DE2049658A1 - Elektronisches Speicherelement - Google Patents

Elektronisches Speicherelement

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DE2049658A1 DE19702049658 DE2049658A DE2049658A1 DE 2049658 A1 DE2049658 A1 DE 2049658A1 DE 19702049658 DE19702049658 DE 19702049658 DE 2049658 A DE2049658 A DE 2049658A DE 2049658 A1 DE2049658 A1 DE 2049658A1
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Description

Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH _ «, , , ..„
München
7120
Kre/sp
Elektronischοs Speicherelement
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Speicherelement, welches zwei stabile Schaltzustände einnehmen kann, die durch einen hohen - beispielsweise 1 M_£2. - bzw. einen niederen - beispielsweise 300-Ω- - Innenwiderstand charakterisiert sind.
Elektronische Speicherelemente mit zwei Schaltzuständen sind an sich in verschiedensten Ausführungen bekannt. Diese bekannten Elemente sind jedoch mit verschiedenen Nachteilen behaftet. So erfordern beispielsweise die einen eine unerwünscht große räumliche Ausdehnung, andere wiederum - wie beispielsweise Flip-Flop-Speicher - erfordern einen großen internen Verdrahtungsaufwand sowie externe Versorgungs- und Steuerleitungen. Wieder andere können nicht in sehr großen Mengen flächenhaft hergestellt oder angeordnet werden.
Uei einer weiteren bekannten Anordnung werden glasartige Halbleiter verwendet, die aus mehreren Substanzen zusammengesetzt sind und deren Kennlinicnverlauf, sowie Schaltverhalten für die verschiedenen Polaritäten symmetrisch sind. Außerdem wird durch häufiges Ein- und Auslesen der Speichereffekt in diesen Elementen zerstört. Es ist mit diesen Anordnungen auch licht möglich, durch ein unsymmetrisches Schalten die Information im Speicherelement zu verändern.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt ein Speicherelement zu schaffen, welches flächen- und raummäßig sehr klein ist, beispielsweise in einer Größenordnung von 50 χ 50 AAsxa bei einer Dicke von ca. 0,5 /UJn und außerdem einen sehr geringen Ver-
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drahtungsaufwand erfordert, vor allem aber strahlungsresistent ist und außerdem eine sehr billig und einfach erzeugbare Speicherschicht enthält. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen zwei Metallelektroden, die vorzugsweise in Auf-
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dampftechnik hergestellt werden, sich die Schicht eines amorphen Isolators aus einer Mischung von SiO und SiO0 befindet, wobei d;Le Metallelektroden aus Metallen mit verschiedener Elektronegativität - beispielsweise Silber und Aluminium - bestehen und die Metall- und Isolatorschichten in bestimmter Reihenfolge
- beispielsweise Ag - SiO - Al - aufgebracht sind. Diese Maßnahmen gestatten eine einfache und billige gleichzeitige Herstellung großer Stückzahlen des erfindungsgemäßen Speicherelementes, da jede Schicht in einem Arbeitsgang für alle Elemente gleichzeitig aufgebracht und ein Großteil der Verdrahtung automatisch während des Aufdampfprozesses durchgeführt wird.
Weiterhin wird vorgeschlagen, daß das Speicherelement im Normalzustand ("AusU-Zustand) einen hohen Innenwiderstand - z.B. 1 M O. - besitzt, der beim Anlegen einer negativen Spannung an die Elektrode höherer Elektronegativität in sehr kurzer Zeit
- beispielsweise kürzer als 1 ^csec - einen sehr kleinen Wert
- ca. 300 12. - annimmt ("Cin"-Zustand) und nach dem Umpolen der Spannung durch einen gewissen kritischen Strom wieder auf den ursprünglichen Wert gebracht wird. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß mit geringen Spannungen und Strömen von einem stabilen Schaltzustand in den anderen geschaltet werden kann, wobei keiner der Schaltzustände eine Haltespannung oder einen Haltestrom benötigt. D.h. wiederum, ein Ausfall der externen Versorgungsspannungen verändert den Inhalt des Speichers nicht.
In einer Weiterentwicklung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zusätzlich zu dem Speicherelement noch ein diodisches Element seriell angeordnet ist, so daß bei Schaltung in Durchlaßrichtung der Diode die Elektrode höherer Elektronegativität ein positives Potential gegenüber der anderen Elektrode des Speicherelementes aufweist. Hierdurch wird bei gleichzeitiger Verwendung einer Vielzahl gleichartiger Speicherelemente in Matrizenanordnung keine wesentliche Beeinflussung eines Elementes durch die Nachbarelemente mehr hervorgerufen.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung wird x'orgeschlagen, daß eine Vielzahl gleichartiger Speicherelemente in Matritzenform . flächenhaft angeordnet sind und räumlich in einer Matrizenmatrix angeordnet werden können. Diese Maßnahmen führen zu einer extrem hohen Packungsdichte von Speicherelementen vie sie beispielsweise zum Einsatz in Großrechenanlagen erwünscht ist. Außerdem ist durch entsprechende äußere Beschaltung des Speichersystems die Verknüpfung von Einzelinformationen möglich.
Die Erfindung ist nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben und gezeichnet. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vielzahl Speicherelemente in Matrizenanordnung, Fig. 2 eine Draufsicht gem. Fig. 1,
Fig. 3 ein Einzelelement gem. Einzelheit X aus Fig. 2 im Schnitt,
Fig. 4 ein Ersatzschaltbild für die Zusammenschaltung von Speicherelement und Diode,
Fig. 5 Kennlinie des Speicherelementes,
Fig. 6 das Schema einer Leseschaltung für ein einzelnes Speicherelement.
Das erfindungsgemäße Speicherelement, das als Einzelelement in Fig. 3 dargestellt ist, setzt sich aus der Elektrode 10 - beisp^. -Isweise aus Aluminium - , einer röntgen-amorphen Isolatorschicht 30 - beispielsweise aus einem Gemisch von SiO und SiO2 in bestimmtem Verhältnis - und einer zweiten Elektrode 20 - beispielsweise aus Silber - zusammen. Die beiden Elektroden 10 und 20 müssen verschiedene Elektronegativitlit aufweisen. Diese Einzelelemente werden wie in Fig. 1 und 2 dargestellt durch ein Aufdampfverfahren gleichzeitig in großer Stückzahl in Matrizenform hergestellt. Die externen Anschlüsse 4O,4l dienen zum Einspeichern und Auslesen von Informationen in die und aus den einzelnen Speicherelementen. Das elektronische Verhalten des einzelnen Speicherelementes ist in Fig. 5 dargestellt. Hier werden die Kennlinien des Speicherelementes dargestellt und zwar
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zeigt die Kennlinie 5^ das Verhalten des Schaltoloments im "Ein"-7ustand (nioderohnig) während die Kennlinie Γ>0 das Verhalten im "Aus"-Zustand (hochohmig) zeigt.
Befindet man sich im positiven Zwei (U ^»0) der Kennlinie 60, wobei die positive Spannung an der Elektrode 10 liegt, also an der Elektrode mit der größeren Elektronegativität, so befindet sich das Element stets im hochohmigen Zustand. Polt man die angelegte Spannung um und steigert sie von Null ausgehend auf den Kennlinienteil 6l, so erreicht man eine Schwellspannung U
bei der plötzlich der Schalteffekt So eintritt, wobei das Clement über eine durch die iiußrro Jieüchaltung bestimmten Kennlinie, auf die neue Kennlinie 50 umspringt. Das Element ist jotzt niederohmig und bleibt dies auch bei Variation der angelogton Spannung innerhalb eines gewissen Dereiches. Dieser beschriebene Vorgang stellt die Einspeicherung der Information "1 bit" in das Speicherelement dar. Auch bei einem Abtrennen der Spannungsversorgung in dieser Arbeitsphate bleibt der niederohtnigo Zustand des Elementes erhalten. Bein' Wiedereinschalten der Spannung befindet man sich automatisch wieder auf dem Kennlinienzwei 50, d.h. der Stromfluß durch das Element stellt sich entsprechend der Kennlinie ein, wodurch mit Hilfe der äußeren üeschaltung (Fig.O dor Zustand des Elemente« festgestellt werden kann (Auslesen der Infornmtion). Wird die angelegte Spannung erneut umgepolt, :jo befindet tuan sich auf dem Kennliriienteil 51· Nach dem Überschreiten eines kritischen
Sfcroirtwertes i tx'itt ein Schalteffekt Lie ein, der über eine s i
von der äußeren Hf-schaltung abhängige Kennlinie wieder auf die Kennlinie 60 zurückführt ("Aus"-Zustand). Die vorher in Element 90 gespeicherte Information ist damit gelöscht. Auch dieser Zustand ist bei Abschaltung der externen SpannungsquelIe 70 stabil, d.h. beim Wiedereinschalten der Spannung 70 befindet man sich wieder auf der Kennlinie 60. Ls kann nun durch Umpolen der Spannungsquelle 70 erneut "1 bit" in das Element 90 eingelesen werden. Dieser Vorgang kann sehr oft wiederholt werden, ohne daß das Element in seiner vorbeschriebenen Funktionsweise
beeinträchtigt wird.
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Kre/sp - 5 -
Da die Isolatorschicht 30 amorph ist, weist das gesamte Speicher-, system eine hohe Strahlungsr':i;isten5i auf. Lin weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß der κ: lachaltvorgang von der Kennlinie 50 auf die Kennlinie 60 sehr rasch vor sich geht (kürzer als 1 /Usec). Lin weiterer Vorteil gegenüber vielen bekannten Elementen ist, daß die eingespeicherte Information durch das Auslesen nicht verloren geht, da der Schaltzustand des Elementes (Kennlinie 50) bei normaler Belastung erhalten bl eibt, d.h. beim Auslesen mit strombegrenzten Impulsen wird ein Umspringen des Elementes in den anderen Schaltzustand mit Sicherheit vermieden. Aber noch einen Vorteil xveist die Erfindung gegenüber anderen artverwandten Elementen auf, nämlich, daß durch die Unsymmetrie der Kennlinien 50 und 60 ein strombedingter Umschalteffekt Se. und ein spannungsbedingter Umschalteffekt Se auf verschiedenen Polaritätseiten der Kennlinien liegen. Die. Vorteile dieser Kennlinienform ergeben sich vor allem im Zusammenhang inLt der Verwendung einer Vielzahl von Speicherelementen 90, die jeweils mit einer Diode 91 gemäß Fig. 4 hintereinander geschaltet sind. Die Diode 91 dient zur Entkopplung der Einzelelemente, d.h. ?,ur Vorne.idimg von Störsignalen, die beim Auslesen eines Cinzelelementes in der Matrixanordnung durch die Nachbarelemente auftr !ten können. Die Diode 91 wird so dem Speicherelement 90 zugeordnet, daß bei Polung der Spannung 70 In Durchlassrichtung der Diode 91 der positive Teil der Kennlinie 51 des Speicherelementes 90 durchfahren wird, so daß der Schalteffekt Se. durchgeführt werden kann. Polt man die Spannung 70 so, daß man die Diode 91 sperrt, so befindet sich die Speicherzelle 90 im negativen Bereich der Kennlinien, so daß in diesem Zustand die Kennlinie 6l erreicht werden kann, wodurch der Schalteffekt Se möglich ist.
Aufgrund des vorbeschriebenen sehr einfachen Aufbaus, sowie der in wenigen Schritten möglichen Herstellungsgrozesse ist es möglich, mehrere Speicherebenen nach dem gleichen Verfahren übereinander anzuordnen, wodurch ein räumlicher Speicher sehr hoher Dichte entsteht - beispielsweise in der Größenordnung 10 bit/ cm3 - . /6
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Kre/sp - 6 -
'wie die Fig. 6 zeigt, bewirkt die Spannung U einer Spannungsquelle 70 durch den Vorwiderstand ÖO einen Lesestrom im Speicherelement 90. Ist letzteres niederohmig, no zeigt das Meßinstrument 100 einen geringen Spannungsabfall an, wodurch die Information aus dem Speicherelement ausgelesen wird. Ist das Speicherelement 90 hochohmig, so zeigt das >!eßinstrument 100 einen hohen Spannungsabfall an, wodurch der Informationsinhalt "Null" ausgelesen wird. Durch mitsprechende Polarisierung der Spannungsquelle 70 so wie entsprechende Einstellung der Spannung U kann der Schaltzustand des Speicherelomentes 90 wie oben beschrieben beliebig verändert werden.
Angezogene Druckschriften:
Ovschinsky - Zeitschrift IEEE "Trans.Kucl.Sei." Vol. NS - 15. Seite 311 (1968)
J. G. Simmons - Zeitschrift "Contemp. Fhys." Vol. 11,
Seite 21 (I970)
C. F. Drake - Zeitschrift "Phys.stat.sol." Vol. 32,
US-PS 3 271 591
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Claims (1)

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    Patontansprüclie
    Elektronisches Speicherolenionl mit zwei .stabilen Schaltzuständen, dadurch g e Is. e π η ζ e. i c h net , daß zwischen zwei M· tallelektrodoii, die vorzugsweise in Aufdampftechnik hergestellt sind, sich die Schicht eines amorphen Isolators aus einrr Mischung von SiO und SiO befindet, wobei die lletallele.Id roden au κ Ilolallon mit verschiedener Elektronegativität - beispielsweise Silber und Aluminium - bestehen und die Tl tall- und Isolatorschichten in bestimmter Reihenfolge - beispielsweise Ag "- SiO - Al - aufgebracht sind.
    Speicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Speicherelenent im Normalzustand ("Aus"-Zustaud) einen hohen Innenwiderstand besitzt, der beim Anlegen einer negativen Spannung an die Elektrode höherer Elektronr-gativität in sehr kurzer Z<it - beispielsweise kürzer als 1 /U.sec - einen sehr kleinen Wert - ca. 300 -C2. - annimmt ("Ein"-Zustand) und nach dem Umpolen der Spannung durch einen gewissen kritischen Strom wieder auf den ursprünglichen Urert gebracht wird.
    Speicherelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e kennzeichnet , daß zusätzlich zu dem Speicherelement noch ein diodisches Element seriell angeordnet ist, so daß bei Schaltung in Durchlaßrichtung der Diode die niektrode höherer Elektronegativität ein positives Potential gegenüber der anderen Elektrode de? Speicherelementes aufweist.
    1I. Speicherelement nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl gleichartiger Speicherelemente in Matrizenform flächenhaft angeordnet sind.
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    ' ""' 7- Oktober 197O
    Krp/sp - δ -
    5· Speicherelement nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl gleichartiger Speicherelemente rilaisilicu in einer Ilatrizenmatrix angeordnet .sind.
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