DE2155263C3 - Kapazitiver Matrixspeicher - Google Patents

Description

lurch denjenigen Teil des η-Streifens gebildet wird, Jer mit dem p-Gebiet einen p-n-Übergang bildet.

Die »Kreuzpunkte« des Matrixspeichers nach F i g. 1 sind zweidimensional in der Matrix mit den beiden Koordinatenrichtungen X und Y angeordnet. Jeder »Kreuzpunkt« hat für jede Koordinatenrichtung nur einen Pol. Der Pol für die .Y-Richtung wird durch das n-Gebiet gebildet, d. h. durch den Emitter des n-p-n-Transistors, und der Pol für die y-Richtung wird durch denjenigen Teil des η-Streifens gebildet, der mit dem p-Gebiet einen p-n-Obergang bildet, d. h. den Kollektor des n-p-n-Transistors. Die Emitter der »Kreuzpunkte« mit derselben Ordnungsnummer in der .Y-Richtung und unterschiedlicher Ordnungsnummer in der y-Richtung sind über einen der J-Erregungsleiter X₁, X₂, X₃, ..., JY_U vielfach verbunden. Die Kollektoren der »Kreuzpunkte« mit derselben Ordnungsnummer in der y-Richtung und unterschiedlicher Ordnungsnummer in der ^-Richtung sind über einen der n-Streifen 100-1, 100-2, ..., 100-A: vielfach verbunden. Die Anzahl von 14 Kreuzpunkten pro η-Streifen ist nur zu Darstellungszwecken so gewählt. In der Praxis ist 32 ein üblicher Wert. Mit diesem Wert und k — 32 erhält man dann einen Matrixspeicher mit 1024 »Kreuzpunkten«.

In F i g. 2 ist das Ersatzschema des in F i g. 1 dargestellten Matrixspeichers veranschaulicht. Einfachheitshalber sind in F i g. 2 nur die mit den .Y-Erregungsleitern X₁, X₁, X₃ und X_u gekoppelten Kreuzpunkte dargestellt. Nach F i g. 2 besteht jeder Kreuzpunkt aus einem n-p-n-Transistor T_xy, einem zwischen dem Kollektor und der Basis geschalteten Kondensator Ciy ^un<* einer zwischen der Basis und dem Emitter geschalteten Zener-Diode Z_xy. Der Transistor T_xy stellt die normale Transistorwirkung der n-p-n-Struktur nach F i g. 1 dar. Der Kondensator C_xy stellt die Kollektor-Basis-Kapazität der n-p-n-Struktur nach F i g. 1 dar, und die Zener-Diode stellt die Wirkung des p-n-Ubergangs zwischen dem n-Gebiet und dem p-Gebiet der n-p-n-Struktur nach F i g. 1 in der Sperrichtung dar.

Die Kondensatoren Cy₁, Cy_z, ..., Cy k, welche die y-Erregungsleiter Y₁, y₂, ..., Y* mit Erde verbinden, stellen die Streukapazitäten der Streifen aus n-leitendem Material dar, d. h. die Kapazitäten gegenüber dem Substrat in der integrierten Ausführung. Typische Werte für die Kapazitäten C_xy und C_y sind:

C_xy = 0,08 pF,
Cy = 8 pF.

Ein Übersichtsschema für eine integrierte Ausführung des Matrixspeichers nach F i g. 1 ist in Fig. 3 a dargestellt. Fig. 3 b zeigt einen Schnitt. F i g. 3 a bezieht sich auf einen Teil der Gesamtoberfläche der integrierten Schaltung, die zwei Reihen mit je fünf Kreuzpunkten enthält. Die Rechtecke geben die Lage der Kontaktfenster und der Halbleitergebiete an, die zusammen einen Kreuzpunkt bilden. Die integrierte Schaltung ist in einer n-epitaktischen Schicht 300 vorgesehen, die auf einem p-Substrat 301 angebracht ist. Die epilaktische Schicht 302 ist durch Isolierdiffusionen in Streifen eingeteilt. In Fig. 3a bilden die Linienpaare 302-302', 303-303' und 304-304' jeweils die Begrenzung einer Isolierdiffusion. Zwischen diesen Isolierdiffusionen liegen die Streifen 305 und 306. Die Linienpaare 307-307', 308-308', 309-309', 310-310' und 311-311' bilden jeweils die Begrenzung eines aufgedampften Aluminiumstreifens 307", 308", 309", 310" und 311", der als A'-Erregungsleiter wirksam ist.

In jedem »Kreuzpunkt« ist in die n-epitaktische Schicht 300 ein p-Gebiet 312 diffundiert und in dieses p-Gebiet ein n-Gebiet 313 diffundiert. Das n-Gebiet 313 steht über das Kontaktfenster 214 in der Oxydschicht 315 mit dem A'-Erregungsleiter in Verbindung. Zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgende p-Gebiete

ίο in demselben η-Streifen ist ein n-Gebiet 316 diffundiert, das die p-Gebiete teilweise überlappt. Dieses n-Gebiet verursacht eine Erhöhung der Kollektor-Basis-Kapazitäten der zu beiden Seiten derselben liegenden »Kreuzpunkte«. Hierdurch wird eine effektivere Speicherwirkung der Kreuzpunkte verwirklicht und der Einfluß der parasitären Emitter-Basis-Kapazitäten verringert. Eine andere Art und Weise zur Erhöhung der Kollektor-Basis-Kapazität besteht in der Vergrößerung des Basisgebietes.

Von einer integrierten Ausführung des Matrixspeichers für praktische Anwendungen können noch die folgenden illustrativen Daten erwähnt werden:

Maßstab von F i g. 3 a, 1 mm auf Papier ist ungefähr 1 μπι der integrierten Schaltung;

Maßstab von F i g. 3b, vertikal: 4 mm auf Papier sind ungefähr 1 μπι der integrierten Schaltung, horizontal dasselbe wie in F i g. 3a;
n-Gebiete 313 und 316, Emitterdiffusionen, Schichtwiderstand: 2 Ohm D;

p-Gebiet 312, Basisdiffusion, Schichtwiderstand:

150 0hm D;

n-epitaktische Schicht 300, spezifischer Widerstand: 0,1 Ohm/cm;
p-Substrat301, spezifischer Widerstand:

3 Ohm/cm;

Kapazität zwischen 312 und 300: ca. 0,04 pF; Kapazität zwischen 312 und 316: ca. 0,04 pF; Gesamte effektive Kollektor-Basis-Kapazität C_xy: ca. 0,08 pF;

Kreuzpunktdichte: 1050 Kreuzpunkte/mm².

Ein Beispiel einer möglichen Wirkungsweise des

Matrixspeichers wird anhand von F i g. 2 unter Verwendung der folgenden illustrativen Daten gegeben:

Durchbruchspannung der Zener-Diode Z_xy:

5,5VoIt;

Basis-Emitter-Kniespannung des Transistors T_xu: 0,6VoIt;

Spannung des selektierten Erregungsleiters:

+2VoIt oder -2VoIt;
Spannung der nicht selektierten Erregungsleiter:

0 Volt.

Der Kondensator C_xy eines beliebigen Kreuzpunkts kann bis auf eine bestimmte Spannung, der sogenannten Bezugsspannung, dadurch geladen werden, daß das Potential des y-Erregungsleiters auf +2VoIt erhöht und zugleich das Potential des Ä'-Erregungsleiters auf —2 Volt herabgesetzt wird. Der Kondensator C_xv wird durch den Basisstrom des Transistors T_xy positiv geladen, bis auf die Spannung, die gleich dem Potenzialunterschied zwischen dem Y- und A'-Erregungsleiter ist, verringert um die Basis-Emitter-Kniespannung des Transistors T_xy, d. h. eine Spannung von 4 — 0,6 = 3,4 Volt. Der Bezugswert von 3,4 Volt entspreche einer gespeicherten binären »0«.

Ist es erwünscht, eine binäre »1« zu speichern, so wird das Potential des y-Erregungsleiters dann, nachdem die Spannung des Kondensators C_xy auf den Bezugswert gebracht ist, auf — 2 Volt herabgesetzt und zugleich das Potential des X-Erregungsleiters auf +2 Volt erhöht. Die Zener-Diode Z_xy bricht durch, und der Kondensator C_xy wird über die Zener-Diode auf eine Spannung entladen, die gleich dem Unterschied zwischen der Durchbruchspannung und dem Potentialunterschied zwischen dem X- und Y-Etregungsleiter ist, d. h. eine Spannung von 5,5 — 4 = 1,5 Volt. Der Wert von 1.5 Volt entspricht damit einer gespeicherten binären »1«. Um die gespeicherte Information zu lesen, wird der Kondensator C_xy auf den Bezugswert aufgeladen und wird der durch den Y- oder A'-Erregungsleiter fließende Ladestrom delektiert. 1st eine binäre »0« gespeichert, so fließt kein oder nur ein geringer Ladestrom. 1st demgegenüber eine binäre »1> gespeichert, so fließt ein verhältnismäßig kräftiger Ladestrom. Durch Diskriminierung des Ladestroms kann die gespeicherte Information bestimmt weiden.

Es kann einfach überprüft werden, daß während der Selektion eines »Kreuzpunkts« die »Kreuzpunkted, die nur mit einem der selektierten Erregungsleiter gekoppelt sind, d. h. die »halbselektierten Kreuzpunkte« nicht beeinflußt werden. Für die »halbselektierten Kreuzpunkte« treten zwei extreme Spannungssituationen auf. Die eine extreme Situation ergibt sich, wenn der Kondensator C_iy eine Spannung von 1,5 Volt hat und der y-Erregungsleiter mit 4-2 Volt oder der A'-Erregungsleiter mit —2 Volt selektiert wird. Die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T_xy beträgt dann +0,5 Volt. Dieser Wert liegt genau unterhalb der Kniespannung von 0,6 Volt, so daß keine Ladungsänderung über den Transistor T_xy erfolgen kann. Die andere extreme Situation tritt dann auf, wenn der Kondensator C_xy eine Spannung von 3,4 Volt hat und der A'-Erregungsleiter mit +2 Volt oder der y-Erregungsleiter mit —2 Volt selektiert wird. Die Spannung an der Zener-Diode beträgt dann — 5,4 Volt. Dieser Wert liegt genau unter der Durchbruchspannung von 5,5 Volt, so daß keine Ladungsänderung über die Zener-Diode erfolgen kann.

Infolge von Leckströmen nimmt die Ladung der Kondensatoren C_xy aW Um die im Matrixspeicher gespeicherte Information beizubehalten, muß die Ladung jedes Kondensators C_xv regelmäßig regeneriert werden. Dies kann dadurch geschehen, daß die gespeicherte Information regelmäßig bitweise gelesen und unverändert zurückgeschrieben wird. Diese für Matrixspeicher mit einer nicht zu großen Anzahl von Kreuzpunkten geeignete Methode stößt bei größeren Speichern auf Schwierigkeiten. Die für eine zuverlässige Regeneration maximal zulässige Zeitdauer zwischen zwei Regenerationen kann bei größeren Speichern leicht kleiner sein als die kürzeste Zeitdauer, die bei der Anwendung einer bitweisen Regeneration verwirklichbar ist. Bei größeren Speichern wird somit eine wortweise Regeneration bevorzugt. Gemäß diesem Verfahren wird ein aus mehreren Bits bestehendes Wort in einem Mal gelesen und in einem Mal zurückgeschrieben. Unter einem Wort sei im folgenden diejenige Gruppe von Bits verstanden, die in den mit demselben A'-Erregungsleiter gekoppelten »Kreuzpunkten« oder einer »Spalte« des Matrixspeichers gespeichert sind.

Bei der Anwendung einer wortweisen Regeneration werden die »Kreuzpunkte« spaltenweise selektiert. Zum Lesen eines Wortes wird die Spannung des A"-Erregungsleiters auf V_{x min} Volt gebracht und die Spannung aller y-Erregungsleiter auf V_{v m}tn Volt gehalten. Die Kondensatoren C_xy der selektierten »Spalte« werden dann auf die Spannung Λ mit:

A = (V_{v min} - V_x min ~ 0,6) Volt

ίο über die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren T_xy geladen. Danach wird die Spannung des Af-Erregungsleiters auf V_{x max} Volt gebracht mit V_{x max} > V_x mm-Die Spannung der y-Erregungsleiter, bei der eine binäre »1« detektiert ist, wird auf V_{11 mt}„ Volt gehalten und die Spannung der y-Erregungsleiter, bei der eine binäre »0« detektiert ist, wird auf V_{y max} Volt gebracht mit V_{y max} > V_y min. Die Kondensatoren C_xv der Kreuzpunkte, in denen eine binäre »1« gespeichert war, werden über die Zener-Dioden Z_xy auf die

ao Spannung B entladen mit:

B = (V_{y mln} - [V_{x max} - 5,5]) Volt.

Die Kondensatoren C_xy der Kreuzpunkte, in denen eine binäre »0« gespeichert war, behalten die Spannung Λ, wenn die folgende Beziehung gilt:

χ max —

- A) < + 5,5

Diese Beziehung gibt an, daß beim Rückschreiben einer binären »0« die Durchbruchspannung der Zener-Diode nicht überschritten werden darf.

Die Spannung der nicht selektierten A'-Erregungsleiter beträgt 0 Volt. Um eine Beeinflussung der nicht selektierten »Spalten« während der Regenerierung des Wortes einer selektierten »Spalte« zu vermeiden, müssen die folgenden Beziehungen erfüllt werden:

Vy min - A> - 5,5
V_v max - B < + 0,6

Im linken Glied der Beziehung (2) steht der Minimalwert der Basisspannung der Transistoren T_xy. Dieser tritt in den Koppelpunkten auf, in denen eine

binäre »0« gespeichert ist. In den nicht selektierten »Spalten« muß dieser Wert positiver sein als —5,5 Volt, um einen Durchbruch der Zener-Diode zu vermeiden, Im linken Glied der Beziehung (3) steht der Maximalwert der Basisspannung der Transistoren T_xy. Diesel

tritt in den »Kreuzpunkten« auf, in denen eine binäre »1« gespeichert ist. In den nicht selektierten »Spaltern muß dieser Wert negativer sein als +0,6 Volt, um eir Leiten des Transistors T_IV zu verhindern.

Werden die Werte von A und B in die Bcziehungei (1), (2) und (3) eingetragen, so erhält man die folgenden Beziehungen:

\' χ max ' ι in in) (' j/ max "~ J' j/ m<n)"-- + 6.1 (*+)

Vx min >-6,l (5)

Vx

<+6,1

Im allgemeinen strebt man danach, den Unterschiec zwischen der Spannung .4, die eine gespeicherte »0 charakterisiert, und der Spannung B, die cine ge speicherte »1« charakterisiert, möglichst groß zi wählen. Dies ist der Fall, wenn V_{x mnl} — V_{x m}t; möglichst groß ist. Mit V_imat - V_{x mt}„ = +9 VoI

7 8

und V_x min = — 6 Volt kann V_{v max} — Vy _m<n noch y-Erregungsleiters auf eine Spannung von —0,5 Volt

gerade den Beziehungen (4) und (6) genügen. Mit den entladen. In der Phase Z₂ wird der Transistor 405

erwähnten Werten von V_{x m}ax — V_x min und V_x ,„<„ durch die +0,6 Volt-Ausgangsspannung der Impuls-

verringern sich die Beziehungen (4) und (6) bis: quelle 402 leitend gemacht. Der Kollektorstrom des

5 Transistors 405 macht den Transistor 406 leitend,

Vy max — Vy min > 2,9 (7) wodurch der parallel zu der Emitter-Kollektor-Strom-

bahn dieses letzteren Transistors geschaltete Regene-

Vy max — Vy min < 3,1 (8) rierungskondensator C_r auf 0 Volt entladen wird. Der

Emitterstrom des Transistors 405 lädt die Streu-

Mit Vy max — Vy min = 3 Volt können dann die io kapazität Cy auf. Die Basis-Emitter-Kniespannung des

beiden Beziehungen (7) und (8) gerade noch erfüllt Transistors 405 beträgt angenommenerweise 0,6 Volt,

werden. Die Spannung V_y des y-Erregungsleiters beträgt am

Aus dem obigen geht noch hervor, daß V_x max Ende der Phase Z₂ 0 Volt, während die Spannung K_cr

= +3 Volt ist. Für V_{y m}in kann beispielsweise des Regenerierungskondensators C_r dann gleichfalls

V_ymin = -1 Volt gewählt werden. 15 OVoIt beträgt.

Hieraus folgt: Vy max = +2 Volt. Mit diesen In der Phase Z₃ wird die in dem Kondensator C_xy Werten wird: A = +4,4VoIt und B = 1,5 Volt. des selektierten Kreuzpunkts gespeicherte Informa-Es sei bemerkt, daß die vorstehend angegebenen tion »0« oder »1« zum Regenerierungskondensator C₁-Werte für V_{x max} — V_{x m}t_n und V_x max kritische übertragen. Die Impulsquelle 401 setzt die Span-Werte sind, bei denen gerade keine Beeinflussung der ao nung V_x des Ä"-Erregungsleiters auf V_{x min} = —6 Volt nicht selektierten »Spalten« während des Regenerierens herab. Die Regenerierungsschaltung 400 enthält einen eines Wortes auftritt. In der Praxis werden weniger Transistor 408, dessen Emitter an den y-Erregungskritische Werte bevorzugt. leiter und dessen Basis an eine negative Spannungs-Es wird nun anhand der F i g. 4, 5 und 6 eine Be- quelle 409 mit einer Spannung V_ri = 0,2 Volt angeschreibung einer Bitregenerierungsschaltung gegeben, 25 schlossen ist. Infolge der Herabsetzung von V_x nimmt die an einen y-Erregungsleiter angeschlossen ist. die Spannung V_y des y-Erregungsleiters ab, jedoch Hierbei werden die folgenden illustrativen Daten nicht weiter als bis V_{y m}i_n = —0,8 Volt, wobei angeangewendet: nommen wird, daß die Basis-Emitter-Kniespannung

+2,5 Volt des Transistors 408 0,6 Volt beträgt. In dieser Phase —6 Volt ³° kann ein Ladestrom vom Ausgang der Impulsquelle + 1 9 Volt *^ ^aus>d'^{e eme} Ausgangsspannung V_T von +4 Volt „'„,, _1t aufweist, über den Regenerierungskondensator Cr und —υ,ο tuu Q_6n Transistor 408 zürn selektierten »Kreuzpunkt« +4,6 Volt fließen. Die Streukapazität C_y wird entladen und der + 2,2VoIt 35 Entladestrom fließt gleichfalls zum selektierten »Kreuzpunkt«. Im selektierten »Kreuzpunkt« wird der Konin F i g. 4 ist ein »Kreuzpunkt« des Matrixspeichers densator C_xy durch den Basisstrom des Transistors T_xy dargestellt. An den y-Erregungsleiter desselben, in der geladen. Dieser Basisstrom ist ein Bruchteil 1/«' desFigur durch einen Kreis dargestellt, ist die Bitregene- jenigen Stroms, der zu jenem Kreuzpunkt fließt, rierungsschaltung 400 angeschlossen. An den A^--Er- 40 worin cc' den Stromverstärkungsfaktor des Tranregungsleiter des »Kreuzpunkts« ist die Impulsquelle sistors T_xy darstellt.

401 angeschlossen. Die Bitregenerierungsschaltung 400 Die Spannung K_cr des Regenerierungskondensa-

ist an die Impulsquelle 402,403 und 404 angeschlossen. tors C_r am Ende der Phase Z₃ ist eine Funktion dei

Die Impulsquelle 404 wird vorläufig außer Betracht Spannung V_cxv des Kondensators C_xy zu Anfang

gelassen. Das Regenerieren eines Bits erfolgt in vier 45 dieser Phase.

aufeinanderfolgenden Zeitphasen, die in Reihenfolge Wird der Ladevorgang des Regenerierungskonden·

mit Z₁, Zj, Z₃ und die Z₁ bezeichnet werden. Die Impuls- sators C_r und des »Kreuzpunkts« in Einzelheiten be

quellen 402 und 403 sind dauernd im Betrieb, während trachtet, so stellt sich heraus, daß der Ladestrom de:

die Impulsquelle 401 nur dann wirksam geschaltet »Kreuzpunktes« bei Werten von V_cxv, die größer sine

wird, wenn der »Kreuzpunkt« selektiert werden muß. so als ein bestimmter Wert, vollständig durch den Kon

Die Impulsquellen 402 und 403 und die Impulsquelle densator C_y geliefert wird. Die Spannung des y-Er

401 liefern, wenn letztere in Betrieb ist, in den vier regungsleiters wird dabei nicht hinreichend negativ Phasen Z₁, ...,Z₁ die im folgenden in Tabellenform um den Transistor408 leitend zu machen. Um dei wiedergegebenen Spannungen. Transistor 408 leitend zu machen, muß die Span

55 nung V_y wenigstens bis auf V_{v m}in = —0,8 Volt ab

~ nehmen, wobei berücksichtigt wird, daß die Basis

ίί il Ί ! spannung —0,2 Volt und die Basis-Emitter-Kniespan

401(K₁) 0 0 -6VoIt +2,5VoIt "ung 0,06 Volt beträgt. Unter Verwendung der fol

402 — 6VoIt +0,6VoIt -0,6 Volt —0,6VoIt 403(Kr) +4VoIt +4VoIt +4 Volt +8 Volt

In der Phase Z₁ des Regenerierungsumlaufs bricht der Emitter-Basis-Übergang des Transistors 405 durch

die —6 Volt-Ausgangsspannung der Impulsquelle 402 65 kann errechnet werden, daß der Transistor 408 nich

in Sperrichtung durch. Die Durchbruchsspannung be- leitend und der Regenerierungskondensator CV niet

trägt angenommen 5,5 Volt. Mittels dieses Emitter- aufgeladen wird, wenn zu Beginn der Phase

Basis-Durchbruchs wird die Streukapar.ität C„ des V_cxy > 3,3 Volt ist. Die Spannung V_y sinkt dan

Vx	maX —
Vx	min =
Vy	max —
Vy	min =
A	=
B	=

genden	60	Werte:	Cy	= 8pF
		Cxy	= 0,08 pF
		«'	== 60

" r

10

nicht auf V_{y m}tn = —0,8 Volt, sondern hat einen linie a ist V'_cxy > 4,9 Volt für V_cxy > 4,1 Volt, so

positiveren Wert. daß die Kennlinie c von diesem Wert ab parallel zur

Wenn zu Beginn der Phase t₃ V_cxy < 3,3 Volt ist, Horizontalachse in einer Höhe von A' = 4,9 Volt

so wird der Transistor 408 leitend und nimmt der verläuft.

F-Erregungsleiter die Spannung V_{y mtn} = 0,8 Volt 5 Danach wird der Fall betrachtet, daß zu Beginn der

an. Der Kondensator C_xy des selektierten Kreuz- Phase /₄ V_cr > 2,7 Volt ist. Die Spannung des Y-Er-

punkts wird dann auf den Wert A = 4,6 Volt geladen. regungsleiters am Ende der Phase t₃ beträgt in diesem

Wenn zu Beginn der Phase t₃ V_cxy > 3,3 Volt ist, so Fall V_{y mtn} = 0,8 Volt. Wenn V_cr > 2,7 Volt ist, so

wird die Spannung am Ende der Phase /₃ durch die ist die erhöhte Spannung V_r in der Phase /₄ gerade

folgende Beziehung gegeben: to nicht so groß, daß die Zener-Diode 410 durchbricht

und sie bleibt V_y während der Phase J₄ gleich V_{y m}<„

v' — (f, V -i- S4V16 (9^ ⁼ —0,8 Volt. Infolge der Erhöhung von V_x auf

sator C_xy des selektierten »Kreuzpunkts« über die

worin V_cxy die Spannung zu Anfang und V'_cxy die 15 Zener-Diode Z_xy auf V"_cxy = +2,2 Volt entladen. Spannung am Ende der Phase t₃ darstellt. Der Zu- Der Entladestrom fließt in den Kondensator C_y. Die sammenhang zwischen V'_cxy und V_cxy für alle Werte Spannung des Kondensators C_y ändert sich hierdurch von V_CXy ist in F i g. 5 dargestellt (Kennlinie a). kaum, da seine Kapazität lOOmal größer ist als die

Wenn zu Anfang der Phase t₃ V_cxy < 3,3 Volt ist, des Kondensators C_xy und in diesem Fall keine so wird der Regenerierungskondensator C_r auf eine ao Stromverstärkung durch den Transistor T_xy auftritt. Spannung aufgeladen, die durch die folgende Bezie- Vorstehendes kann unter Verwendung der Kennlinie b hung angegeben wird: einfach mit der Spannung V_cxy zu Anfang der Phase /₃

in Zusammenhang gebracht werden. Gemäß der

V_cr = 19,6 - 6 V_cxy (10) Kennlinie b ist V„ > 2,7 Volt bei V_cxy < 2,8 Volt,

35 so daß die Kennlinie c für V_cxy < 2,8 Volt zur Hori-

Diese Beziehung ist in F i g. 5 dargestellt (Kennlinie b). zontalachse in einer Höhe von 2,2 Volt parallel Wie aus der Beziehung (10) hervorgeht, wird in dieser verläuft.

Phase eine 6fache Verstärkung der Spannung V_cxy Die beiden beschriebenen Fälle sind Grenzfälle,

verwirklicht. Zwischen diesen Grenzfällen, d. h. bei 2,8 < V_exy

In der Phase f₄ wird die in dem Regenerierungs- 30 < 3,3 Volt, hat die Spannung V_y in der Phase /₄ kondensator C_r gespeicherte Information in den Kon- einen Wert zwischen V_ymt_n = —0,8 Volt und V_{y max} densator C_xy des selektierten »Kreuzpunkts« zurück- = +1,9 Volt und wird der Kondensator C_xy auf eine geschrieben. Die Impulsquelle 401 erhöht die Span- Spannung zwischen B = 2,2 Volt und A = 4,6 Volt nung V_x auf V_{x max} = +2,5VoIt und die Impuls-- entladen. Zwischen V"_cxy und V_cxy besteht hierbei quelle 403 erhöht die Spannung V_r auf +8 Volt. Die 35 der durch die Kennlinie c im Bereich 2,8 < V_cxy erhöhte Spannung V_T wirkt über den Regenerierungs- < 3,3 Volt dargestellte lineare Zusammenhang,
kondensator CV und die Zener-Diode 410 auf die Die Kennlinie c durchschneidet die Grade V"_cxy

Basis eines Transistors 411 ein, dessen Emitter an den = V_cxy, in F i g. 5 gestrichelt dargestellt, in einem y-Erregungsleiter und dessen Kollektor an die Impuls- Punkt, in dem V_cxy «a 3 Volt ist. Dieser Wert von quelle 403 angeschlossen ist. 40 3 Volt ist der Diskriminierungswert der Regenerie-

Zunächst wird der Fall betrachtet, daß die Span- rungsschaltung 400. Spannungen, die höher sind als nung Vcr des Regenerierungskondensators C_r zu An- 3 Volt, werden nach einem oder mehreren Regenefang der Phase /₄ gleich 0 Volt ist. Infolge der Er- rierungsumläufen bis A' = 4,9 Volt, und Spannungen, höhung der Spannung V_r auf +8 Volt bricht die die niedriger sind als 3 Volt, nach einem oder meh-Zener-Diode 410 durch und wird der Transistor 411 45 reren Regenerierungsumläufen bis B == 2,2 Volt leitend. Mit Rücksicht auf eine Durchbruchspannung regeneriert.

von 5,5 Volt und eine Basis-Emitter-Kniespannung von Eine gespeicherte binäre »0« wird unter Anwendung

0,6 Volt wird die Spannung V_y auf V_{y max}= +1,9 Volt der Regenerierungsschaltung 400 durch den Wert A' erhöht. Der Maximalwert der Spannung V'_cxy am = 4,9 Volt anstelle von durch den Wert A = 4,6 Volt Kondensator C_xy, bei der die Zener-Diode Z_xy gerade 5° charakterisiert. Dies ist eine Folge der Tatsache, daß noch nicht durchbricht, beträgt A' = 4,9 Volt. Wenn dann, wenn zu Anfang der Phase t₃ V_cxv > 3,3 Volt V'cxy < 4,9 Volt ist, so behält de- Kondensator C_xy ist, der Ladestrom für den Kondensator C_xy völlig diese Spannung. Wenn V'cxy > 4,9 Volt ist, so wird durch den Kondensator Cy geliefert wird, wodurch V₁ der Kondensator C_xy über die Zener-Diode Z_xy auf nicht bis auf V_{y mi}„ = —0,8 Volt abnehmen kann A' = 4,9 Volt entladen. 55 und der Kondensator C_xy in der Phase /,, auf einen

Unter Verwendung der Kennlinien a und b nach höheren Wert als 4,6 Volt aufgeladen wird. Wie aus F i g. 5 kann das Vorstehende einfach mit der Span- der Kennlinie c, F i g. 5 hervorgeht, wird bei nung Vcxy zu Anfang der Phase I₃ in Zusammenhang 3,3 < V_cx._y < 4,1 Volt nach zwei vollständigen Regebracht werden. Die Spannung des Kondensators C_xy generierungsumläufen der Wert A' = 4,9 Volt eram Ende der Phase /₄ wird hierbei mit V"_cxy bezeich- So reicht.

net. Der Zusammenhang zwischen V"_cxv und V_cxy Zum Lesen und Schreiben von Information aus und

ist in F i g. 5 dargestellt (Kennlinie c). Vorstehendes in einem »Kreuzpunkt« enthält die Rege:nerierungsbezieht sich auf den Fall, daß die Spannung V„ gleich schaltung 400 zusätzliche Schaltungselemente. Dies 0 Volt ist. Gemäß der Kennlinie b tritt dies für sind die Transistoren 412, 413 und 414. Die an den Vcxy > 3,3 Volt auf. Nach der Kennlinie a ist 65 Emitter des Transistors 412 angeschlossene Impuls- V'ciy < 4,9 Volt für 3,3 < V_cxv < 4,1 Volt, so daß quelle 404 ist imstande, in der Phase t_x einen Schreibedie Kennlinie c für diesen Wertbereich von V_cxy mit strom zu liefern. Ein Lese-Schreibumlauf bestehl der Kennlinie a zusammenfällt. Gemäß der Kenn- ebenso wie ein Regenerierungsumlauf aus den viei

Phasen t_u ί₂. t₃ und t_t. Die Wirkungsweise der Regenerierungsschaltung 400 in den Phasen J₁ und f₂ eines Lese-Schreibumlaufs ist mit der Wirkungsweise in den Phasen Z₁ und t₂ eines Regenerierungsumlaufs identisch. Die Selektion der A^Erregungsleiter des »Kreuzpunkts« in den Phasen /₃ und r₄ eines Lese-Schreibumlaufs erfolgt auf dieselbe Weise wie in den Phasen t₃ und /., eines Regenerierungsumlaufs.

Die Transistoren 413 und 414 dienen zur y-Selektion des Kreuzpunkts. Die Basis des Transistors 413 ist über einen Widerstand 415 mit einer Spannungsquelle 416 mit einer Spannung V_s — +0,2 Volt verbunden.

Während der Regenerierung liegt wenigstens einer der Emitter des Multi-Emittertransistors 414 derart auf einer negativen Spannung, daß die Basis des Transistors 413 eine niedrigere Spannung als —0,2 Volt aufweist. Der Emitter des Transistors 413 ist mit dem Y-Erregungsleiter verbunden. Mit einer Basisspannung, die niedriger ist als —0,2 Volt, und einer Basis-Emitter-Kniespannung von 0,6 Volt ist der Transistor 413 bei F„> V„ _min = 0,8 Volt nicht mehr leitend. Der y-Erregungsleiter wird in den Phasen t₃ und /₄ dadurch selektiert, daß die Spannung aller Emitter des Transistors 414 derart erhöht wird, daß der Transistor 414 keinen Strom mehr führt. Die Basis des Transistors 413 erhält dann die Spannung KS = 0,2VoIt.

In der Phase /₃ wird V_x auf V_{x m}<„ = —6 Volt verringert. Die Spannung V_y kann nicht weiter abnehmen als zur Basisspannung des Transistors 413, verringert um die Basis-Emitter-Kniespannung, d. h. V'_{y min} = V, —0,6 Volt = —0,4 Volt. Der Wert von V'_{y m<}„ ist um 0,4 Volt höher als der Wert von V_{y min} während der Phase t₃ des Regenerierungsumlaufs (V_{υ min} = V_vnin +0,4VoIt). Infolgedessen ist der Transistor 408 nichtleitend. Ist im Kreuzpunkt eine binäre »1« gespeichert, so fließt über den Transistor 413 ein Ladestrom zum Kreuzpunkt, wodurch der Kondensator C_xy des Kreuzpunkts auf V_exy = A +0,4VoIt = 5 Volt geladen wird. Der Ladestrom wird durch die an den Kollektor des Transistors 413 angeschlossene Detektionsschaltung 417 detcktiert, die am Ausgang desselben die aus dem »Kreuzpunkt« gelesene binäre »1« anzeigt. Der Transistor 408 leitet nicht, so daß der Regenerierungskondensator C_r nicht aufgeladen wird. Eine binäre »0« unterscheidet sich von einer binären »1« durch die Abwesenheit eines Ladestromes, d. h. eines viel kleineren Ladestromes. Voraussetzung hierzu ist natürlich, daß die gespeicherte Information mit einer hinreichenden Frequenz regeneriert wird, um eine Degeneration der Information zu

ίο verhindern.

In der Phase I₁ kann eine Information in den selektierten »Kreuzpunkt« geschrieben werden. In der Phase i₄ des Lese- und Schreibumlaufs wird ebenso wie in der Phase Z₁ eines Regenerierungsumlaufs die Spannung V_r der Impulsquelle 403 auf +8 Volt erhöht.

Wenn weiter nichts geschieht, so wird, da K_cr

= OVoIt, V_v auf V_ymax = +1,9VoIt erhöht. V_x wird in dieser Phase auf V_x max = +2,5 Volt erhöht.

Der Kondensator C_xy wird dann über die Zener-Diode Z_xy auf Ä = 4,9 Volt entladen. Hierdurch ist in den »Kreuzpunkt« eine binäre »0« geschrieben. Soll eine binäre »1« geschrieben werden, so wird die Stromquelle 404 in Betrieb gesetzt. Der Transistor 412 führt dann in der Phase i₄ einen Strom, der den Regenerierungskondensator C_r schnell auflädt. Ergebnis ist, daß die Erhöhung von V_r unwirksam bleibt und daß V_y denselben Wert V_{y mi}„ = V_{y min} +0,4 Volt hat wie in der Phase r₃. Das Ergebnis hiervon ist, daß der Kondensator C_xy über die Zener-Diode Z_xy bis auf den Wert B +0,4 Volt = 2,6 Volt entladen wird. Nach einem einzigen Regenerierungsumlauf hat der Kondensator C_xv dann gemäß der Kennlinie c, F i g. 5, die Spannung V_cxy = B = 2,2 Volt, entsprechend einer binären »1«.

Die in der Beschreibung angegebenen Werte von Spannungen und Kapazitäten sind illustrative Werte. Die in der Praxis auftretenden Werte weichen hiervon ab, beispielsweise durch parasitäre Einflüsse, wie die der Emitter-Basis-Kapazität der »Kreuzpunkte«. Die vorgegebenen illustrativen Werte nähern sich den wirklichen Werten jedoch hinreichend an, um von dei Wirkungsweise des Matrixspeichers unter praktischer Umständen ein repräsentatives Bild zu vermitteln.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

des Halbleiterkristalls, so daß ein erheb'icher Bedarf Patentansprüche: für die Leitungen notwendig ist und sehr viele Lei tungskreuzungen auftreten, für die besondere Isola-

1. Matrixspeicher mit Zeilen- und Spaltenleitun- tionsmaßnahmen notwendig sind.

gen und an deren Kreuzungsstellen angeordneten 5 Aus der US-PS 33 73 295 ist ein Speicherelement Speicherelementen aus je einer Kapazität und bekannt, das ebenfalls aus einem Feldeffekttransistor einem Transistor, von dem mindestens ein An- und einer Kapazität besteht, wobei hier die Kapazität schluß mit dem zugehörigen Zeilenleiter und ein zwischen dem Steuereingang und einem der beiden weiterer Anschluß mit dem zugehörigen Spalten- anderen Anschlüsse des Feldeffekttransistors angeleiter verbunden ist, dadurch gekenn- io ordnet ist. Dieses Speicherelement benötigt jedoch ζ e i c h η e t, daß jedes Speicherelement ein Zwei- vier Anschlüsse, und ein matrixförmiger Aufbau aus pol ist und einen bipolaren Transistor (T_xy) ent- vielen Speicherelementen ist nicht angegeben, hält, dessen Emitter mit der zugehörigen Spalten- Bei der Anzahl von Anschlüssen, die bei bekannten

leitung (X) und dessen Kollektor mit der züge- Speichern je Speicherelement benötigt werden, wird hörigen Zeilenleitung (Y) verbunden ist und daß 15 bei der Integration vieler Speicherelemente in einem die Kapazität (C_xy) zwischen Kollektor und Basis Halbleiterkristall die erreichbare Dichte der Speicherdes Transistors (T_xy) angeordnet ist. elemente durch die Leitungen begrenzt.

2. Matrixspeicher nach Anspruch 1, dadurch ge- Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Matrixkennzeichnet, daß die Kollektoren jeweils aller mit speicher anzugeben, bei dem die Dichte der Speicherderselben Zeilenleitung (Y) verbundenen Tran- 20 elemente im wesentlichen nur durch die Größe der sistoren (T_xy) durch einen durchgehenden, ent- Speicherelemente selbst und nicht wesentlich durch sprechend dotierten Streifen (305, 306) in einem die Verdrahtung bestimmt ist. Diese Aufgabe löst die Halbleiterkristall (300) gebildet sind und dieser Erfindung durch die im Kennzeichen des Haupt-Streifen gleichzeitig die Zeilenleitung darstellt. anspruchs angegebenen Merkmale. Bei diesem Matrix-

3. Matrixspeicher nach Anspruch 2, dadurch ge- »5 speicher besitzt jedes Speicherelement nur zwei Ankennzeichnet, daß die Streifen (305, 306) für ver- Schlüsse, da die Basis nicht direkt angeschlossen ist. schiedene Zeilenleitungen (Y) in einem Halbleiter- Die Spannung der Basis läßt sich jedoch durch die kristall (300) gegeneinander isoliert angeordnet Spannung am Emitter über die leitende Emitter-Basissind. Diode oder bei umgekehrter Spannungspolarität über

4. Matrixspeicher nach einem der Ansprüche 1 30 die Zenerwirkung der gesperrten Emitter-Basis-Diode bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Tran- beeinflussen, im Gegensatz zu einem Feldeffekttransistor (T_xy) zwischen dem Basisgebiet (312) und sistor, wo die Spannung am Steueranschluß praktisch dem Kollektorgebiet (300) ein durch eine Emitter- nicht durch die Spannungen an den Hauptanschlüssen diffusion gebildetes Halbleitergebiei (316) vorge- beeinflußt werden kann.

sehen ist. 35 Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand

5. Matrixspeicher nach Anspruch 2 oder 3, da- der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

durch gekennzeichnet, daß zwischen jeweils zwei F i g. 1 eine schematische Darstellung eines erfin-

aufeinanderfolgenden, in demselben Streifen (305, dungsgemäßen Matrixspeichers,

306) angeordneten Transistoren (T_xy) zwischen F i g. 2 das Ersatzschema des in F i g. 1 darge-

den Basisgebieten (312) und den Kollektorgebieten 40 stellten Speichers,

(300) der beiden Transistoren ein durch eine F i g. 3 ein Beispiel einer integrierten Ausführung

Emitterdiffusion gebildetes Halbleitergebiet (316) des in F i g. 1 dargestellten Speichers,

vorgesehen ist. F i g. 4 eine Bitregenerierungs-Selsktionsschaltung,

6. Matrixspeicher nach Anspruch 1 oder einem F i g. 5 einige Kennlinien zur Erläuterung der der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zum 45 Wirkungsweise der in F i g. 4 wiedergegebenen Bit-Einschreiben einer binären Information des einen regenerierungsschaltung.

Wertes in einen Transistor (T_xy) die zugehörige In F i g. 1 ist in schematischer Form ein erfindungs-

Zeilenleitung(y) eine positive Spannung gegenüber gemäßer Matrixspeicher dargestellt. Der Matrixspeider zugehörigen Spaltenleitung (X) erhält, daß eher enthält k Streifen aus η-leitendem Halbleiterzum Einschreiben einer binären Information des 50 material 100-0,100-1, ..., 100-fc, wobei nur die ersten anderen Wertes die zugehörige Zeilenleitung (Y) beiden und der letzte der Streifen in der Figur dardanach eine negative Spannung gegenüber der gestellt sind. Es kann beispielsweise k — 32 sein, zugehörigen Spaltenleitung erhält. Diese Streifen enden in den y-Erregungsleitern T₁,

Y₂, ..., Yk- Entlang jedem Streifen liegen 14 Gebiete 55 aus p-leitendem Halbleitermaterial verteilt, die mit

dem Streifen jeweils einen p-n-Übergang bilden. An

jedem p-Gebiet liegt ein Gebiet aus η-leitendem Halbleitermaterial, das mit dem p-Gebiet einen p-n-Uber-

Die Erfindung betrifft einen Matrixspeicher nach gang bildet. Ein η-Gebiet und ein p-Gebiet, die einen dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ein derartiger 60 p-n-Übergang bilden, und der Teil des Streifens aus Matrixspeicher ist bekannt aus der US-PS 33 87 286, η-leitendem Material, der mit dem p-Gebiet einen wobei jedes Speicherelement aus einem Feldeffekt- p-n-Übergang bildet, werden im folgenden Kreuztransistor und einer Kapazität besteht. Jedes Speicher- punktelement oder kurz »Kreuzpunkt« genannt. Jedes slement dieses bekannten Speichers benötigt außer Kreuzpunktelement ist auf an sich bekannte Weise dem für alle Feldeffekttransistoren gemeinsamen Sub- 65 derart hergestellt, daß die beschriebene n-p-n-Struktur stratanschluß drei Anschlüsse für jeweils eine Zeilen- die Eigenschaften und Wirkungsweise eines n-p-nleitung und zwei getrennte Spaltenleitungen. Dabei Transistors hat, dessen Emitter durch das n-Gebiet, verlaufen alle Leitungen auf der gleichen Oberfläche dessen Basis durch das p-Gebiet und dessen Kollektor