff geätzt und auf etwa HOO⁰C in Gegenwart von trockenem Sauerstoff erhitzt um eine Schicht 32 aus SiO₂ auf der

Oberfläche des Chips in einer Dicke von etwa lOOOÄ (0,1 μιη) herzustellen. Das Chip wird dann in quadratische Elemente von etwa 8 mm Kantenlänge zerbrochen, und ein Aluminiutpfilm 34 mit einer Dicke von 500 Ä (0,05 mm) wird auf der Oxydschicht 32 in Vakuum aufgebracht Ein Goldsteg 35 wird auf den? Aluminiumfilm niedergeschlagen, um einen elektrischen Druckkontakt mit einer Zuleitung 36 herzustellen. Ein ohmscher Kontakt wird an der entgegengesetzten Fläche des Si mit einer elektrisch leitenden Schicht 37 hergestellt

Bei einem Ausführungsbeispiel des Betriebs wird ein Elektronenstrahl 43 mit einer Energie von etwa 5 kV und einer Stromdichte von etwa 2$ - 10~ ³ A/cm² von einem geeigneten Elektronenstrahlerzeuger 44 auf eine 20—30 μπι im Durchmesser große Auftreffstelle durch eine Linse 45 gerichtet, auf die Ablenkplatten 46 vor dem MOS-Element 30 folgen. Geeignete Steuerschaltungen 47 und 48 sind vorhanden, um die Linse und die Ablenkspule zu erregen. Eine Blende 49 begrenzt die Fläche des MOS-EIements, die durch den Elektronenstrahl abgetastet werden kann. Eine Vorspannung wird am Film 34 über eine Impedanz 51 und einen Schalter 52 angelegt die mit einer Spannungsquelle 53 verbunden sind, und die Spannung an der Impedanz 51 wird in den V-Achsen-Anschluß eines Oszillographen 54 eingespeist Die X-Achse des Oszillographen 54 wird durch dasselbe Signal gesteuert, das auch die Ablenkplatten 46 erregt so daß das Oszillographenbild eine Darstellung des Ausgangsstroms ist der durch das MOS-Element geleitet wird, wenn der Elektronenstrahl die Oberfläche des Elements überstreicht.

Fig.7 und 8 zeigen das Oszillographenbild für das Lesen der binären »1« bzw. binären »0«. Punkte A und B in F i g. 7 entsprechen dem Aufsetzen und Verschwinden des Strahls, wenn er entlang der Blende 49 abtastet. Eine binäre »1« wird geschrieben, wenn der Film 34 positiv vorgespannt ist, und eine positive Ladung wird durch den Strahl im Oxyd induziert sowie ein Verarmungsbereich im Siliziummaterial 31 erzeugt, wie gerade anhand von Fig. 1—5 beschrieben wurde. Im allgemeinen wird, wenn ein Feld an einem Isolierstoff angelegt wird, während ein Elektronenstrahlbeschuß erfolgt ein Elektron-Loch-Strom /, induziert und in einer geeigneten äußeren Schaltung registriert. Ein derartiger Strom wird ebenfalls beobachtet wenn das MOS-Element besehossen wird. Der Strompegel, der zwischen den Spitzen A und B in F i g. 7 liegt, ist grundsätzlich auf /, zurückzuführen. Die Spitze A in Fig. 7 ist auf einen Elektroncn-Loch-Strom vom Verarmungsbereich im Halbleiter zurückzuführen, wie er mit /,bezeichnet ist

Wenn andererseits keine Ladung im Oxyd an der Zwischenfläche bei positiver Vorspannung am MOS-Element gespeichert ist, erzeugt die erste Abtastung einen Ausgangsimpuls gemäß F i g. 8. Da keine positive Ladung im Oxyd an der Oxyd-Halbleiter-Zwischenfläche gespeichert ist, die die angelegte Vorspannung unterstützt, um einen Verarmungsbereich zu bilden, ist ein relativ hoher vom Strahl hervorgerufener Strom I₁, jedoch kein Strom U vorhanden. Die Spitze »A« in F i g. 7 ist auf den Elektron-Loch-Strom vom Verarmungsbereich des Halbleiters zurückzuführen und wird hier mit /_s bezeichnet. Es handelt sich hier deutlich nicht um irgendeinen anderen »Schmutzeffekt«, da er mit der Vorspannung und mit der gespeicherten Ladung zum Auftreten und Verschwinden gebracht werden kann und ferner einen Stromfluß durch den Ausgangswiderstand 51 darstellt, der ungefähr das 80fache des Elektronen-Strahlstroms beträgt Es sind sogar noch größere Stromverstärkungen für größere Strahlenergien beobachtet worden. Der negative Spitzenwert B in F i g. 7 ist auf eine Minoritäts-Ladungsträger-Rekombination zurückzuführen. Der Strompegel zwischen den Spitzenwerten A und B beträgt h Der Strom /,in Fig.7 ist niedriger als in F i g. 8 wegen des verringerten Felds im Oxyd, was durch die gespeicherte Ladung verursacht wird.

ίο Der lokalisierte Charakter des Ansprechens des MOS-Elements wird weiter gezeigt, indem das Element in den binären »0«-Zustand gebracht wird (abgebildet in Fig. I). Das heißt die gesamte freiliegende Oberfläche des Elements wird abgetastet während eine negative Vorspannung anliegt so daß danach die erste Abtastung bei positiver Vorspannung einen Ausgangsimpuls gemäß Fig.9 erzeugt Dann wird eine Anzahl von getrennten, parallelen Zeilen bzw. Linien auf der Oberfläche des Elements abgetastet während die Vorspannung positiv ist so daß eine Ladungsspeicherung entlang getrennten parallelen Linien auf der Oberfläche des Elements erreicht wird- Dann wird bei Verschwinden der Vorspannung das Element einmal senkrecht zu den so gebildeten Zeilen abgetastet was ein Ausgang signal gemäß Fig. 10 bewirkt Die räumliche Breite jeder Zeile ist nicht so breit wie es im Oszillographenbild wegen der Elektron-Loch-Rekombinationszeit scheint Das Oszillographenbild von F i g. 10 zeigt drei Spitzenwerte A\, A₂ und Ai ähnlich dem

so Spitzenwert A in F i g. 7 und drei ähnliche negative Spitzenwerte B\, Bi und B₃ ähnlich dem Spitzenwert Bin F i g. 7, die sämtlich einem kontinuierlichen Strom /ι überlagert sind. Jeder der drei positiven Spitzenwerte hat eine Breite von einigen psec und die Verweilzeit des Strahls auf jeder der Zeilen, die er kreuzt um das Ausgangssignal von Fig. 10 zu erzeugen, beträgt größenordnungsmäßig einige μ$εα

Das hier beschriebene MOS-Bauelement insbesondere das Si—S1O2-Ausführungsbeispiel mit p-Si, dient zur Speicherung elektrischer Ladung, die ein Bit darstellen kann, und es hält die gespeicherte Ladung bei Das Bit wird in einem Bereich des MOS-Elements gespeichert der ungefähr dieselbe Größe wie der Querschnitt des Elektronenstrahls hat, der die Speicherung auslöst Das

4> gespeicherte Bit kann einfach gelesen werden, indem die Antwort des MOS-Elements auf einen auf dieselbe Stelle gerichteten Elektronenstrahl erfaßt wird. Wenn die Ladung an der Stelle gespeichert worden ist die die Speicherung eines »!«-Bits anzeigt besteht das Lesen

"Ό aus dem Abtasten derselben Stelle mit dem Elektronenstrahl und Feststellen eines von zwei Effekten. Der erste Effekt ist der Elektron-Loch-Strom vom Verarmungsbereich, /j, während der andere der Isolierstoffstrom /,-ist. Es ist klar, daß der Elektrcn-Loch-Strom Z₄, der den Spitzenwert A in F i g. 7 erzeugt der wichtigere und stärkere Effekt ist, so daß auf diesen Spitzenwert geachtet wird, um festzustellen, ob eine binäre »I« oder »0« gespeichert worden ist

Der Strom /, kann ebenfalls erfaßt werden, um

wi festzusteüen, ob eine binäre »1« oder »0« gespeichert bzw. geschrieben worden ist Wenn das Ausgangssignal während des Lesens z. B. getastet wurde, um die Spitzenwerte A und B zu eliminieren, würde der entstehende Signulpegel eine binäre »1« oder »0«

h> anzeigen. Dabei würde der höhere Pegel eine binäre »0« bedeuten.

Theoretisch kann beim selben MOS-Element die Lesestrahlenergie höher (20—30 kcV) und der Quer-

schnitt des Lesestrahls etwas kleiner als der Querschnitt des SchreibstrahJs sein. Der Lesestrahlstrom oder die Lesestrahlstromdichte sollten sorgfältig gewählt werden, da eine hohe Stromdichte zu einem großen, leicht zu erfassenden Spitzenwertausgangssignal führt, jedoch mindestens teilweise die gespeicherte Ladung löscht Andererseits erzeugt ein Lesestrahl mit relativ niedriger Stromdichte eine vernachlässigbare Löschung, jedoch nur einen kleinen Spitzenwert der schwieriger zu erfassen ist Es versteht sich, daß der Strom bzw. die ι ο Stromdichte des Lesestrahls in Abhängigkeit von der vorgesehenen Verwendung gewählt werden. Wenn ein Mehrschichtenkörper aus Schichten entsprechend den Schichten des MOS-Elements von Fig.6 in einer Kathodenstrahlröhre vorgesehen ist so daß eine Information wie eine Bitspeicherung an einer umfangreichen Anordnung von Speicherpunkten vorgenommen wird, und wenn die Zugriffszeit Schreibzeit und die Lesezeit minimal gehalten werden sollen, werden vorzugsweise ein Lesestrahl und ein Schreibstrahl (dieselbe Strahlquelle kann für beide Strahlen verwendet werden) von hoher Stromdichte verwendet und Schaltkreise sind nötig, um jedem Lesevorgang einen erneuten Schreibvorgang folgen zu lassen, um das gelesene Bit wieder herzustellen, weil das Lesen mindestens teilweise das gespeicherte Bit löscht bzw. zerstört. Wenn andererseits die Anforderungen an Zugriffs-, Lese- und Schreibzeit weniger streng sind, kann mindestens der Lesestrahl von so geringer Stromdichte sein, daß ein erneutes Schreiben nicht nach m jedem Lesen notwendig ist oder nur nach vielen Lesezyklen stattzufinden hat

F i g. 11 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer derartigen MOS-Struktur mit p-Si, wobei drei willkürlich gewählte benachbarte Speicherbereiche anstatt nur eines Speicherbereichs wie in F i g. 1 —5 dargestellt sind.

Die drei Speicheibereiche haben die Bezugszahlen 61, 62 bzw. 63. Ein Schreibstrahl 64 und ein Lesestrahl 65, die vom selben Elektronenstrahlerzeuger zu verschiedenen Zeiten oder von verschiedenen Elektronenstrahlerzeugern, die synchronisiert sind, kommen können, werden auf die Speicherbereiche 61 bzw. 63 gerichtet. Der Schreibstrahl 64 erzeugt eine gespeicherte Ladung 66 im Bereich 61, wenn der Film 4 positiv vorgespannt ist, und er braucht keine größere Energie zu haben, als zum Durchdringen des Metallfilms 4 in die Oxydschicht 2 notwendig ist. Daher speichert der Bereich 61 eine binäre »I«. Der Bereich 62 speichert eine binäre »0«, was durch Richten des Schreibstrahls auf den Bereich 62 erreicht wird, während eine negative 5<i Vorspannung am Film 4 anliegt. Der Lesestrahl 65 fragt den Speicherbereich 63 ab, der eine gespeicherte Ladung 67 enthält, und weist soviel Energie auf, daß er durch die Isolierschicht in das Halbleitersubstrat 1 gelangt. Die Effekte des Schreib- und Lesestrahls sind bereits oben anhand von F i g. I -5 beschrieben worden.

Wenn der Schreibstrahl auf den Speicherbereich 61 gerichtet wird, während eine relativ große positive Vorspannung am Metallfilm 4 anliegt, erzeugt er eine gespeicherte Ladung 66 in dem Bereich 61. Wenn w> alternativ der Leseslrahl 65 auf den Bereich 63 gerichtet wird, während der MOS-FiIm nicht oder nur leicht vorgespannt ist, erzeugt der MOS-FiIm ein Ausgangssignal mit einem Impulsverlauf ähnlich dem in Fig. 7 abgebildeten, also mit einem Spitzenwert A, dessen b^r> Erfassung anzeigt, daß cine binäre »1« im Speicherbereich 63 gespeichert ist. Wenn andererseits der Lesestrahl 65 auf den Speicherbereich 62 gerichtet wird.

wo iceine Ladung gespeichert ist, also eine binäre »0« vorhanden ist, dann hat das Ausgangssignal den Verlauf von Fig. 8, und es tritt eine gewisse Ladungsspeicherung auf. Danach kann es notwendig sein, die binäre »0« im Speicherbereich 62 erneut zu schreiben, indem erneut der Schreibstrahl 64 auf den Bereich 62 gerichtet wird, während eine negative Vorspannung am MOS-FiIm angelegt wird, so daß irgendeine gespeicherte Ladung, die durch den Lesestrahl 65 in diesem Bereich erzeugt worden ist, gelöscht wird. Ob es notwendig ist, die binäre »0« nach jedem Lesen erneut zu speichern, hängt von der Stromdichte des Lesestrahls 65 ab. Wenn die Stromdichte sehr niedrig ist, was eine längere Lesezeit bedeutet kann das Ausmaß der durch den Lesestrahl im Bereich hervorgerufenen Ladungsspeicherung vernachlässigbar sein, und ein erneutes Schreiben einer »0« im Bereich 62 braucht höchstens nach vielen Lesezyklen dieses Bereichs vorgenommen zu werden.

Eine Änderung in der Speicherung an einem Speicherpunkt von einer gespeicherten binären »1« in eine gespeicherte binäre »0« wird vorgenommen, indem das Verfahren zur Speicherung einer binären »0« angewendet wird, d. h. ein Schreibstrahl wird auf den Bereich gerichtet während eine negative Vorspannung angelegt wird. Dadurch wird die an der Si—SiO2-Zwischenfläche gespeicherte Ladung entfernt. Wenn die Änderung von einer gespeicherten »0« in eine gespeicherte »1« erfolgen soll, wird der Strahl auf die Stelle gerichtet während eine positive Spannung angelegt wird.

Die zum erneuten Schreiben erforderliche Zeit kann auch durch geeignete Wahl der Lesevorspannung sehr klein gemacht werden. Wenn z. B. die Lesevorspannung positiv und so groß wie die Vorspannung zum Schreiben einer binären »1« ist, tritt keine Zerstörung der gespeicherten binären »1« auf, sondern es erfolgt eine vollständig»; Zerstörung der gespeicherten binären »0«, so daß nur die gespeicherte binäre »0« neu geschrieben werden muß. Da eine binäre »0« schneller als eine binäre »1« geschrieben werden kann, wird dadurch die Arbeitsgeschwindigkeit erhöht

Fig. 12 und 13 zeigen den Verlauf von Ausgangssignalen, die in einer Ausgangsschaltung erzeugt werden, die an die p-Halbleiter-MOS-Struktur von Fig. U gekoppelt ist und so getastet wird, daß nur der Strom A (Spitzenwerte) beobachtet werden. Wenn der Lesestrahl 65 auf den Speicherbereich 62 gerichtet wird, hat das Ausgangssignal den Verlauf von Fig. 12. Wenn er jedoch auf die Bereiche 61 und 63 gerichtet wird, hat das Ausgangssignal den in Fig. 13 abgebildeten Verlauf. Der kleine Spitzenwert in Fig. 12 ist auf irgendeinen Strom /, zurückzuführen, der nicht vollständig durch das Tasten eliminiert wird. Daher können eine gespeicherte »1« und eine gespeicherte »0« leicht durch den Betrag des Spitzenwerts des Ausgangssignals unterschieden werden. Wenn die MOS-Struktur aus einem n-Halbleiter besteht, Findet das Speichern einer binären »1« und einer binären »0« in derselben Weise wie beim p-Halbleiter statt jedoch ist das Lesen anders. Bei einem η-Halbleiter muß das Lesen vorgenommen werden, während eine negative Vorspannung an den Film 4 angelegt wird. In diesem Fall, wenn der Lesestrahl auf den Bereich 62 (der eine binäre »0« speichert) gerichtet ist, erscheint das Ausgangssignal von Fig. 14, und wenn er auf den Bereich 61 oder 63 gerichtet wird (wo eine binäre »1« gespeichert ist), das von Fi g. 15. Auch hier kann eine gespeicherte »1« von

einer gespeicherten »0« leicht durch den Betrag des Spitzenwerts unterschieden werden.

Im Hinblick auf die Gefahr, daß die binäre »1« und die binäre »0« jedesmal beim Lesen des Bits gelöscht werden, ist es zweckmäßig, daß eine Vorrichtung, die einen MOS-FUm — wie hier beschrieben — für dip Speicherung mit wahlweisem Zugriff verwendet eine Einrichtung zum Neuschreiben jedes Bits, wenn es gelesen wird, oder zum periodischen Neuschreiben jedes Bits nach vielen Lesevorgängen hat Eine ι ο allgemeine Vorrichtung dieser Art ist in F i g. 16 gezeigt Die Vorrichtung hat eine Kathodenstrahlröhre 71 mit einem Kolben 72, der eine Targetfläche 73 wie einen MOS-Mehrschichtenkörper — wie hier beschrieben — hat Der MOS-Mehrschichtenkörper umfaßt von der Strahlseite einen Leiterfilm 4, einen Isolierstoff-Film 2, eine Halbteiterschicht 1 und eine Leiterschicht 10. Der MOS-Mehrschichtenkörper bildet eine Anordnung von Speicherpunkten wie Speicherbereichen 61—63 gemäß Fig. 11. Die Anordnung kann in Zeilen und Spalten unterteilt sein, wie dies in der Figur abgebildet ist und wird vollständig durch den Elektronenstrahl 90 bestimmt Das andere Ende des Kolbens 72 enthält einen Elektronenstrahlerzeuger 74, der Strahlbeschleunigungselektroden aufweist die durch eine Strahler- 2^r. zeugersteuerschaltung 75 gesteuert sind, um nötigenfalls sowohl die Elektronenenergie als auch den Strahlstrom zu steuern, um den Strahlerzeuger zum Lesen und Schreiben von »0«- und »1«-Bits auf dem MOS-FiIm zu erregen, wie dies oben im Zusammenhang mit F i g. II erläutert wurde.

Der Strahl wird durch Ablenkplatten 76 positioniert die durch X- und V-Ablenksteuerschaltungen 77 bzw. 78 erregt werden. Diese Schaltungen werden ihrerseits durch das Ausgangssignal von Digital/Analog-Umsetzem 79 gesteuert die die Ausgangssignale von X- und V-Befehlsregistern 81 und 82 in Analogsignale zur Steuerung der Schaltungen 77 und 78 umwandeln. Gatter 83 und 84 speisen die Ausgangssignale von den Befehlsregistern 81 bzw. 82 in die Umsetzer 79 und 4C werden durch ein Signal zum Schreiben einer »1«, einer »0« oder zum Lesen gesteuert das der Vorrichtung über Leitungen 85—87 von einem nicht gezeigten Elektronenrechner zugeführt wird. Die Ansteuersginale in diesen Leitungen vom Elektronenrechner werden durch ein ODER-Glied 88 verknüpft so daß irgendeines von ihnen die Gatter 83 und 84 steuert und das Ausgangssignal von den Registern 81 und 82 den Umsetzern 79 sowie der X- und V-Steuerschaltung 77 bzw. 78 zuführt Auf diese Weise wird der Elektronenstrahl 90 zu den X- und V-Koordinaten von Punkten wie χ, y auf der Oberfläche des MOS-Mehrschichtenkörpers 73 abgelenkt Danach erregt dasselbe Signal in einer der Leitungen 85—87 vom Elektronenrechner die Elektronenstrahlerzeugersteuerung 75, so daß ein Strahl vorbestimmter Energie und vorbestimmten Stroms erzeugt wird, der auf den Punkt x, y auf der MOS-ObeiTiäche gerichtet wird. Verzögerungseinrichtungen 91—93 sind in diesen Leitungen vorhanden, um genügend Zeit für die Ablenkplatten 76 für deren Erregung zu gewährleisten, damit der Strahl 90 nur auf den Punkt x, y auftrifft Inzwischen steuern dieselben Signale vom Elektronenrechner Schalter 95. Das Lesesignal in der Leitung 87 wird direkt den Schaltern 95 zugeführt während die Signale zum Lesen einer »1« bzw. einer »0« in den Leitungen 85 und 86 Ober ODER-Glieder 101 und 102 in Leitungen 103 bzw. 104 zum Schreiben einer »1« bzw. »0« eingespeist werden.

die die Schalter 95 steuern. Die Schalter 95 legen die richtige Vorspannung von einer Quelle 96 über eine Ausgangsimpedanz 6 am I .eiterfilm 4 auf dem MOS-Mehrschichtenkörper an. Die verschiedenen Vorspannungen zum Schreiben einer binären »1«, einer binären »0« und zum Lesen sind bereits oben angegeben worden. Ein Befehl zum Schreiben einer binären »1« erzeugt eine relativ große positive Vorspannung am Film 4, während ein Befehl zum Schreiben einer binären »0« eine relativ große negative Vorspannung bewirkt Ein Befehl zum Lesen bewirkt eine Erdung oder kleine positive Vorspannung.

Wenn ein Lesebefehl vorliegt und die Lesevorspannung am Film 4 angelegt wird, während der Strahl auf die vorgesehene Speicherstelle wie x, y gerichtet wird, wird das Ausgangsgatter 97 erregt so daß die Spannung an der Ausgangsimpedanz 6 in den Elektronenrechner eingespeist wird. Wenn das gelesene Bit eine binäre »1« ist leitet die Leitung 98 vom Ausgangsgatter 97 ein scharfes positives Spitzensignal zum Elektronenrechner ab. Wenn andererseits das gelesene Bit eine binäre »0« ist wird ein relativ niedriges positives Signal von der Leitung 98 zum Elektronenrechner geleitet

Cas Neuschreiben des gelesenen Bits — um die Löschung aufzuheben, die beim Lesen des Bits stattgefunden hat — kann vorgenommen werden, indem nach jedem Lesen des Bits, wie des Bits x, y, während der Elektronenstrahl noch abgestrahlt und auf den Punkt x, y gerichtet wird, eine geeignete Vorspannung am MOS-Mehrschichtenkörper angelegt wird, um entweder eine »1« oder eine »0« in den Speicherbereich zu schreiben. Um dies zu erleichtern, wird das Ausgangssignal vom Gatter 97 zu ODER-Gliedern 101 und 102 geführt die die Leitungen 103 und 104 zum Schreiben einer »1« bzw. einer »0« zu den Schaltern 95 erregen, so daß eine dieser Leitungen so wie vom Elektronenrechner erregt wird, jedoch in Abhängigkeit vom Lesesignal am Ausgang des Gatters 97. Wenn das Lesesignal einen Spitzenwert hat der eine binäre »1« anzeigt ist das Signal in der Leitung 103 zur Steuerung der Schalter wirksam. Wenn andererseits das Signal eine binäre »0« anzeigt werden die Schalter 95 über die Leitung 104 gesteuert

Das ODER-Glied 102 unterscheidet sich vom ODER-Glied 101 dadurch, daß das ODER-Glied 102 geöffnet ist wenn das Ausgangsgatter 97 ein Ausgangssignal hat das eine »0« anzeigt während das ODER-Glied 101 geöffnet ist wenn das Ausgangsgatter 97 ein Ausgangssignal hat das eine »1« anzeigt wie ohne weiteres F i g. 16 zu entnehmen ist.

Die Vorrichtung von Fig. 16 zeigt nun ein Anwendungsbeispiel der hier in verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäßen Speichervorrichtung zur Speicherung von Binärinformation mit wahlfreiem Zugriff, wobei der Zugriff zur Information durch einen Elektronenstrahl erreicht wird, der die Speicherpunkte bezeichnet und die gespeicherte Information liest und schreibt Es ist ersichtlich, daß derselbe MOS-Mehrschichtenkörper auch in einer Speichervorrichtung verwendet werden kann, wo kein wahlfreier Zugriff erfolgt so daß eine begrenztere Speichervorrichtung im Vergleich zu der von Fig. 16 geschaffen wird. Ferner kann es je nach den Anforderungen an die Vorrichtung möglich sein, die Notwendigkeit des Schreibens von Information nach jedem Lesen infolge einer Löschung während des Lese ns zu vermeiden. Eine derartige Vorrichtung unterliegt jedoch einer Begrenzung der Arbeitsgeschwindigkeit wie dies oben

iert wurde.

durch die Erfindung ausgenutzten Speicherphäne, die insbesondere anhand der Fig. 1—5 rieben wurden, sind zum Teil für sich bereits dert worden. Der durch die Erfindung erreichte

grundlegende Fortschritt liegt in den verschiedenen beschriebenen Strukturen und Anordnungen, die p- und n-Halbleitermaterialien zum Speichern und Erfassen von gespeicherter Information wie binärer Information verwenden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronenstrahl-Speichervorrichtung, mit

einer zwischen einem Halbleitermaterial und einem Isoliermaterial ausgebildeten Zwischenfläche, einer Signalerfassungseinrichtung und einer Einrichtung zur Erzeugung und Positionierung des Elektronenstrahls auf einen gegebenen Bereich der Materialien, um in der Signalerfassungseinrichtung ein die gespeicherte Ladung anzeigendes Signal zu erzeugen,

gekennzeichnet durch

eine Einrichtung, mittels der elektrische Ladung (21) in dem gegebenen Bereich des Isoliermaterials (2) in der Nähe der Zwischenfläche (3) speici:erbar ist iFig.5).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherte elektrische Ladung (21) einen Verarmungsbereich (24) im Halbleitermaterial (1) in der Nähe der Zwischenfläche (3) erzeugt und

daß der Elektronenstrahl auf den Verarmungsbereich gerichtet wird, so daß Elektronen in das Halbleiterleitungsband (13) angeregt und Löcher im Halbleitervalenzband (14) erzeugt werden, die aus dem Bereich durch das zum Verarmungsbereich gehörende elektrische Feld abgesaugt werden, so daß ein Stromimpuls erzeugt wird, der an die Signalerfassungseinrichtung (9) abgeleitet wird (F ig-5).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (7, 8) zur Erzeugung eines gesteuerten elektrischen Feldes in den Materialien (1,2) an der Zwischenfläche (3), wobei das gesteuerte Feld mit dem Elektronenstrahl (16) synchronisiert ist (Fi5>

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (9) eine ίο Stromspitze erfaßt, die erzeugt wird, wenn gleichzeitig der Elektronenstrahl (25) auf den Verarmungsbereich (24) gerichtet und das gesteuerte elektrische Feld an der Zwischenfläche (3) erzeugt wird (F i g. 5).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspitze wesentlich größer als der gleichzeitige Elektronenstrahlstrom ist

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die gespeicherte elektrische Ladung (21) positiv so ist,

daß das Halbleitermaterial (1) vom p-Typ ist und daß das gesteuerte elektrische Feld in Richtung vom Isoliermaterial (2) zum Halbleitermaterial (1) gerichtet ist

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet

daß das Isoliermaterial (2) als Schicht auf einer Oberfläche eines Körpers aus dem Halbleitermaterial (1) ausgebildet ist bO daß eine Schicht (4) aus Leitermaterial sich auf der Isolierschicht befindet und

daß die Dicke der Isolierschicht mindestens teilweise die Ansprechgeschwindigkeit der Vorrichtung bestimmt (F i g. 5).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß das Halbleitermaterial (1) p-Si ist

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn

zeichnet daß das Isoliermaterial (2) SiO₂ ist

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet

daß die Dicke des SiO₂ etwa 0,1 um beträgt

daß das Leitermaterial (4) aus Aluminium mit einer

Dicke von etwa 0,05 (im besteht und

daß der Elektronenstrahl (2S) eine solche Energie hat daß er die Al- und SiOrSchicht durchdringen und in das Si eindringen kann (F i g. 5).

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet

daß der Elektronenstrahl (16) auf den gegebenen Bereich während eines ersten Zeitintervalls positioniert ist während dem das elektrische Feld mit einem solchen Betrag und einer solchen Richtung erzeugt wird, daß die elektrische Ladung (21) in dem Isoliermaterial an der Zwischenfläche (3) gespeichert wird und

daß der Elektronenstrahl (25) auf den gegebenen Bereich der Materialien während eines zweiten Zeitintervalls gerichtet ist (F i g. 3,5).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß der Elektronenstrahl (25) während des zweiten Zeitintervalls in den Verarmungsbereich eindringt

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß die Stromspitze während des zweiten Zeitintervalls erzeugt wird.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet

daß die gespeicherten und erfaßten Signale Binärsignale sind,

daß die im gegebenen Bereich gespeicherte elektrische Ladung (21) eine binäre »1« darstellt und daß das Fehlen der gespeicherten elektrischen Ladung im gegebenen Bereich die Speicherung einer binären »0« darstellt (F i g. 3,5).

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet

daß das Halbleitermaterial (1) vom p-Typ ist und daß das während des zweiten Zeitintervalls erzeugte Signal größer ist wenn eine binäre »1« im gegebenen Bereich gespeichert ist als wenn eine binäre »0« im gegebenen Bereich gespeichert ist

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,

daß das Halbleitermaterial vom η-Typ ist und daß das während des zweiten Zeitintervalls erzeugte Signal kleiner ist wenn eine binäre »1« im gegebenen Bereich gespeichert ist als wenn eine binäre »0« im gegebenen Bereich gespeichert ist

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet daß ein gesteuertes elektrisches Feld an der Zwischenfläche (3) während des zweiten Zeitintervalls angelegt wird.

18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 15 und 17, dadurch gekennzeichnet daß das Feld vom Isoliermaterial (2) zum Halbleitermaterial (1) gerichtet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,

daß ein gesteuertes elektrisches Feld an der Zwischenfläche (3) während des zweiten Zeitintervalls angelegt wird und

daß das Feld vom Halbleitermaterial (1) zum Isoliermaterial (2) gerichtet ist

20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet

daß das Halbleitermaterial (1) und das Isoliermate-

rial (2) sandwichartig zwischen elektrischleitenden Schiebten (4,10) angeordnet sind und daß die Signalerfassungseinrichtung (9) mit einer der Leiterschichten gekoppelt ist (F i g. 3,5).

21. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 14, dadurch gekennzeichnet,

daß der Sandwich- oder Mehrschichtenkörper (73) Auffänger in einer Kathodenstrahlröhre (71) ist, die den Elektronenstrahl (90) erzeugt, daß eine Einrichtung (77, 78) den Elektronenstrahl auf verschiedene Bereiche des Mehrschichtenkörpers richtet, die in der Ebene der Zwischenfläche liegen und

daß eine Einrichtung (74, 75) den Elektronenstrahl erregt, so daß die elektrische Ladung wahlweise in verschiedenen Bereichen gespeichert und das erfaßte Signal erzeugt wird, wenn der Strahl auf einen ausgewählten Bereich gerichtet wird (F i g. 16).

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (101,102) zur Synchroni- sation des gesteuerten elektrischen Felds und des Elektronenstrahls zur Speicherung einer Ladungsverteihing in der Ebene des Mehrschichtenkörpers und zur Erfassung der gespeicherten Ladungsverteilung oder eines Teils davon (F i g. 16).

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Steuerung des elektrischen Felds, wenn der Ladungszustand in einem gegebenen Bereich erfaßt wird, um diesen Zustand wiederherzustellen.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 —23, dadurch gekennzeichnet, daß eine hintere Leiterschicht (10), die Halbleiterschicht (1), die Isolierschicht (2) und eine vordere Leiterschicht (4) in dieser Reihenfolge in Form eines Sandwich- oder Mehrschichtenkörpers angeordnet sind (F i g. 3,4).

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet,

daß die hintere Leiterschicht (10) im wesentlichen die ganze Oberfläche der Halbleiterschicht (1) bedeckt, die entgegengesetzt ist zu derjenigen Oberfläche, die die Zwischenfläche (3) mit der Isolierschicht (2) bildet und

daß die vordere Leiterschicht (4) im wesentlichen die ganze Oberfläche der Isolierschicht bedeckt, die zu der die Zwischenfläche mit der Halbleiterschicht (1) bildenden Oberfläche entgegengesetzt liegt (F i g. 3,