DE2152109A1

DE2152109A1 - Speicher mit Feldeffekt-Halbleiterelementen

Info

Publication number: DE2152109A1
Application number: DE19712152109
Authority: DE
Inventors: Ross Edward Charles
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1970-10-19
Filing date: 1971-10-19
Publication date: 1972-04-20
Also published as: NL182922B; GB1363509A; NL182922C; DE2152109B2; FR2111709A1; US3720925A; NL7114285A; JPS523701B1; BE774112A; SE379444B; FR2111709B1; AU3466571A; CA961159A; DE2152109C3

Description

7269-71/H 91521

RCA 62,261 Z IO£ I

US-Serial No. 81713
Filed October 19, 1970

■RCA-Corporation, New York, N.Y., USA

Speicher mit Feldeffekt-Halbleiterelementen

Die Erfindung betrifft einen Speicher mit Feldeffekt-Halbleiterelementen, die in Spalten und Zeilen angeordnet sind und ein gemeinsames Substrat teilen und von denen jedes Element zwei einen Stromweg begrenzende Elektroden und eine Steuerelektrode besitzt und auf wenigstens einen von zwei Schwellwertpegeln einstellbar ist, und von denen die Elemente jeder Zeile mit ihren ersten und zweiten Elektroden mit einem entsprechenden Paar von Bitleitungen verbunden sind, während die Elemente jeder Spalte mit ihren Steuerelektroden an eine entsprechende Wortleitung angeschlossen sind. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Speicherfeld mit Wortstruktur, bei dem für jeden Speicherplatz nur ein einziges Metall-Isolator-Halbleiterelement verwendet wird.

Bei den meisten gegenwärtig verfügbaren Halbleiterspeichern werden für die Speicherplätze zur Informationsspeicherung jeweils bistabile Halbleiterkreise verwendet. Diese bistabilen Kreise, die gewöhnlich wegen deren hohen Impedanz aus Feldeffekttransistoren mit isolierter Steuerelektrode aufgebaut werden, haben den Nachtel, daß sie mindestens zwei Elemente benötigen. Da für Datenverarbeitungsanlagen jedoch ein zunehmender Bedarf nach erhöhter Speicherkapazität und zugleich minimalem Lei-

209817/136A

stungs- und Raumbedarf besteht, wäre ein Halbleiterspeicher zweckmäßig, bei dem pro Speicherplatz nur ein einziges Element erforderlich ist. Hierfür bietet sich der MNOS (Metall-Nitrid-Oxid-Silicium)-Transistor als Speicherelement an. Er kann zwei stabile Zustände annehmen und kann nach Art einer LSI-Schaltung (integrierte Großschaltung) hergestellt werden. Dies ei— möglicht die Konstruktion von umfangreichen, jedoch kleinen und wenig aufwendigen Speicherfeldern mit hoher Informationsdichte. Bei der Integrierung von MNOS-

fc Transistoren verwendenden Speicherfeldern treten jedoch P

zahlreiche Probleme auf. Sie beruhen auf der Tatsache, daß in einer integrierten Schaltung die Transistoren nicht individuell an ihren vier Klemmen (Steuerelektrode, Abfluß, Quelle und Substrat) zugänglich sind. Statt dessen sind die Klemmen jedes Transistors mit einer Vielzahl anderer Transistoren des gleichen Feldes zusammengeschaltet.

Aus diesen MNOS-Transistoren aufgebaute Speichersysteme wurden schon in verschiedener Ausführungsform vorgeschlagen. Sie hatten jedoch stets einen oder mehrere der folgenden Nachteile:

a) Für jeden Transistor oder pro Transistorzeile sind individuelle "Wannen" (well)-Diffusionen erforderlich, damit das Substratpotential für ausgewählte Transistoren im Speicherfeld geändert wird.

209817/1364

b) Das Substrat des gesamten Speicherfeldes muß für den Betrieb gepulst werden.

c) Während des Schreibzyklus fließt in einigen der gewählten Elemente ein großer Dauer- oder Ruhestrom.

d) Pro Informationsbit werden mehr als nur ein Transistor benötigt.

Ein bekanntes Speicherfeld der vorliegenden Art und die bei ihm auftretenden Probleme werden weiter unten noch
näher beschrieben werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Speicher anzugeben, der diese Schwierigkeiten vermeidet.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines bekannten Matrixfeldes und seiner Treiberschaltung;

Fig. 2 einige der in der Anordnung nach Fig. 1 auftretenden Schwingungsformen;

Fig. 3 das Diagramm einer Schwellwertspannung V_,

als Funktion der zwischen der Steuerelektrode eines Transistors und dem Substrat liegenden Spannung zur Erläuterung des bistabilen Verhaltens der zur Realisierung der Erfindung
verwendeten Transistoren;

209817/1364

Fig. 4a die schematische Darstellung eines Matrixfeldes und seiner Treiberschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4b einen transistorbestückten Schalter, wie er

zur Realisierung der Erfindung verwendet werden kann j

Fig. 5 einige der in der Anordnung nach Fig. 4a auftretenden Schwingungsformen; und

Fig. 6a, 6b, 6c, 6d und 6e

schematische Darstellungen eines typischen Speicherelementes des Feldes unter verschiedenen VorSpannungsbedingungen.

Aus dem Artikel "An Integrated Metal-Ntride-Oxide, Silicon (MNOS) Memory¹¹ von Dov Frohman-Bentchkowsky auf Seite 1190 der "IEEE proceedings", Juni I969 ist ein Speicher der hier behandelten Art bekannt, der jedoch nicht zufriedenstellend arbeitet. Er ist in Fig. 1 dargestellt. Es handelt sich um ein Speicherfeld mit Wortstruktur, das mit bistabilen P-Kanal-MNOS-Transistoren QIl, Q 13, Q 31, Q 33 arbeitet, deren Schwellwertspannung V_, dadurch auf einen hohen Schwellwertpegel V^„ ■i· TH

eingestellt wird, daß zwischen die Steuerelektrode und das Substrat der Transistoren eine große negative Vorspannung (-25 V) angelegt wird.

Die Betriebsweise der bekannten Schaltung gemäß Fig. 1 wird am besten durch die in Fig. 2 dargestellten Schwingungsformen verständlich. In Fig. 1 wird in folgender Weise ein Löschzyklus eingeleitet. An die Steuerelektrode der Transistoren Q__Al, Q_A3 wird ein Lese/Schreib-Impuls

209817/1384

mit negativer Amplitude angelegt, wodurch die Abflußleitungen B_nl, B_n„ auf Massepotential gelegt werden. Gleichzeitig kann den Quellenleitungen B₁₅₁ und B _ gemäß Fig. dadurch Massepotential zugeführt werden, daß an die Punkte B_. und B__ eine negative Spannung angelegt wird,

(al Ii .p

wodurch die Transistoren Q₁^₁ und Q_„ eingeschaltet (leitend) werden. Wenn beispielsweise die Quellenleitungen B_c1, B „, die Abflußleitungen B_n1, B_n_ und das Substrat eines Transistors Massepotential erhalten und ein großer positiver Impuls an eine Wortleitung wie z.B. W^ angelegt wird, schalten beispielsweise die Transistoren Q₁₁ und Q.„ in einen Zustand niedriger Schwellwertspannung V um.

Nach dem Löschzyklus werden in einem Schreibzyklus Informationen im Speicherfeld gespeichert, wozu ausgewählte Speicherelemente eines Wortes in den Zustand hoher Schwellwertspannung V~„ eingestellt werden. Wie

Iri

jedoch gezeigt werden wird, geschieht dies unter Inkaufnahme des Nachteils, daß durch die eingestellten „Transistoren ein Dauer- oder Ruhestrom fließt. Während des Schreibzyklus geht der Lese/Schreib-Impuls (vgl. Fig. 2) auf O Volt zurück, wodurch die Abflußleitungen B , B ein negatives Potential erhalten, da sie über die Impedanzwege der Transistoren Q_D1i Q_D- wieder auf -V_nn Volt gelegt werden. Diese Transistoren Q_D1» Q_n- arbeiten in der Schaltung als Dioden, da die Steuerelektroden direkt mit den Abflußelektroden verbunden sind. Nun sei beispielsweise angenommen, daß der Transistor Q₁- in den

umgeschaltet werden soll und die übrigen Transistoren ungestört bleiben sollen. Um den Transistor Q₁- in den V^-Zustand einzustellen, wird ein negativer

209817/1364

Impuls (-25 V) an die Wortleitung W₁ angelegt, und theoretisch müßten die Quellen- und Abflußbereiche

(B„_- und B -Leitungen in Fig. 2) auf O Volt gelegt 03 "j

werden. Aus Fig. 1 geht jedoch hervor, daß die B -Leitung ein negatives Potential hat, wenn der Lese-z^Schreibimpuls auf 0 V ist. Zur Einschaltung des Transistors Q wird eine negative Spannung (-10 V) angelegt, wodurch die B_c,-Leitung auf Massepotential gelegt wird. i>3

Dies hat zur Folge, daß ein Strom von der gemeinsamen Masseklemme durch den Transistor Q__, durch das vom Transistor Q₁- gebildete Speicherelement und durch die vom Transistor Q~ gebildete Diode zur -V -Klemme fließt. Der durch die Transistoren Q₁- und Q₁,- fließende Strom hat einen Spannungsabfall und ein entsprechendes Potential an den Punkten B_n- und B__ zur Folge. Damit diese Spannungsabfalle nicht so groß werden, daß sie den zum Einstellen dieser Transistoren benötigten Differenzspannungspegel beeinträchtigen, muß in der bekannten Schaltung ein Impedanzweg zwischen Masse und einer Betriebsspannungsquelle vorhanden sein, durch welchen ein Ruhestrom fließt. Dadurch, daß dieser leitende Weg vorhanden ist, ergeben sich zahlreiche Probleme, von denen einige erläutert werden sollen:

l) Damit beim obigen Beispiel die B_n_-Leitung wenigstens nahezu auf Massepotential gehalten wird, muß die Impedanz des Stromweges (des Leitungspfades) des Transistors Q_D_ viel größer sein als die Serienimpedanz der Stromwege der Transistoren Q₁- und Q-. Ein stabiles Massepotential auf der B_D_-Leitung ist daher unmöglich, denn ihr Potential ist eine Funktion der Impedanzverhältnisse, Da die Impedanz des Transistors Q__ größer sein muß als

209817/1364

die Serienimpedanz der Transistoren Q₁ und Q__, muß dieser Transistor Q_n<_ ferner körperlich kleiner sein als die anderen Transistoren. Infolge dessen müssen die Impedanz und Größe der Bauelemente kontrolliert werden, was eine erhebliche Beschränkung bedeutet. Außerdem verlangt die Treiberschaltung eine untere Grenze für die Größe des vom Transistor Q₁^ gebildeten bistabilen Elementes, das aus Gründen der Packungsdichte kleinstmöglich sein sollte. Bei der bekannten Schaltung wird also die Konstruktion eines Speicherfeldes in LSI-Schaltungstechnik, bei der die Verwendung der körperlich kleinstmöglichen Bauelemente ein Hauptkriterium ist, erheblich behindert.

2) Die ausgewählten Elemente leiten während des Schreibzyklus, was bedeutet, daß durch den Kanal ein Strom fließt und am Kanal somit eine Spannung abfällt. Dies hat zur Folge, daß die Spannung zwischen der Steuerelektrode und den verschiedenen Stellen längs des Kanaies nicht überall gleich groß ist und die die Schwellwertspannung bestimmenden traps (Fangstellen) nicht gleichmäßig geladen werden.

3) Während des Schreibzyklus wird jedes gewählte Element einen Ruhestrom führen. In einem großen Speicherfeld können diese Ströme eine beträchtliche Verlustleistung verursachen und, was noch schlimmer ist, eine Wärmeentwicklung auf dem Speicherchip, die bei der Konstruktion einer LSI-Speicherschaltung hoher Packungsdichte sehr hinderlich ist.

209817/1364

Die vorliegende Erfindung kann bei einem Matrixfeld aus Feldeffekt-Halbleiterelementen realisiert werden, die ein gemeinsames Substrat teilen und jeweils eine Steuerelektrode und erste und zweite, einen Stromweg begrenzende Elektroden besitzen. Jedes dieser Halbleiterelemente ist in der Lage, auf wenigstens zwei Schwellwertpegel eingestellt zu werden. Sie sind in Zeilen und Spalten angeordnet. In der Matrix sind die ersten und zweiten Elektroden der Halbleiterelemente in jeder k Zeile mit einem verschiedenen Paar von Bitleitungen " verbunden, während die Elemente jeder Spalte mit ihren Steuerelektroden an eine unterschiedliche Wortleitung angeschlossen sind.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der Speicher ferner eine Schaltvorrichtung mit einer Impedanz von im wesentlichen Null, um jede Bitleitung auf eines von zwei Potentialen zu legen. Eine Einrichtung zum Einstellen der Elemente des Feldes auf den einen von zwei Schwellwertpegeln enthält gesonderte Schalter, die mit jeder ersten und zweiten Bitleitung verbunden sind, um den Bitleitungen über eine niedrige Impedanz eines von zwei Potentialen zuzuführen. Die beiden Bitleitungen einer Zeile werden während des Einstellzyklus auf dem gleichen Potential gehalten, so daß kein Ruhestrom fließt. Die Einstelleinrichtung legt zu einer Zeit ein erstes Potential an eine Wortleitung an, durch welches die Halbleiterelemente gesperrt werden, und sie legt zu einer Zeit an eine Wortleitung ein zweites Potential an, wodurch die Elemente leitend werden.

209817/1364

Die zum Realisieren der Erfindung verwendeten Halbleiterelemente haben eine variable Schwellwertspannung, die dadurch auf einen von zwei oder mehreren Werten eingestellt werden kann, daß zwischen der Steuerelektrode und dem Substrat des Elementes eine Spannung angelegt wird, die größer ist als eine gegebene Amplitude. Sie halten die Schwellwertspannung V_, auf die sie eingestellt werden, für eine beträchtliche Zeitdauer bei. Zu Halbleiterelementen dieser Art zählen bistabile Feldeffekttransistoren vom MIS-Typ (Metall-Isolator-Halbleiter), in denen Ladung speicherbar ist.

Ein bevorzugtes, aber nicht einschränkendes Beispiel für einen Transistor dieser Art ist ein MNOS-Transistor, dessen Isolierschicht eine Doppelschicht aus Silicium-Nitrid und Silicium-Dioxid ist. Dieser Transistor kann nach den bei MOS (Metall-Oxid-Halbleiter)-Transistoren üblichen Methoden hergestellt werden, abgesehen davon, daß unmittelbar vor der Metallisierung die Steuerelektrodenoxidschicht sehr dünn gemacht und eine Nitridschicht zwischen dem Siliciumdioxid und der Steuerelektrode niedergeschlagen wird. Erste und zweite Elektroden des hierdurch entstehenden Transistors, der entweder vom p- oder η-Typ sein kann, begrenzen die Enden eines Stromweges. Zur Steuerung der Leitfähigkeit im Stromweg dient eine Steuerelektrode. Der Transistor hat die gleichen allgemeinen Eigenschaften wie ein gewöhnlicher MOS-Transistor, jedoch erlaubt die isolierende Nitridschicht über der dünnen Oxidzone die Speicherung von Ladung an oder in der Nähe der Grenzfläche zwischen den beiden Isolatoren, was die in Fig. 3 dargestellte Charakteristik zur Folge hat.

209817/1384

Fig. 3 ist eine idealisierte Darstellung der Hysteresiskurve der Schwellwertspannung V„ eines typischen p-leitenden Halbleiterelementes der oben erläuterten Art als Funktion der angelegten Steuerelektroden-Substrat-Spannung V\,_cc. Die Schwellwert spannung V„ ist definiert als

CiDo J.

die Steuerelektrodenspannung, bei der im Stromweg des Transistors ein Strom zu fließen beginnen kann. Die mit V_mT bzw. V_,_TT bezeichneten Punkte stellen den niedrigen bzw. hohen Wert von V„, dar. V kann beispielsweise

X X Xj

-2 Volt und V_„ -6 Volt betragen. Die Referenzspannungen XrI

k V A„ ^unt* V "„ bezeichnen die Steuerelektroden-Quellen-Spannungen, bei denen der Transistor seinen Zustand ändert. Der Wert von V„i„ und V_nZ_x^ hängt von dem jeweils

Kür Hcf

verwendeten speziellen Bauelement ab, doch sei im vorliegenden Fall angenommen, daß er zwischen -15 Volt und +15 Volt liegt.

Ein Wert von V__oc, der (für eine gegebene Impulsdauer)

UOO

kleiner ist als V_* odeer V₁.,- , hat keinen Einfluß auf die Schwellwerteinstellung des Halbleiterelementes gemäß Fig. 3· Wenn jedoch V zunächst V__T ist und V_„_e

X ί Li UOO

größer und negativer gemacht wird als V■ , folgt die Schwellwertspannung der Hysteresiskurve in Fig. 3 nach

" oben und nimmt den Wert V_,„ an. Wenn und falls !?„„„ an-

1 JtI üb ο

schließend auf O Volt herabgesetzt wird, bleibt V_, auf eingestellt. Falls die Schwellwertspannung zunächst ist und V"_GSS größer und positiver als V^p gemacht wird, folgt die Schwellwertspannung der Hysteresiskurve in ähnlicher Weise nach unten, und Vp nimmt den Wert an. Wird V__gs dann auf O Volt herabgesetzt, verbleibt

V_T auf dem Wert

2G9817/1364

Es sei darauf hingewiesen, daß die hier betrachteten MNOS-Transistoren analoge Bauelemente sind, die auf eine Anzahl von Schwellwertzuständen eingestellt werden können. Beispielsweise kann durch Anlegen einer ^v _GSg~ Spannung, die größer ist als V_R+_p (^V _G1)ι der p-leitende Transistor auf einen V_ ,-Zustand eingestellt werden, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Statt dessen kann der p-leitende Transistor durch Anlegen einer V -„-Spannung, die negativer als Vj^p (Vq₂) ist, auch auf einen V_TH'-Zustand gemäß Fig. 3 eingestellt werden. Für die meisten praktischen Anwendungsfälle logischer Verknüpfungen werden die zwischen der Steuerelektrode, dem Substrat und den Hauptelektroden der Bauelemente angelegten Spannungen auf spezielle Potentialwerte (_+ V) beschränkt, so daß die Bauelemente nur einen von zwei der vielen möglichen Schwellwertzustände annehmen. Es ist zu beachten, daß bei η-leitenden Transistoren eine V_g -Spannung, die negativer ist als V -_ (in einer Richtung, bei der der Transistor gesperrt wird), das Bauelement in einen Zustand niedriger Schwellwertspannung einstellt, eine V„„-Spannung, die positiver ist als V₇*., (in einer Richtung, bei der das Bauelement stärker leitend wird) dagegen in einen Zustand hoher Schwellwertspannung.

Speicherfelder gemäß der Erfindung können M-Worte von jeweils j-Bits haben, wobei M und j ganze Zahlen größer als 1 sind und gleich oder ungleich sein können. In Fig. 4a ist zur Vereinfachung eine Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt, bei der M = j = 2. Jeder Bitplatz enthält einen einzigen bistabilen Transistor, der mit T_M- bezeichnet ist, wobei M die Wortposition und j die Bitposition definieren. Die Transistoren, die eine Spalte

209817/1364

(ein Wort) bilden, sind mit ihren Steuerelektroden gemeinsam an eine Wortleitung angeschlossen. Die eine Zeile bildenden Transistoren (die alle die gleiche Bitsignificance haben) sind mit ihren Quellenelektroden an eine mit E^₁ bezeichnete erste Bitleitung und mit ihren Ab-" flußelektroden an eine mit B._o bezeichnete zweite Bitleitung angeschlossen, wobei j sich wieder auf die Bitsignificance der Zeile bezieht.

Jede Bitleitung ist an einen einpoligen Umschalter S. ^,

t S ._o angeschlossen, damit an die Bitleitung entweder Masse-

W ^J

potential oder ein -V-Potential angelegt wird. Während der weiter unten erläuterten Lösch- und Schreibzyklen werden die Umschalter S.₄ und S._o serienweise so betätigt, daß sie beide auf den gleichen Potentialwert zurückkehren. Dadurch wird erreicht, daß zwischen den beiden Bitleitungen einer Zeile praktisch kein Potentialunterschied besteht und demgemäß praktisch kein Strom fließt. Es sei darauf hingewiesen, daß während des Schreibzyklus, obwohl die Schalter serienweise ("in tandem¹¹) betrieben werden, die Schalter unabhängig gesteuert werden und das Potential auf den Bitleitungen unabhängig von der Impedanz oder dem Impedanzverhältnis der Schalter ist.

Wie in Fig. kB dargestellt ist, können die einpoligen Umschalter ein komplementärer Inverter sein, dessen zwei Transistoren 12, 14 mit ihren Abflußelektroden gemeinsam an die Bitleitung und mit ihren Steuerelektroden gemeinsam an eine Steuersignalquelle angeschlossen sind, während die Quelle des p-leitenden Transistors 12 an Masse und die Quelle des η-leitenden Transistors Ik an einer Spannung -V liegt.

209817/ 1364

Die Betriebsweise ist für alle Spalten gleich. Anhand der in Fig. 5 dargestellten Schwingungskurven wird nur die Betriebsweise der willkürlich herausgegriffenen Spalte 1 beschrieben werden. Zuerst wird ein Impuls mit der Amplitude +V an die dem Wort 1 entsprechende Wortleitung W_-1 angelegt, und alle Bit leitungen B..,, B

1 J ·*■ J»

werden durch Umlegen der Bitleitungsschalter an die Hassepotentxalklemme auf Massepotential zurückgebracht. (Beim Löschen wird überalle eine "1" eingeschrieben). Da die Halbleiterelemente alle p-leitend sind, bewirkt das Anlegen eines positiven Impulses an die Steuerelektrode, der bezüglich des Substrates größer ist als ein gegebener Referenzwert, wie in Fig. 6a dargestellt ist, daß alle Elemente der Spalte in ihren Zustand niedriger Schwellwertspannung V__T geschaltet werden. Da an die

Xi-I

W₁-Leitung die Spannung +V, an die übrigen Wort- und Bitleitungen jedoch Hassepotential angelegt werden, bleiben die Transistoren der übrigen Spalten des Feldes ungestört, denn alle ihre Elektroden werden auf dem gleichen Potential gehalten, wie in Fig. 6d gezeigt ist.

Es sei nun angenommen, daß das Element T₁₁ so eingestellt werden soll, daß seine Schwellwertspannung auf den hohen Wert V„„ geschaltet wird. Der Transistor T_-1.

XJtI

muß geschaltet werden, während der Transistor T₁₂ im V_,_ -Zustand verharrt und die übrigen Elemente des Feldes ungestört bleiben. Zum Einstellen des Transistors T₁₁ auf den V -Wert wird eine Spannung von 0 Volt an das Substrat und die Bitleitungen B₁₁ und B₁₀ angelegt, während die Spannung -V an die Wortleitung W₁ angelegt wird. Der negative Potentialwert des Impulses mit der Amplitude -V bewirkt an der Steuerelektrode eine Vorspan-

209817/1364

-Ik-

nung bezüglich des Substrates, die größer ist als der gegebene Referenzwert V - und die Rückstellung des Transistors in seinen Zustand hoher Schwellwertspannung gewährleistet.

Der Zustand der Rückstellungsvorspannung des Transistors T-. ist in Fig. 6b dargestellt, wo an die Steuerelektrode des Transistors die Spannung -V angelegt wird, während seine Quelle, sein Abfluß und Substrat wieder an Masse gelegt werden· Bei diesem Vorspannungszustand ist zwischen fc der Steuerelektrode und dem Substrat ein elektrisches Feld vorhanden, das über die Länge des Stromweges (leitenden Pfades) zwischen den Abfluß- und Quellenzonen des Transistors gleichmäßig ist. Es sei wieder darauf hingewiesen, daß kein Dauer- oder Ruhestrom fließt, da Quelle und Abfluß auf dem gleichen Potential liegen.

Nach der Einstellung des Transistors T₁₁ auf V^₁ bleiben die übrigen Elemente des Speicherfeldes ungestört. Insbesondere ist festzustellen, daß keines der nicht gewählten Elemente, welche zur gleichen Spalte oder zur gleichen Zeile gehören wie der gewählte Transistor T₁₁, beeinflußt wird.

Die Steuerelektrode des Transistors T₁₂, der mit dem Transistor T₁- die gleiche Wortleitung teilt, ist mit der W₁-Leitung verbunden, so daß ihm die Spannung -V zugeführt wird. Um zu verhindern, daß dieser Transistor T₁₀ seinen Zustand ändert, wird mittels der Schalter S₀₁, S₂₂ die Spannung -V an seine Quelle und seinen Abfluß angelegt. Der Vorspannungszustand des Transistors ist in Fig. 6c dargestellt. Beim ersten Blick könnte man meinen,

209817/1364

der Transistor T₁₂ würde ebenfalls den V"_TH-Zustand annehmen, da zwischen seiner Steuerelektrode (-V Volt) und dem Substrat (Massepotential) die Spannung -V angelegt wird. Eine genauere Untersuchung zeigt jedoch, daß das der Steuerelektrode zugeführte -V-Potential einen Stromweg zwischen Quelle und Abfluß schafft. Da Quelle und Abfluß beide auf -V Volt liegen, beträgt auch das Potential des Stromweges -V Volt. Über den Isolierschichten liegt also keine große Spannung, so daß der Transistor in seinem zuvor eingestellten Zustand V__T verbleibt.

i. XJ

Der Transistor T₁₀ wird also ebenso wenig gestört wie die Elemente aller anderen Speicherplätze in der gleichen Spalte (welche die gleiche Wortleitung haben wie T₁₁). Da auch hier Quelle und Abfluß auf dem gleichen Potential gehalten werden, fließt kein Strom durch das Bauelement.

Der Transistor T₂₁, der zur gleichen Zeile gehört wie der Transistor T₁₁, liegt mit Steuerelektrode, Substrat, Quelle und Abfluß an Masse. Dieser in Fig. 6d dargestellte Vorsρannungszustand hält den Transistor ungestört.

Der Transistor T₀₀, der mit dem Transistor T._o die gleiche Zeile teilt, liegt mit seiner Steuerelektrode und dem Substrat an Masse, mit seinen Quellen- und Abflußelektroden dagegen an -V Volt, wie in Fig. 6e gezeigt ist. Bei diesem Vorspannungszustand beträgt die Steuerelektroden-Substrat-Spannung Vq_SS nahezu O Volt, und über den Quellen-Substrat- und Abfluß-Substrat-Übergängen liegt eine Spannung von -V Volt. Diese Spannung oder Potentialdifferenz ruft ein elektrisches Feld hervor, dessen Wirkung praktisch auf den Übergang zwischen den die Quelle, den Abfluß und das Substrat bildenden P-Zonen beschränkt ist. Das Potential des Stromweges zwischen Quelle und Abfluß bleibt

209817/1364

nahe bei Masse, und der Transistor wird nicht gestört.

Somit kann eine Information in ausgewählten Halbleiterelementen eingeschrieben und gespeichert werden, ohne daß der Zustand irgendeines der nicht gewählten Elemente beeinflußt wird. Es wurde ferner gezeigt, daß durch Betätigung der beiden mit den beiden Bitleitungen jeder Zeile verbundenen Schalter im Gleichlauf (d.h., daß sie immer an Klemmen mit gleichem Potential gelegt werden) die Elemente eingestellt werden können, ohne daß irgendein Gleichgewichtszustand- oder Ruhestrom fließt. Es ergibt sich also praktisch keine entsprechende Ruheverlustleistung im Lösch- und Schreibzyklus des Speichers. Durch Verwendung eines einpoligen Umschalters oder einer äquivalenten Vorrichtung pro Bitleitung und durch den Gleichlaufbetrieb der Schalter während des Lösch- und Schreibzyklus ergibt sich eine beträchtliche Verbesserung gegenüber den Anordnungen bekannter Art. Es sei darauf hingewiesen, daß bei einer bekannten Anordnung mit zwei Bitleitungen die eine von ihnen mit einer zu einem einpoligen Umschalter äquivalenten Vorrichtung, die andere Bitleitung jedoch mit einem Verbindungspunkt gekoppelt ist. An den Verbindungspunkt ist hierbei eine Schaltung angeschlossen, deren Äquivalent ein einpoliger Ein-Aus-Schalter ist, der dazu dient, den Verbindungspunkt auf Massepotential zu klemmen, und eine Impedanz, welche den Verbindungspunkt mit einer Betriebsspannungsquelle koppelt.

Die in einem Speicherfeld gemäß der Erfindung gespeicherte Information kann zerstörungsfrei wortweise (d.h. ein Wort zu einer gegebenen Zeit) gelesen werden. Hierfür wird

209817/1364

eine Lesespannung V an die gewählte Wortleitung angext

legt, die größer ist als V__T , jedoch kleiner als V_mtr

IiJ in

(V_,_T <£ V_n ^Iv), während an die B . .-Leitungen die Spannung von O Volt und an die B .,,-Leitungen eine Span-

J^ nung von typisch -5 Volt angelegt wird. Wenn gemäß dem oben beschriebenen Beispiel T^₁ auf V_„ und T^₂ auf V„_T eingestellt werden und V_R an die Wortleitung W^ angelegt wird, wird der Transistor T^₂ leitend, während der Transistor T.. gesperrt bleibt.

209817/1364

Claims

Patentansprüche

1. Speicher mit Feldeffekt-Halbleiterelementen, die in Spalten und Zeilen angeordnet sind und ein gemeinsames Substrat teilen und von denen jedes Element zwei «inen Stromweg begrenzende Elektroden und eine Steuerelektrode besitzt und auf wenigstens einen von zwei Schwellwertpegeln einstellbar ist, und von denen die Elemente jeder Zeile mit ihren ersten und zweiten Elektroden mit einem entsprechenden Paar

P von Bitleitungen verbunden sind, während die Elemente

jeder Spalte mit ihren Steuerelektroden an eine entsprechende Wortleitung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltvorrichtungen (S₁₁ usw.) mit einer Impedanz von praktisch Null vorgesehen sind, die jede Bitleitung (B₁₁ usw.) an das eine von zwei Potentialen legen; daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die zum Einstellen des Schwellwertpegels eines Elementes (T₁₁ usw.) auf einen der beiden Schwellwertpegel dient und die Schaltvorrichtungen so steuert, daß sie an jede Bitleitung das gleiche der beiden Potentiale anlegen,

fe und gleichzeitig an eine ausgewählte Wortleitung

(W₁ usw.) eine erste Spannung anlegt, die größer ist als ein gegebener Referenzwert und so bemessen ist, daß die Elemente nicht leiten können; daß wenigstens ein ausgewähltes Element auf den anderen der beiden Schwellwertpegel mittels einer Einrichtung einstellbar ist, welche die den ersten und zweiten Bitleitungen des ausgewählten Elementes zugeordneten Schaltvorrichtungen auf das genannte eine Potential und die den Bitleitungen der nicht gewählten Elemente zugeordneten Schaltvorrichtungen auf das andere der beiden

209817/1364

Potentiale koppelt und zugleich der Wortleitung des gewählten Elementes eine zweite Spannung zuführt, die größer als ein gegebener Referenzwert in Bezug auf das genannte eine Potential und so bemessen ist, daß das gewählte Element leitend wird; und daß die zweite Spannung und das andere der beiden Potentiale ungefähr gleich groß sind.

2. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Einstellen des Schwellwertpegels auf einen der beiden Pegelwerte dienende Einrichtung an das gemeinsame Substrat das gleiche Potential anlegt, das den Bitleitungen zugeführt wird.

3· Speicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das eine der beiden Potentiale ein Referenzpotential ist, welches negativer als die eine und positiver als die andere der ersten und zweiten Spannungen ist und an das gemeinsame Substrat angelegt wird.

4. Speicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeic hnet, daß jede der Schaltvorrichtungen (S₁₁ usw.) zwei Transistoren (12, 14) enthält, von denen der eine die Bitleitung (B.) an das eine der beiden Potentiale und der andere Transistor die Bitleitung an das andere Potential klemmt.

209817/1364

5. Speicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren Feldeffekttransistoren sind, die eine zweite Isolierschicht zusätzlich zur Oxidschicht zwischen Steuerelektrode und Substrat haben.

6. Speicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß j^les der Halbleiterelemente ein Transistor eines solchen Typs ist, daß er beim Anlegen einer ersten

k Spannung, die größer als ein gegebener Referenzwert

ist, zwischen seiner Steuerelektrode und seinem Substrat in einer Richtung, bei der er leitend wird, einen ersten Schwellwertpegel hat, während er beim Anlegen einer zweiten Spannung, die größer ist als ein gegebener Referenzwert, zwischen seiner Steuerelektrode und seinem Substrat in einer Richtung, bei der er gesperrt wird, einen zweiten Schwellwertpegel aufweist.

7. Speicher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente MNOS-Elemente (Metall-Nitrid-

) Oxid-Halbleiterelemente) sind.

209817/1364

Leerseite