DE2223341A1

DE2223341A1 - Speicherelement und daraus aufgebauter dynamischer randomspeicher

Info

Publication number: DE2223341A1
Application number: DE19722223341
Authority: DE
Inventors: Francis Blanchet; Joseph Borel; Jacques Lacour; Eugene Mackowiak
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1971-05-12
Filing date: 1972-05-12
Publication date: 1973-07-19
Also published as: FR2137069B1; JPS5650421B1; DE2223341C3; DE2223341B2; FR2137069A1; GB1365218A

Description

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4.10-18.75OP 12. 5· 1972

Commissariat a !'Energie Atomique. Paris

(Frankreich)

Speicherelement und daraus aufgebauter dynamischer Randomspeicher

Die Erfindung betrifft ein Speicherelement oder einen Speicherpunkt, d. h. eine Elementareinrichtung, die zwei unterschiedliche physikalische Zustände annehmen kann, die im allgemeinen mit ¹¹O" und "1" zu bezeichnen sind. Die Erfindung betrifft ferner einen dynamischen Randomspeicher (zur Bezeichnung vgl. DIN 44300, Entwurf vom August 1968) auch Speicher mit wahlfreiem oder direktem Zugriff genannt, der mehrere derartige Speicherelemente aufweist*. Die Bezeichnung "dynamisch" bedeutet hier, daß die im Speicher enthaltenen Informationen nicht unendlich lange gespeichert, sondern im Laufe der Zeit von selbst gelöscht werden, so daß es für ihre Aufrechterhaltung notwendig ist, sie periodisch zu regenerieren. Diese Speicher haben einen wahlfreien Zugriff, d. h. einen direkten Zugriff anstelle

41O-(B 4o69.3)-Hd-r (7)

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eines zyklischen Zugriffs zur gespeicherten Information,
die an einem ausgewählten Speicherelement oder in der
Zeile eines angesteuerten Worts vorhanden ist, die aus
mehreren parallel geschalteten Speicherelementen besteht.

Da die Speicher mit immer größer werdenden Speicherkapazitäten realisiert werden, sucht man sie aus gedruckten oder integrierten Schaltungen aufzubauen, die eine große Anzahl von Speicherelementen zusammenfassen. Die bekannten Anordnungen von Speicherelementen wie Ferritkerne sind nicht anwendbar, weshalb man bemüht ist, Vorrichtungen aus Halbleitern zu fertigen, die leicht in Form gedruckter oder integrierter Schaltungen hergestellt werden können. Die Strukturen oder Transistoren, die mit der Abkürzung MOS (Metall-Oxid-Semiconductor (Halbleiter)) bezeichnet sind, haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da sie meistens gebildet sind durch ein Halbleitersubstrat (z. B. η-Silizium), eine dünne Halbleiteroxidschicht (im vorliegenden Fall SiO₂) und eine Metallelektrode (z. B. Aluminium). Im folgenden soll unter der
Abkürzung MOS verstanden werden, daß damit auch eine Struktur bezeichnet sein kann, die nicht diesem speziellen
Schema unterliegt; die Isolierschicht braucht nicht aus
einem Siliziumoxid hergestellt zu sein, sondern kann auch aus einem anderen Isoliermaterial, z. B. einem Nitrid (MIS-Struktur: Metall-Isolierstoff-Semiconductor (Halbleiter)) gefertigt sein, und die Elektroden können z. B₀ aus stark dotiertem Silizium oder einem anderen Metall bestehen.

Es ist bereits ein dynamischer Randomspeicher bekannt, dessen Speicherelemente jeweils aus drei MOS-Transistoren bestehen: einem Transistor zum Speichern der In-

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formation und zwei Transistoren zum Ansteuern des Speichertransistors, wobei der eine zur Schreibansteuerung und der andere zur Leseansteuerung dient. Das Arbeitsprinzip dieses Speicherelemente ist, Information in der Eingangskapazität des MOS-Transistors zu speichern, wobei diese Kapazität zwischen der Gatterelektrode des MOS-Transistors und dem Substrat ausgebildet ist. In diesen Speicherelementen liegt die Kapazität des Senken-Substrat-Übergangs des Leseansteuertransistors parallel zur Gatter-Substrat-Kapazität des Speichertransistors. Der Leckstrom dieses Übergangs entlädt die Speicherkapazität mit einer Zeitkonstante von einigen ms„ Die Information muß daher durch wiederholtes Schreiben, z. B. alle 2 ms, regeneriert werden. Diese Speicher sind also dynamisch. Falls der Speicher nicht systematisch an allen seinen Adressen in einem Zeitintervall abgefragt wird, das kleiner als 2 ms ist, muß ein Teil der Zeit vorgesehen werden, um alle im Speicher enthaltenen Informationen zu regenerieren. Der Grad der Komplexität, der durch Substrat(Halbleiter)-Plättchen mit diesen Speichern erreicht wird, beträgt 1024 Speicherelemente, wobei jedes eine Fläche von etwa 6000 /van einnimmt .

Es sind ferner dynamische Register mit Ladungstransport oder -verschiebung bekannt, die durch eine Ausrichtung völlig identischer Elektroden gebildet sind. Durch Anlegen geeigneter Potentiale an die Elektroden verschiebt man allmählich die Ladungen zur Nähe der Halbleiteroberfläche.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Speicherelement und einen dynamischen Randomspeieher zu schaffen, die besser

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als die bekannten den Anforderungen an die Praxis genügen, indem ihre Fertigungsausbeute höher ist, die Dichte der Speicherelemente bedeutend größer sein kann, die Speicherzeit der Information viel länger ist, der Verbrauch an elektrischer Energie sehr gering und der Pegel des Ausgangssignals vor Verstärkung relativ hoch ist (ungefähr zehnmal höher als bei den Magnetspeichern mit Kernen, ebenen Schichten oder Drähten).

Ein Speicherelement ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch ein dotiertes Halbleitersubstrat, das auf einer seiner Flächen aufweist einerseits eine der Ladungsspeicherung zugeordnete Elektrode und mindestens eine Steuerelektrode, wobei diese Elektroden Seite an Seite angeordnet und von dem Halbleitersubstrat durch eine dünne Schicht aus einem elektrischen Isolierstoff getrennt sind, und andererseits eine Elektrode zur Eingabe und Ausgabe von Information in Kontakt mit dem Halbleitersubstrat, wobei die Elektrode zur Eingabe und Ausgabe von Information von der Speicherelektrode durch die Steuerelektrode getrennt ist; durch eine Einrichtung zur Injektion von Ladungen unter der Speicherelektrode, durch eine Einrichtung, die an die Elektroden in vorgegebener Weise zeitabhängige Potentiale bestimmten Werts anlegt, und durch eine Leseeinrichtung, um das Auftreten von Ladungen an der Elektrode zur Eingabe und Ausgabe von Information zu erfassen, wobei das Speicherelement auf der Grundlage des örtlichen Festhaltens von Ladungen ausgeführt ist.

Vorzugsweise besteht die Elektrode zur Eingabe und Ausgabe von Information aus einer mit Minoritätsträgern dotierten Zone; ist die Einrichtung zur Ladungseinspeisung

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durch einen Spanngenerator gebildet, der an die Elektrode zur Ein- und Ausgabe von Information angeschlossen ist, und ist es zweckmäßig, daß die Einrichtung zum Anlegen der Potentiale die Speicherelektrode auf ein Potential (V₂)* den Steuerelektroden auf drei Potentialpegel V₁, 0 und V~ mit { V J > JV₂ f >|V₁J und die Elektrode zur Eingabe und Ausgabe von Information auf zwei Potentialpegel 0 und V„ bringen kann, wobei das Bezugspotential das des dotierten Halbleitersubstrats ist, und daß die Leseeinrichtung durch einen Verstärker gebildet ist, der an die Elektrode zur Eingabe und Ausgabe von Information angeschlossen ist.

Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann das Speicherelement entweder eine einzige Steuerelektrode oder zwei Steuerelektroden haben, die Seite an Seite angeordnet sind und gleichzeitig auf identische Span-= nungspegel gebracht werden können, wenn das Speicherelement angesteuert wird.

Die Erfindung gibt ferner an einen ersten dynamischen Randomspeicher, bei dem die Speicherelementansteuerung wortweise vorgenommen wird, gekennzeichnet durch mindestens eine Anordnung von m.n Speicherelementen, die auf demselben Substrat in Form einer Matrix mit η Zeilen, die die Wortzeilen bilden, und m Spalten angeordnet sind, wobei die Elektroden zur Eingabe und Ausgabe der Information der Speicherelemente durch m parallele Bänder gebildet sind, die die Ziffernspalten bilden, wobei eine Spalte η Speicherelektroden, η Steuerelektroden und ein Band aufweist, wobei alle Speicherelektroden auf denselben Spannungspegel V„ vorgespannt werden können, alle m Steuerelektroden derselben Zeile elektrisch untereinander verbunden und auf

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drei Potentialpegel V₁, 0 und V„ bringbar sind und wobei das eine der beiden Enden jedes Bandes entweder an einem Verstärker oder an einem Schreibspannungsgenerator angeschlossen ist, der die Werte 0 und V„ annehmen kann»

Schließlich schafft die Erfindung einen zweiten dynamischen Randomspeicher, bei dem die Ansteuerung der
Speicherelemente entlang zweier Achsen X, Y vorgenommen
wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung von χ · y Speicherelementen vorgesehen und auf ein und demselben
Substrat in Form einer Matrix mit χ Zeilen und y Spalten angeordnet ist, daß die Elektroden zur Eingabe und Ausgabe von Information der Speicherelemente durch y Bänder gebildet sind, die die Ziffernspalten darstellen, daß
eine Spalte χ Speicherelektroden, χ erste Steuerelektroden, χ zweite Steuerelektroden und ein Band hat, daß alle Speicherelektroden auf denselben Spannungspegel V_? vorgespannt werden können, daß alle y ersten Steuerelektroden ein und derselben Zeile elektrisch untereinander verbunden sind, daß alle χ Steuerelektroden ein und derselben Spalte elektrisch untereinander verbunden sind, daß die ersten
und zweiten Steuerelektroden gleichzeitig auf drei Spannungspegel V₁, 0 und V„ bringbar sind, und daß das eine
der beiden Enden jedes Bandes an einen Verstärker und einen Spannungsgenerator anschließbar ist, der die Werte 0 und V~ annehmen kann.

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

Fig. 1 schematisch im Schnitt ein Speicherelement gemäß der Erfindung;

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Fig. 2 a - 2 c das Arbeitsprinzip des Speicherelemente beim Schreiben, Speichern und Lesen von Information;

Figo 3 die Vorspannungspegel jv| (als Betragswerte), die an die verschiedenen Bestandteile des Speicherelements angelegt werden, um die in Figo 2 gezeigten Funktionen zu erhalten;

Fig. k schematisch das Prinzip eines Speichers gemäß der Erfindung, bei dem die Speicherelemente nur eine einzige Steuerelektrode haben;

Fig. 5 das Ersatzschaltbild des Speichers von Fig_o h;

Fig. 6 schematisch die ¥ortorganisation eines Speichers gemäß der Erfindung, von dem die Speicherelemente nur jeweils eine einzige Steuerelektrode aufweisen; und

Fig. 7 schematisch eine Organisation entlang von zwei senkrechten Achsen X und Y eines Speichers gemäß der Erfindung, in dem jedes Speicherelement zwei Steuerelektroden A und B hat.

Im Speicherelement gemäß der Erfindung ist die Information durch elektrische Ladungen dargestellt, die man in einer Raumladungszone speichert, die an der Oberfläche des Halbleiters durch die Speicherelektrode in einer MOS-Struktur gebildet ist, wobei das Lesen dieser Information vorgenommen wird, indem diese Ladungen zu einer Elektrode zur Eingabe und Ausgabe von Information transportiert werden,

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vorzugsweise eine dotierte Zone. In Fig. 1 ist schematisch ein Speicherelement der Erfindung abgebildet, das ein Halbleitersubstrat 2 aufweist, das Majoritätsträger und Minori« tätsträger hat. Dieser Halbleiter kann z. B. n-Silizium sein, wobei die Majoritätsträger Elektronen und die Minoritätsträger Löcher (fiktive oder reelle positive Ladungen) sind, die durch +-Zeichen dargestellt sind. Das Halbleitersubstrat 2 hat an der Oberfläche eine Zone 4, die mit Minoritätsträgern dotiert ists Diese Zone ist vom p-Typ, wenn der Halbleiter vom η-Typ ist, und umgekehrt. Die Dotierung dieser Zone kann durch ein für sich bekanntes Diffusionsverfahren oder durch Ionenimplantation erfolgen. Eine dünne Schicht 6 aus elektrischem Isolierstoff befindet sich an der Fläche des Halbleiters, der die dotierte Zone k aufweist, und in der Nähe dieser Zone« Dieser elektrische Isolierstoff kann z_o B₀ ein Nitrid oder ein Oxid sein. Eine Elektrode 8 und mindestens eine Elektrode 10 sind Seite an Seite auf der Isolierschicht 6 aufgebrachte Die Elektrode oder die Elektroden 10 in der Nähe der dotierten Zone h werden Steuerelektroden genannt, während die Elektrode 8 die Informationsspeicherelektrode ist. Die Elektroden 8 und 10 und die dotierte Zone h sind zueinander ausgerichtet« Die Elektroden 8 und 10, die Isolierschicht 6 und der Halbleiter 2 bilden eine MOS-Struktur oder im allgemeineren Fall eine MIS-Struktur.

Die im Speicherelement enthaltene Information wird erhalten, indem die Potentialdifferenz zwischen der dotierten Zone k und dem Halbleiter abgenommen und geeignet verstärkt wird»

Das Speicherelement kann auch eine zweite, in Figo 1

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nicht dargestellte Steuerelektrode haben, die sich seitlich zur zweiten Steuerelektrode 10 befindet, wobei die Speicherelektrode 8, die beiden Steuerelektroden und die dotierte Zone k zueinander ausgerichtet sind.

Das Arbeitsprinzip des in Fig_o. 1 gezeigten Speicherelements ist in Fig. 2a, 2b und 2c für einen Halbleiter vom η-Typ und eine dotierte Zone vom p-Typ abgebildet» Wenn der Halbleiter vom p-Typ und die dotierte Zone vom η-Typ ist, bleibt das Arbeitsprinzip dasselbe, d. h. nur ein Vorzeichenwechsel der Spannungspegel V, immer gemessen relativ zum Substrat, ist erforderlich« Wenn man die Speicherelektrode 8 auf einen Vorspannungspegel V bringt, entsteht eine tiefe Raumladungszone unter dieser Elektrode bei Abwesenheit von Minoritätsträgern. Wenn durch irgendein Verfahren Löcher in den Halbleiter vom η-Typ injiziert werden₉ sammeln sich diese unter der Speicherelektrode in der Raumladungszone bis zu einer Große der verfügbaren Plätze, ungefahr 10 ' - 10 Plätze/cm . Die beiden Zustände des Speicherelements, die mit "0" und "1" bezeichnet sind, entsprechen dem Fehlen und der Anwesenheit von Minoritätsträgern, die örtlich unter der Speicherelektrode festgehalten oder fixiert sind.

Falls die Steuerelektrode 10 auf einen Spannungspegel V₁ mit |V_f > Iv₁ j (Absolutwert von V_ größer als Absolutwert von V ) und die dotierte Zone 4 auf einen Spannungspegel 0 (keine Vorspannung) gebracht wird, bildet sich im Inneren des Halbleiters ein Gradient des elektrischen Felds, der der Differenz der Tiefe der Raumladungszone entspricht (im Englischen "depletion layer"-Verarmungsschicht genannt). Die Löcher der Zone 4 werden nun unter der Speicherelek-

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trode 8 angezogen (Figo 2a), was dem Schreiben eines Zustands "1" entspricht« Wenn im Gegensatz dazu die Steuerelektrode 10 und die dotierte Zone h auf denselben Spannungspegel V„ gebracht werden mit |V,,[ >· JV₂J, werden die Ladungen (Löcher), die eventuell unter der Speicherelektrode 8 vorhanden sind, zur dotierten Zone k transportiert (Fig. 2c), und die im Speicherelement eingeschriebene Information wird gelesen und gleichzeitig ein Zustand "0" geschrieben, weil die Ladungen, die eventuell unter der Speicherelektrode 8 vorhanden waren, verschwunden sind« Die Kapazität der Diode, die durch die dotierte Zone h und das Substrat 2 gebildet ist, ladt sich also auf, wobei die Spannung an ihren Anschlüssen das Lesesignal darstellt. Die Fig. 2b entspricht dem Speichern von Informationen, wenn man diese letztere während einer bestimmten Zeit aufrechterhalten will. In diesem Fall hält man fest evtl. unter der Speicherelektrode 8 enthaltene Ladungen, indem man die Speicherelektrode 8 mit einem Vorspannungspegel V_? und die Steuerelektrode 10 sowie die dotierte Zone 4 mit demselben Pegel von Nullspannung beaufschlagt.

Das Diagramm der Spannungspegel V, das in Fig. 3 gezeigt ist, faßt die drei möglichen ΖμβΐΜηαβ des Speicherelements zusammen, die in Fig. 2 abgebildet sind. Der linke Teil des Diagramms entspricht dem Schreiben einer Information, der rechte Teil dem Lesen einer geschriebenen Information und der mittlere Teil dem Speichern einer geschriebenen Information.

Die Lebensdauer der Minoritätsträger, die in der Raumladungszone unter der Speicherelektrode 8 vorhanden sind, ist unbegrenzt, weshalb die Information durch wiederholtes

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Schreiben mit einer Periode unterhalb der Zeit der thermischen Erzeugung der Löcher in der Raumladungszone (etwa 1 s) regeneriert werden muß. Die Speicher, die aus den in Fig. abgebildeten Speicherelementen aufgebaut sind, sind also dynamische Speicher,

Es sei darauf hingewiesen,, daß die Diffusionszone 4 ersetzt werden kann durch einen Leiterniederschlag, der dieselben Funktionen ausübt % Der Leiter transportiert Information, und die Randschichtdiode, deren Kapazität durch die Ladungen aufgeladen wird, stellt Informationen dar, während deren Lesens.

Es ist also ersichtlich, daß das Speicherelement der Erfindung sich beträchtlich von Speichern mit Ladungstransport unterscheiden. In diesen ist im wesentlichen der Transportmechanismus grundlegend, so daß alle Transportelektroden identische Form und Abmessungen haben müssen. Im Gegensatz dazu spielt bei der Erfindung das Transportphänomen nur eine untergeordnete Rolle, da die Speicherfunktion im Festhalten der Ladungen und in deren Verschieben besteht; so kann beim Speicherelement der Erfindung die Steuerelektrode sehr verschieden von der Speicherelektrode sein, z. B. viel schmaler sein. Als Ausführungsbeispiel kann eine Speicherelektrode von 30 /um χ 30 /^m genommen werden, während die Steuerelektrode eine Abmessung ,von 30 /um χ 3 /um hat, also zehnmal schmaler ist. Man könnte ein Speicherwerk mit Ladungstransport bei derartigen unterschiedlichen Abmessungen benachbarter Elektroden nicht realisieren. Um besser die erfindungsgemäße Vorrichtung von den Vorrichtungen auf der Grundlage von Ladungstransport unterscheiden zu können, kann man sie daher als

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"Speicherelement mit örtlichem Festhalten von Ladung" bezeichnen. Außerdem dient beim erfindungsgemäßen Speicherelement die Elektrode 8 allein zum Speichern und nicht zum Transport von Ladungen» In den bekannten Einrichtungen spielt dagegen jede Elektrode wahlweise die Rolle einer Elektrode zum Speichern und zum Transporto Dies erlaubt für das erfindungsgemäße Speicherelement, die Speicherelektrode zu optimalisieren, um den Betrieb des Speichers zu verbessern (Größe der festgehaltenen Ladungen, Speicherzeit usw.), ohne sich um die Transportfunktion zu kümmern, die einer anderen unabhängigen Elektrode (der Steuerelektrode) zugeschrieben wird.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Speicher, der aus Speicherelementen von Fig. 1 aufgebaut ist, die auf ein und demselben Halbleitersubstrat ausgebildet sind, wobei jedes Speicherelement nur eine Steuerelektrode hat₀ Der Speicher hat n»m Speicherelemente in Form einer Matrix mit η Zeilen und m Spalten» Die dotierten Zonen der Speicherelemente, die jeweils zur selben Spalte gehören, sind durch eine einzige dotierte Zone in Form eines Bands 12 gebildet. Jede Spalte hat daher η Speicherelektroden 8, η Steuerelektroden 10 und ein einziges dotiertes Band 12. Die Steuerelektroden 10 ein und derselben Zeile sind elektrisch durch einen elektrischen Leiter 15 untereinander verbunden, der eine Wortzeile des Speichers bildet. Die dotierten Bänder 12 bilden jeweils eine Ziffernspalte oder -leitung des Speichers. Die Ansteuerung, durch Anlegen eines vorbestimmten Spannungspegels, einer Wortzeile hat zum Ergebnis das Schreiben oder Lesen eines Speicherelements, das sich am Schnittpunkt der Wortzeile und der Ziffernspalte befindet.

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An einem der beiden Enden jedes dotierten Bands 12 befinden sich ein Schreibspannungsgenerator 14 und ein Verstärker 16, die während des Schreibens bzw. während des Lesens angeschlossen sind. Alle Speicherelektroden 8 befinden sich auf demselben Spannungspegel V- mittels einer nicht gezeigten Einrichtung* Das Anlegen eines bestimmten Spannungspegels an einer ¥ortzeile 15, V. für das Schreiben und V„ für das Lesen, erlaubt die Ansteuerung aller Speicherelemente, die diese Wortzeile bilden«, Es genügt, anschließend die Ziffernspalten, die durch die dotierten Bän~ der 12 gebildet sind, auf einen Spannungspegel 0 oder V„ zu bringen, um die Speicherelemente anzusteuern, die sich am Schnittpunkt der angesteuerten Wortzeile und der angesteuerten Ziffernspalten befinden« Die Ziffernspalten dienen dazu, Information von den Speicherelektroden 8 zum Verstärker 16 für Vorspannungspegel zu transportieren, die dem Lesen entsprechen, und vom Schreibspannungsgenerator 14 zur Speicherelektrode 8 für Vorspannungspegel, die dem Schreiben entsprechen. Eine nicht gezeigte Umschaltvorrichtung ist dafür vorgesehen. Der Verstärker i6_t der allein zum Lesen verwendet wird, dient also dazu, die elektrische Spannung zu verstärken, die zwischen dem dotierten Band und dem Substrat auftritt. Der Schreibspannungsgenerator 14, der allein zum Schreiben verwendet wird, versorgt die dotierten Zonen 12 der Speicherelemente ein und derselben Spalte mit elektrischen Ladungen. Der Zugriff zur Information, die in einem Speicherelement des Speichers enthalten ist, ist also wahlfrei, da dieser Zugriff direkt erfolgt durch Ansteuern einer Wortzeile und einer Ziffernspalte, wobei die in dem m Kapazitäten 18 zur Speicherung dieses Worts enthaltene Information gleichzeitig an den m Ziffernspalten 12 auftritt«

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Fig. 5 zeigt ein Ersatzschaltbild des Speichers von Fig. k. Die MOS-Strukturen entsprechend einer Informationsspeicherung (Speicherelektrode 8) sind durch Kondensatoren 18 dargestellt. Letztere sind an die dotierten Bänder 12 über Schalter 20 angeschlossen, die die Steuerelektroden 10 darstellen. Der Schalter 20 eines Speicherelements ist offen, wenn dieses Speicherelement sich im Speicherzustand (Fig_a 2b) befindet, und geschlossen, wenn es den Schreib- oder Lesezustand (Fig. 2a oder 2c) einnimmt^ Die Kapazitäten 22 stellen die Kapazitäten der Ziffernspalten dar.

Die Menge der elektrischen Ladungen, die sich von der Speicherelektrode zur dotierten Zone 12 und umgekehrt verschieben, berechnet sich unter Kenntnis der möglichen Konzentration der Ladungsträger in der Raumladungszone» Man kann zeigen, daß für eine Vorspannung V_ größer 5 V diese Konzentration P größenordnungsmäßig 10 Atome/cm beträgt. Die Menge Q der sich bewegenden Ladungen wird durch folgenden Ausdruck erhalten?

Q = q « .P ο d · S,

mit q = elektrische Elementarladung (i,6 · 10~ C) d= Dicke der Raumladungszone und S = Oberfläche der Speicherelektrode 8.

Für P= 100 X, S = 900 /um² (30 /um « 30 /um) und P =

17 T
10 Atome/cm , welche Werte einen ungünstigen Fall darstellen, erhält mans

> 1,6 · ίο"*¹³ c

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Die verstärkte Potentialdifferenz Δν, die am Ausgang des Verstärkers 16 empfangen wird, hängt ab von der Summe C der Kapazität der Ziffernspalte und der Eingangskapazität des Verstärkers 16. Sie ist gegeben durch folgende Gleichung s

und damit

Die Kapazität der Ziffernspalte beträgt etwa 3 pF, so daß man vor der Verstärkung durch den Verstärker 16 eine Potentialdifferenz von etwa 50 mV erhält»

Das Ausführungsbeispiel eines Speichers gemäß der Erfindung, das in Fige 6 abgebildet ist und bei dem die Ansteuerung der Speicherelemente sich über Wortzeilen vollzieht, hat mehrere Anordnungen 2k, die mit der in Fig. k abgebildeten identisch sind, auf demselben Siliziumsubstrat. Ein Decodierer 26 für Wortzeilen erlaubt das Ansteuern der Wortzeile eines bestimmten Rangs jeder Anordnung 2.h, Die Leiter 15» die alle Steuerelektroden 10 derselben Wortzeile einer Anordnung Zk verbinden, sind durch MOS-Transistoren 28 an denselben Ausgang 30 des Decodierers 26 für Wortzeilen angeschlossen. Diese MOS-Transistoren 28 sind in die Leiter 15 mittels der Quellen- und Senkenelektrode zwischengeschalteto Die Gatterelektroden 32 der Transistoren 28 ein und derselben Anordnung Zk sind an denselben Ausgang 3k eines Decodierers 36 dieser Anordnung angeschlossen, der die Ansteuerung einer der Anord-

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— 1 O —

nungen 24 gestattet. Die MOS-Transistoren 28 können Schaltern ähnlich sein, die offen sind, wenn eine Vorspannung an den Gattereiektroden 32 angelegt wird, was der Ansteuerung einer der Anordnungen 24 entspricht» Alle dotierten Bänder 12 desselben Rangs sind über MOS-Transistoren 38 an einen Verstärker 16 und einen Schreibspannungsgenerator angeschlossen, die umschaltbar sind_o Die Gatterelektroden 4θ der MOS-Transistoren 38, die an den Ausgang der dotierten Bänder 12 ein und derselben Anordnung 24 angeschlossen sind, sind mit demselben Ausgang 3h des Decodierers 36 verbundene Die Ansteuerung einer der Anordnungen 24 mittels des Decodierers 36 erlaubt, die Transistoren 38 ein und derselben Anordnung leitend zxi machen* Dieser in Figo 6 gezeigte Aufbau entspricht daher einer Wortorganisation, da man alle Wortzeilen desselben Rangs der Anoi~dnungen über den Decodierer 26 und eine der Anordnung 24 mittels des Decodierers 36 und der MOS-Transistoren 28 und 38 ansteuert» Am Ausgang des Verstärkers 16 erhält man also nicht die in einem einzigen Speicherelement enthaltene Information, sondern die Information, die allen Speicherelementen der Wortzeile von vorbestimmtem Rang einer bestimmten Anordnung 24 enthalten sind.

Der in Fig, 7 abgebildete Speicher entspricht einer Informationsansteuerung entlang von Achsen X und Y₀ Diese Organisation greift auf Speicherelemente zurück, die jeweils zwei Steuerelektroden A und B haben. Diese Speicherelemente mit zwei Steuerelektroden sind wie in Fig* 4 in Form einer Matrix angeordnet. Der in Fig, 7 gezeigte Speicher hat mehrere Anordnungen 42, die jeweils auf ein und demselben Substrat eine Matrix bilden,, Die dotierten Bänder 12 ein und derselben Anordnung 42 sind parallel über

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MOS-Transistoren 44 an den Eingang eines Verstärkers 16 und eines Schreibspannungsgenerators 14 angeschlossen, die wie oben umschaltbar sind.* Die dotierten Bänder 12 sind an den Schreibspannungsgenerator 14 und an die Verstärker 16 über die Senken- und Quellenelektrode von MOS-Transistoren 44 angeschlossene. Alle Steuerelektroden A, die zu einer Zeile desselben Rangs aller Anordnungen 42 gehören, sind elektrisch über einen Leiter 46 mit einem Ausgang 48 eines Decodierers 50 entlang der Achse X verbunden, die in Fig. 7 einer vertikalen Achse entspricht» Die Steuerelektroden B, die zu einer Zeile desselben Rangs alle Anordnungen 42 gehören, sind elektrisch über Leiter 52 mit einem Ausgang 54 eines Decodierers 56 entlang der Achse X verbunden, die einer horizontalen Achse in Fig. entspricht. Die Steuerelektroden ein und derselben Zeile ein und derselben Anordnung 42 sind außerdem elektrisch an die Gatterelektrode 58 des MOS-Transistors 44 angeschlossen, der dem dotierten Band 12 zugeordnet ist. Der Decodierer 50 entlang der Achse X gestattet also, alle Steuerelektroden A der Zeilen oder Leitungen desselben Rangs der Anordnung 42 anzusteuern, während der Decodierer 56 entlang der Achse Y die Ansteuerung der Steuerelektroden B der Zeilen desselben Rangs der Anordnung 42 ermöglicht. Am Ausgang jedes Verstärkers 16 erhält man also die Information, die im Speicherelement am Schnittpunkt der angesteuerten Spalte entsprechend der Achse X und der angesteuerten Zeile entsprechend der Achse Y vorhanden ist< Damit ein Speicherelement angesteuert wird, müssen ersichtlich die Elektroden A und B gleichzeitig auf dasselbe Potential V₁ im Fall des Schreibens und V„ im Fall des Lesens gebracht werden.

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Die erfindungsgemäßen Speicher haben folgende Vorteile:

Eine verbesserte Technologie wegen der möglichen Verringerung der Flächen der Speicherelektrode 8 und der Steuerelektrode 10 und des Umfangs der dotierten Zonen 12;

eine längere Speicherung der Information, was besonders vorteilhaft ist im Fall von Speichern, die aus einer großen Anzahl von Speicherelementen bestehen, in denen eine große Anzahl von Wörtern zu regenerieren ist;

eine sehr geringe elektrische Leistungsaufnahme wegen der niedrigen Energie, die zur Änderung des Speicherzustands eines Speicherelements erforderlich ist, und wegen j der niedrigen Regenerierfrequenz»

Es versteht sich, daß verschiedenste Abwandlungen der gezeigten Ausführungsbeispiele möglich sind. Insbesondere kann die Injektion der Ladungen unter den Speicherelektroden gegebenenfalls in an sich bekannter Weise optisch erfolgen, wobei dann die Schreibspannungsgeneratoren 14 weg= fallen. Diese Abwandlung findet z. B. Anwendung in einem Bildanalysesystem, wobei jedes Speicherelement eine Ladungsmenge enthält, die vom empfangenen Lichtstrom abhängt»

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Claims

Patentansprüche

.1/ Speicherelement» gekennzeichnet durch ein dotiertes Halbleitersubstrat (2), das auf einer seiner Flächen aufweist einerseits eine der Ladungsspeicherung zugeordnete Elektrode (8) und mindestens eine Steuerelektrode (1O), wobei diese Elektroden Seite an Seite angeordnet und von dem Halbleitersubstrat durch eine dünne Schicht (6) aus einem elektrischen Isolierstoff getrennt sind, und andererseits eine Elektrode zur Eingabe und Ausgabe von Information in Kontakt mit dem Halbleitersubstrat, wobei die Elektrode zur Eingabe und Ausgabe von Information von der Speicherelektrode durch die Steuerelektrode (1O) getrennt ist; durch eine Einrichtung zur Injektion von Ladungen unter der Speicherelektrode (1O), durch eine Einrichtung, die an die Elektroden in vorgegebener Weise zeitabhängige Potentiale bestimmten Werts anlegt, und durch eine Leseeinrichtung, um das Auftreten von Ladungen an der Elektrode zur Eingabe und Ausgabe von Information zu erfassen, wobei das Speicherelement auf der Grundlage des örtlichen Festhaltens von Ladungen ausgeführt ist (Fig_o i)_e

2. Speicherelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Steuerelektroden (A, Β), die gleichzeitig auf denselben Spannungspegel gebracht werden und Seite an Seite angeordnet sind, wobei die Speicherelektrode, die Steuerelektroden und die Elektrode zur Eingabe und Ausgabe von Information im wesentlichen zueinander ausgerichtet sind (Figo 7).

3· Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

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gekennzeichnet, daß die Elektrode zur Eingabe und Ausgabe von Information durch eine Zone (k; 12) gebildet ist, die mit LadtmgHträgern dotiert ist, deren Typ entgegengesetzt zu dem des Substrats (2) ist (Fig. 1; h_t 5)°

U, Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekunnzei < hru¹1, daß die IinniJitung zur Injektion von Ladungen durch einen Sehr*? ibspannungsgenerat or ( 1'+ ) gebildet ist_s der an die Elektrode (12) zui' Eingabe und Ausgabe von Information angeschloösc-n ist (Fig_o k, 5)«

5 Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Anlegen der Potentiale die Speichelelektrode (8) auf ein Potential (V_o)_? den Steueielektroden auf djei Potentialpegel V₁, 0 und V„ mit |Vo| > JV [ >. JV I und die Elektrode zur Eingabe und Ausgäbe von Information auf zwei Potentialpegel 0 und V„ bringen kann, wobei das Bezugspotential das des dotierten Halbleitersubstrats (2) ist (Figo 1 - 3).

6. Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Leseeinrichtung durch einen Verstärker (16) gebildet ist, der an die Elektrode (12) zur Eingabe und Ausgabe von Information angeschlossen ist (Fig„ h, 5).

7. Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Steuerelektrode (1O) bedeutend kleiner als die der Speicherelektrode (8) ist (Fig. 1).

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H, Dynanii richer Iiandomspeicher, bei dem die Speicherei einen t /in.-; t Aliening wortweise vorgenommen wird, g e k t η η 2 ti ί c h η e r. durch mindestens eine Anordnung von mn .Spei ehe releiiu-:ri ti-n nach Anspruch 1 ₍ die auf demselben Substrat in Fnnii einer Matrix mit η Zeilen, die die !ioi tzeilen bilden-, und m Spalten angeordnet sind, wobei die Elektroden zur Eingabe und Ausgabe der Information der Speicherelemente durch ni parallele Bander (i2) gebildet sind, die die Z i f f ernspa ₁1 en bilden, wobei eine Spalte η .Speicherelektroden (B), η Steuerelektroden (lO) und ein Band (if) aufweist» wobei alle Speicherelektroden auf denselben Spaimuiif'iäpegf? 1 V₀ vorgespannt werden können, alle m S teuere 1 ek i roden derselben Zeile el ektrisc-h untereinander verbunden und auf drei Potentialpegel V₅, 0 und V„ bringbar .sind und wobei das eine der beiden Enden jedes Bands entweder m einem Verstärker (i6) oder an einem SchreibspannuTigsgenei a tor (W+) angeschlossen ist, der die Werte 0 und V annehmen kann (Fig, h - 6) „

9. Dynamischer Randomspeicher, bei dem die Ansteuerung der Speicherelemente entlang zweier Achsen X., Y vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anordnung von χ > y Speicherelementen nach Anspruch 2 vorgesehen und auf ein und demselben .Substrat in Form einer Matrix mit χ Zeilen und y Spalten angeordnet ist, daß die Elektroden zur Eingabe und Ausgabe von Information der Speicherelemente durch y Bänder (12) gebildet sind, die die Ziffeinspalten darstellen, daß eine Spalte χ Speicherelektroden, χ erste Steuerelektroden (α), χ zweite Steuerelektroden (B)--und ein Band (12) hat, daß alle Speicherelektroden auf denselben Spannüng^pegel" Vy

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vorgespannt werden können, daß alle y ersten Steiierelektiodc'ii (A) ein und derselben Zeile elektrisch iinfereinander verbunden sind, daß alle χ Steuerelektroden (B) ein und derselben Spalte elektrisch untereinander verbunden iind, daß die eisten und zweiten Steuerelektroden (.4, B) gleichzci ti(i auf drei Spannungspegel V., 0 und V„ bringbat sind, und daß daw eine der beiden Enden Jedes Banden (l~) an eimn Ver ■> t.ii ker ( 1 6 ) und einen Spannuuph^tuit- r a t oi (lh) anst ill ι tßbar ι ·> t, der die Werte C) und V„ annehmen kann (Fig. ?),

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