DE2358253C2 - Method for operating a data memory containing an insulator layer with a semiconductor layer arranged thereon, and a data memory of this type - Google Patents
Method for operating a data memory containing an insulator layer with a semiconductor layer arranged thereon, and a data memory of this typeInfo
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Description
Bestrahlung der Datenstelle über ihre Fläche mit dem Durchmesser D wird dadurch erreicht, daß der Elektronenstrahl durch die Fokussierung verstellt wird, oder dadurch, daß man ihn kreisförmig auf der Fläche der Datenstelle herumführt Dadurch, daß man die Datenstelle mit einer Entfernung L von etwa 20 Mikron anlegt, wobei L größer ist als D, welches etwa 10 Mikron ist, und wenn der Durchmesser ddes Elektronenstrahls bei etwa 5 Mikron liegt, erhält man in dem Isolator ein Netz positiver elektrischer Ladungen, welches alle Datenstellen an der Isolator-Halbleiter-Grenzfläche umgibt Dieses netzartige Muster positiver Ladungen bewirkt die Entstehung einer entsprechend verbundenen netzartigen Schicht starker Inversion und guter Leitfähigkeit in der Halbleiterzone neben der Isolator-Halbleiter-Grenzfläche. Diese netzartige Schicht umgibt alle Datenstellen, wobei positiv geladene, also eine Eins darstellende Stellen, gleich wie die netzartige Schicht geladen sind und die nicht geladenen, also eine binäre Null darstellenden Stellen, sich demnach als die einzigen ungeladenen Stellen in einer sonst gleichmäßig positiv geladenen Isolatorschicht erweisen.Irradiation of the data location over its area of diameter D is achieved by moving the electron beam by focusing, or by moving it in a circle around the area of the data location by placing the data location at a distance L of about 20 microns where L is greater than D, which is about 10 microns, and when the diameter d of the electron beam is about 5 microns, a network of positive electrical charges is obtained in the insulator which surrounds all data locations at the insulator-semiconductor interface Reticulated pattern of positive charges creates a correspondingly connected reticulated layer of strong inversion and good conductivity in the semiconductor zone next to the insulator-semiconductor interface. This net-like layer surrounds all data points, with positively charged points, i.e. points representing a one, being charged in the same way as the network-like layer, and the uncharged points, i.e. points representing a binary zero, thus being the only uncharged points in an otherwise uniformly positively charged insulator layer prove.
Beim Auslesen tastet ein Elektronenstrahl solcher Energie die abzulesenden Stellen ab, daß er in den Bereich der Halbleiterschicht eindringen kann. Der Elektronenstrahl hat dabei einen Durchmesser d, der kleiner ist als D, das seinerseits wieder kleiner ist als L Gleichzeitig wird das Potential über dem ganzen Schichtpaket im wesentlichen auf Null gehalten oder leicht negativ gemachtWhen reading out, an electron beam of such energy scans the points to be read that it can penetrate into the area of the semiconductor layer. The electron beam has a diameter d which is smaller than D, which in turn is smaller than L At the same time, the potential over the entire layer package is kept essentially at zero or made slightly negative
Beim Abtasten einer geladenen, also eine binäre Eins darstellenden Stelle, bilden sich aus je einem Elektron und einem Defektelektron bestehenden Trägerpaare und die beiden Teile des Paares werden in dem elektrischen Feld der Raumladung getrennt die aufgrund der im Isolator vorhandenen positiven Ladungen in der Halbleiterschicht induziert wird. Die Elektronen dieses Elektronen/Löcherstromes werden durch die netzartige Schicht im Halbleiter, welche alle Datenstellen umgibt geleitet; dies bewirkt die Entstehung eines relativ großen Ladungsstromes für den Kondensator selber, der damit seinerseits ein großes Ausgangssignal liefert das für den geladenen Zustand, also die binäre Eins der abgetasteten Stelle kennzeichnend istWhen scanning a charged digit, i.e. a digit representing a binary one, an electron is formed from each and a defect electron existing carrier pairs and the two parts of the pair are in the electrical The space charge separates those due to the positive charges present in the insulator in the field Semiconductor layer is induced. The electrons of this electron / hole stream are reticulated by the Layer in the semiconductor, which surrounds all data points, conducted; this causes the emergence of a relatively large one Charge current for the capacitor itself, which in turn supplies a large output signal for the charged state, that is, the binary one of the scanned position is characteristic
Wenn der Lesestrah! auf eine nicht geladene Stelle trifft die mithin einer binären Null entspricht rekombinieren die Elektron-Defektelektron-Paare, die vom Elektronenstrahl in dem Halbleiter erzeugt wurden, in dem nicht geladenen Bereich vom Durchmesser D, bevor diese Ladungsträger die in starker Inversion befindliche und gut leitende netzartige Schicht im Halbleiter erreichen: Dies ergibt einen äußerst kleinen Ladestrom für den Kondensator, der ohne jede Schwierigkeit von dem Ausgangsstrom unterschieden werden kann, der beim Abtasten einer geladenen Stelle, mithin einer binären Eins entstehtWhen the reading beam! The electron-defect electron pairs, which were generated by the electron beam in the semiconductor, recombine in the uncharged area of diameter D before these charge carriers reach the highly inversed and highly conductive reticulated network Reaching the layer in the semiconductor: This results in an extremely small charging current for the capacitor, which can be distinguished without any difficulty from the output current that arises when a charged point is scanned, i.e. a binary one
Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert In dieser zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the drawing
F i g. I stark schematisiert ein Funktionsdiagramm für einen bekannten Datenspeicher mit Darstellung des Schreib- und Lesesystems;F i g. I highly schematically shows a functional diagram for a known data memory with a representation of the Writing and reading system;
Fig.2 eine stark vergrößerte Draufsicht auf die Oberfläche eines Datenspeicher-Elements zur Erläuterung einiger kritischer Abmessungen;2 is a greatly enlarged plan view of the Surface of a data storage element to explain some critical dimensions;
F i g. 3 einen Schaltplan nach Art eines Modells zur Erläuterung der von der Erfindung verwendeten physikalischen
Phänome;
F i g. 4 ein Speichersystem für einen Rechner, bei welchem die Erfindung eingesetzt wird;F i g. 3 is a model-type circuit diagram illustrating the physical phenomena used by the invention;
F i g. 4 shows a memory system for a computer in which the invention is used;
F i g. 5 einige in der Anlage nach F i g. 4 auftretende elektrische Größen in ihrem zeitlichen Verlauf; undF i g. 5 some in the appendix according to FIG. 4 occurring electrical quantities in their time course; and
F i g. 6 eine stark schematisierte Darstellung der An-5 Ordnung von vielen Speicherelementen nach F i g. 1 bzw. 4.F i g. 6 is a highly schematic representation of the arrangement of many storage elements according to FIG. 1 or 4.
F i g. 1 stellt einen Teilschnitt durch einen Sandwichartig aufgebauten »Kondensator« 10 dar, der hier verwendet wird. Es ist darauf hinzuweisen, daß der geschnittene Teil der Fig. 1 nur einen Teil eines ganzen solchen Kondensators darstellt. Ein vollständiger Kondensator könnte z.B. ein ebenes Paket von etwa 0,25 mm Dicke und 0,5 χ 0,5 cm Grundfläche sein. Das Bauteil weist vier Schichten auf, nämlich eine Metallschicht, darauf folgend eine Isolatorschicht, dann eine Halbleiterschicht und dann nochmals eine Metallschicht Der in F i g. 1 dargestellte Ausschnitt des Schnittes durch einen solchen »Kondensator« 10 entspricht in der Wirklichkeit nur einem Teil mit einer Ausdehnung von einigen Mikrons entsprechend der Größenordnung einiger Durchmesser eines feinfokussierten Elektronenstrahls. F i g. 1 shows a partial section through a sandwich-like “capacitor” 10 which is used here will. It should be noted that the sectioned part of FIG. 1 is only part of a whole represents such a capacitor. For example, a complete capacitor could be a flat package of about 0.25 mm thick and 0.5 χ 0.5 cm base. The component has four layers, namely a metal layer, this is followed by an insulating layer, then a semiconductor layer and then another metal layer The in F i g. The section of the section through such a “capacitor” 10 shown in FIG. 1 corresponds to FIG of reality only a part with an extension of a few microns corresponding to the order of magnitude some diameter of a finely focused electron beam.
Das Bauteil 10 nach F i g. 1 besteht zunächst aus einer leitenden rückwärtigen Schicht 11, einer Halbleiter-Schicht 12, einer Isolator-Schicht 13 und einer vorderen leitenden Schicht 15 in dieser Reihenfolge; die Halbleiterschicht 12 und die Isolatorschicht 13 bilden zwischen sich eine Grenzfläche 16, auf die noch öfter zurückzukommen ist. Es können verschiedene Werkstoffe für die einzelnen Schichten verwendet werden: So kann beispielsweise die Halbleiterschicht aus Si, Ge, InSb, InAs, GaAs bestehen, der Isolator 13 kann aus SiO2 bzw. SiO, einem ferroelektrischen Werkstoff wie z. B. BaTiO3 oder einem anderen Werkstoff mit vergleichbaren Eigenschaften bestehen. Im vorliegenden Fall besteht die Halbleiterschicht aus einem p-Typ Silicium und die Isolatorschicht besteht aus SiO2, d. h. Siliciumdioxyd. Die Metallschichten 11 und 15 können beispielsweise aus Aluminium oder Silber oder Nickel oder Gold oder einem anderen leitenden Werkstoff bestehen.The component 10 according to FIG. 1 consists first of a conductive back layer 11, a semiconductor layer 12, an insulator layer 13 and a front conductive layer 15 in this order; the semiconductor layer 12 and the insulator layer 13 form an interface 16 between them, to which we shall come back several times. Different materials can be used for the individual layers: For example, the semiconductor layer can consist of Si, Ge, InSb, InAs, GaAs, the insulator 13 can consist of SiO 2 or SiO, a ferroelectric material such as e.g. B. BaTiO3 or another material with comparable properties. In the present case, the semiconductor layer consists of a p-type silicon and the insulator layer consists of SiO 2 , ie silicon dioxide. The metal layers 11 and 15 can for example consist of aluminum or silver or nickel or gold or another conductive material.
Das Bauteil 10 ist in eine Polarisierungsschaltung 21 eingeschaltet um ein positives oder negatives Potential an das Bauteil zu legen, während gespeichert oder abgelesen wird, worauf im einzelnen noch einzugehen ist. Die Energiebänder der Halbleiterschicht 12 sind durch die Linien 32 und 33 angedeutet, wobei die Linie 32 die Unterkante des Leitfähigkeitsbandes darstellt, und die Linie 33 die Oberkante des Valenzbandes. Ferner stellt die Linie 34 die Unterkante des Leitfähigkeitsbandes so und die Linie 35 die Oberkante des Valenzbandes in dem Isolator 13 dar. Unter der Annahme, daß das Halbleitermaterial 12 vom p-Typ ist, wird die Fermi-Kante des mit dem Halbleiter zusammen wirkenden Isolators durch die gestrichelte Linie 36 dargestellt Wo in der Isolatorschicht keine Ladungen vorliegen, was durch das Pluszeichen 55 angedeutet ist sind die Engergie- und Bändergrenzen 32—35 im wesentlichen horizontal ähnlich dem Fermi-Niveau 36 ausgebildet Wenn aber Ladungen an einer Speicherstelle vorliegen, etwa aufgrund eines auftreffenden Elektronenstrahls 51 aus einer entsprechenden Quelle 52 und gleichzeitig ein positives Polarisierungspotential bei geschlossenem Schalter 23 vom Punkt 24 angelegt wird, wird das Bauteil positiv beaufschlagt und die Kanten des Leitfähigkeits- und des Valenzbandes (Linien 32—35) werden in der aus F i g. 1 erkennbaren Weise nach unten gebogen.The component 10 is switched into a polarization circuit 21 around a positive or negative potential to be placed on the component while it is being stored or read, which will be discussed in detail below. the Energy bands of the semiconductor layer 12 are indicated by the lines 32 and 33, the line 32 being the Represents the lower edge of the conductivity band, and line 33 represents the upper edge of the valence band. Further provides line 34 is the lower edge of the conductivity band and line 35 is the upper edge of the valence band in the insulator 13. Assuming that the semiconductor material 12 is p-type, the Fermi edge becomes of the isolator cooperating with the semiconductor represented by the dashed line 36 Where in the Insulator layer no charges are present, which is indicated by the plus sign 55 are the energy and ligament boundaries 32-35 formed substantially horizontally similar to Fermi level 36 but if so Charges are present at a storage location, for example due to an impinging electron beam 51 from a corresponding source 52 and at the same time a positive polarization potential with the switch closed 23 is applied from point 24, the component is acted upon positively and the edges of the conductivity and the valence band (lines 32-35) are shown in FIG. 1 noticeably bent downwards.
Wenn der Speicherkondensator in der soeben beschriebenen Weise an einer bestimmten Stelle für einIf the storage capacitor is in the manner just described at a certain point for a
Bit beaufschlagt ist, wird ein Elektronenstrahl 51 auf die Isolatorschicht 13 gerichtet. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten betreffend die verschiedenen Ladungszustände und die Mechanismen, mittels welcher positive Ladungen an den Speicherstellen entstehen, wird auf die eingangs genannte Literaturstelle verwiesen, die dies in allen Einzelheiten beschreibt.Bit is applied, an electron beam 51 is directed onto the insulator layer 13. For more details concerning the different charge states and the mechanisms by which positive charges arise at the memory locations, reference is made to the literature mentioned above, which this in Describes all the details.
Um die in dem »Kondensator« gespeicherten Daten auszulesen, wird ein Elektronenstrahl 51 verwendet, der eine so starke Durchdringungskraft hat, daß er den Raumladungsbereich 17 in der Halbleiterschicht 12 erreicht, bzw. auf ihn auftrifft. Unter der Annahme, daß der Halbleiter 12 ein p-Typ-Halbleiter ist, werden die in der unter den geladenen Datenstellen liegenden Verarmungsregion durch den Lesestrahl erzeugten Ladungsträger-Paare getrennt und die Löcher werden durch das herrschende elektrische Feld in die Verarmungsregion 17 getrieben. Dadurch entsteht ein Löcher-Strom erheblicher Größe, der die Fläche des »Kondensators« unter der Speicherstelle lädt und eine Signal-Ausgangsspannung über einem Belastungswiderstand 56 entstehen läßt, der parallel zu dem Speicherelement geschaltet ist. Diese Ausgangsspannung kann dann an einen Verstärker 57 oder dgl., insbesondere einen Rechner, gelegt werden. Wie weiter unten erläutert werden wird, wird dabei derjenige Löcher-Strom, der durch Aufprall des Lesestrahls innerhalb der Verarmungsregion 17 entsteht, um mehrere Größenordnungen größer als derjenige Strom sein, der dann entsteht, wenn keine Raumladungsregion im Bereich der Grenzfläche 16 in der Isolatorschicht 13 vorliegt. Das Auslesen kann mit wenig oder gar keiner am Speicherelement liegender Vorspannung vorgenommen werden: Vorzugssweise wird eine kleine negative Vorspannung dadurch angelegt, daß man den beweglichen Schalterteil 23 an den Kontaktpunkt 25 oder den mittleren Kontaktpunkt 27 legt.In order to read out the data stored in the "capacitor", an electron beam 51 is used, the has such a strong penetrating force that it reaches the space charge region 17 in the semiconductor layer 12, or hits him. Assuming that the semiconductor 12 is a p-type semiconductor, the in the depletion region under the charged data locations generated by the read beam separated and the holes are moved into the depletion region by the prevailing electric field 17 driven. This creates a stream of holes of considerable size, which covers the area of the "capacitor" charges under the memory location and a signal output voltage is generated across a load resistor 56 leaves, which is connected in parallel with the memory element. This output voltage can then be sent to a Amplifier 57 or the like, in particular a computer, are placed. As will be explained below, becomes that hole current that is created by the impact of the reading beam within the depletion region 17, several orders of magnitude larger than the current that arises when there is no space charge region in the area of the interface 16 in the insulator layer 13 is present. The reading can be done with little or no bias on the memory element can be carried out: Preferably, a small negative bias is applied by that the movable switch part 23 is placed at the contact point 25 or the central contact point 27.
Wenn aber keine positiven Ladungen 55 im'Isolator 13 an einer bestimmten Speicherstelle vorliegen, dann sind die Energiebänder innerhalb des Bauteils 10 im wesentlichen gerade und es liegt keine wesentliche Verarmungszone 17 in der Halbleiterschicht neben der Grenzschicht zwischen dem Halbleiter und dem Isolator vor. Da auch kein elektrisches Feld vorliegt, das sonst in der Verarmungszone herrschen würde, ist die Effizienz der Trennung von Elektronen und Löchern und des Sammelns der Ladungsträger unter den nicht geladenen Speicherstellen erheblich verringert Dadurch wird der durch den Belastungswiderstand 56 fließende Strom in diesem Falle erheblich kleiner als dann, wenn der Belastungsstrom von einer geladenen Speicherstelle ausgehen würde.If, however, there are no positive charges 55 in the isolator 13 at a specific storage location, then the energy bands within the component 10 are essentially straight and there is no significant depletion zone 17 in the semiconductor layer next to the interface between the semiconductor and the insulator before. Since there is also no electric field that would otherwise prevail in the depletion zone, this is Efficiency of separating electrons and holes and collecting charge carriers among the non charged storage locations are considerably reduced Current in this case is considerably smaller than when the load current is from a charged storage location would go out.
Die oben unter Hinweis auf F i g. 1 erläuterte Speichereinrichtung in Form eines »Kondensators« mehrschichtiger Bauart arbeitet dann befriedigend, wenn die Mitten zweier nebeneinander liegender Speicherstellen eine Entfernung von mindestens 200 μΐη haben. Wenn aber andererseits der Mittenabstand zweier nebeneinander liegender Speicherstellen diesen physikalisch erforderlichen Wert hat, ist das Speicherelement als solches ökonomisch uninteressant, weil der zur Speicherung eines Bit erforderliche Raum relativ groß ist und übrigens aus hier nicht interessierenden Gründen erheblichen Schaltungsaufwand verlangtThe above with reference to F i g. 1 explained storage device in the form of a "capacitor" of multilayer design works satisfactorily when the Have a distance of at least 200 μΐη in the middle of two adjacent storage locations. if but on the other hand, the center-to-center distance between two storage locations lying next to one another, this physically required Has value, the storage element as such is economically uninteresting because it is used for storage one bit required space is relatively large and incidentally considerable for reasons not of interest here Circuit effort required
Um nun das an sich bekannte und oben im einzelnen beschriebene Phänomen auch aus wirtschaftlicher Sicht sinnvoll anwenden zu können, schlägt die Erfindung ein neuartiges Verfahren des Speicherns und neuartige Schaltungsmittel vor, mit dessen bzw. deren Hilfe man diesen Mittenabstand zweier nebeneinander liegender Speicherstellen auf 20 oder noch weniger μπι verringern kann. Um die weiter unten folgende detaillierte Erörterung besser verstehen zu können, sei zunächst eine weitere Analyse der Bewegung derjenigen Ladungsträger vorgenommen, die durch den Lesestrahl beim Auslesen in der Halbleiterschicht erzeugt werden.The phenomenon known per se and described in detail above, also from an economic point of view To be able to use it sensibly, the invention proposes a novel method of storing and novel Circuit means before, with the help of which this center distance between two adjacent Reduce memory locations to 20 or even less μπι can. To better understand the detailed discussion below, let us begin with another Analysis of the movement of those charge carriers carried out by the reading beam when reading out are generated in the semiconductor layer.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die oben im einzelnen erläuterte Theorie betreffend die Entstehung der verschiedenen Ausgangsimpulse einer Modifizierung bedarf. Um dies zu erläutern, werden die Ruhezustands-Eigenschaften eines Kondensator-artigen Speicherelementes unter verschiedenen Vorspannungen der Steuerelektrode und unter verschiedenen Ladungsbedingungen im Isolator näher untersucht.The invention is based on the knowledge that the theory explained in detail above regarding the The emergence of the various output pulses requires modification. To explain this, the Quiescent state properties of a capacitor-like storage element under different bias voltages the control electrode and under different charge conditions in the insulator.
Das Speicherelement, auf das sich die folgende Erörterung bezieht, weist zunächst eine 500 Angström dicke Schicht Aluminium auf, die ihrerseits auf eine 1700 Angström dicke SiOrSchicht aufgedampft wird, die ihrerseits thermisch auf einer p-Typ Silicium-Unterlage gezogen wurde, die eine Leitfähigkeit im Bereich von 0,2 bis 20 Ohm cm hat und einen Ohm'schen Kontakt in Form eines Leiters auf der Rückseite aufweist. Es ist darauf hinzuweisen, daß ein solches Speicherelement in keiner Weise begrenzend hinsichtlich der vorliegenden Darstellung ist; dies gilt insbesondere für die nur beispielsweise erläuterten Schichtdicken.The memory element to which the following discussion relates is initially 500 angstroms thick Layer of aluminum on top of that, in turn, to a 1700 angstroms thick SiOr layer is vapor-deposited, which in turn is thermally drawn on a p-type silicon substrate which has a conductivity in the range of 0.2 to 20 ohm cm and an ohmic contact in Has the shape of a conductor on the back. It should be noted that such a memory element in is in no way limiting as to the present presentation; this is especially true for just example explained layer thicknesses.
Nun sei angenommen, daß die binäre Zahl Eins oder L durch einen positiven Ladungszustand an der Speicherstelle dargestellt sei. Wenn nun diese Ladung gesättigt oder zumindest nahezu gesättigt ist, d. h. etwa 1013 positive Ladungen pro cm2 aufweist, und daß das Potential zwischen der Elektrode (gate) und der Unterlage positiver als — 30 Volt ist: dann zwingen die in den Isolator »eingeschriebenen« positiven Ladungen die Oberfläche des Halbleiters an seiner Grenzschicht zum Isolator zur Inversion. Darunter versteht man, daß die Oberflächenschicht des p-Typ-Halbleiters an der Oxyd-Silizium-Grenzfläche stark η-leitend wird und einen geringen Widerstand im Ohm'schen Sinn hat Nahe unter dieser stark leitenden und stark invertierten Schicht wird eine Verarmungsschicht gebildet, die im wesentlichen frei von Ladungsträgern ist Dieser Verarmungsschicht ist ein kräftiges elektrisches Feld senkrecht zur Grenzfläche zwischen Isolator und Halbleiter zugeordnet. Die Erstreckung dieses Bereichs senkrecht zur Grenzfläche wird nur durch die Leitfähigkeit des Halbleiters bestimmt; unter der Verarmungszone liegt ein relativ massiver, feldfreier Silizium-Halbleiter vom p-Typ.It is now assumed that the binary number one or L is represented by a positive charge state at the memory location. If this charge is now saturated or at least almost saturated, ie has about 10 13 positive charges per cm 2 , and that the potential between the electrode (gate) and the base is more positive than -30 volts: then force those inscribed in the insulator «Positive charges invers the surface of the semiconductor at its interface with the insulator. This means that the surface layer of the p-type semiconductor at the oxide-silicon interface becomes highly η-conductive and has a low resistance in the ohmic sense is essentially free of charge carriers. This depletion layer is assigned a strong electric field perpendicular to the interface between insulator and semiconductor. The extent of this area perpendicular to the interface is only determined by the conductivity of the semiconductor; below the depletion zone lies a relatively massive, field-free p-type silicon semiconductor.
Nun seien die Ladungsverhältnisse an den eine Null speichernden, nicht geladenen Stellen betrachtet, an denen nicht alle positiven Ladungen, die an der Grenzfläche zwischen Isolator und Halbleiter gespeichert sind, durch negatives Vorspannen des Elementes während der Bestrahlung durch den Schreibstrahl entfernt werden können. Es werden etwa größenordnungsmäßig 1012 positive Ladungen pro cm2 an den nicht geladenen Speicherstellen verbleiben. Bei Auslese-Potentialen im Bereich von 0 bis —10 Volt kann die Oberfläche des Silizium-Halbleiters an der Grenze zum Isolator schwach invertiert sein, schwach verarmt sein oder schwach angereichert sein, und zwar in Abhängigkeit der Größe der angelegten Vorspannung und der »Geschichte« der Ladung des Isolators in dem Sinne, was zuvor passiert ist Eine schwache Inversion heißt, daß die Oberfläche schwach η-leitend und mithin nicht gut leitend wird. Der Begriff der Verarmung ist oben bereits erläutert worden; eine schwache Anreicherung bedeu-Let us now consider the charge ratios at the non-charged locations that store a zero, at which not all positive charges stored at the interface between insulator and semiconductor can be removed by negatively biasing the element during irradiation by the write beam. About 10 12 positive charges per cm 2 of the order of magnitude will remain at the uncharged storage locations. With readout potentials in the range from 0 to -10 volts, the surface of the silicon semiconductor at the boundary to the insulator can be slightly inverted, weakly depleted or weakly enriched, depending on the magnitude of the applied bias voltage and the "history" the charge of the insulator in the sense of what happened before. A weak inversion means that the surface becomes weak η-conductive and therefore not very conductive. The concept of impoverishment has already been explained above; a weak enrichment means
tet, daß die Oberfläche etwas stärker p-leitend wird als die massive Silizium-Unterlage und mithin einen etwas kleineren Ohm'schen Widerstand hat. Hier ist besonders wichtig, daß im nicht geladenen Zustand die Oberfläche des Halbleiters an der Grenzfläche zum Isolator nicht stark invertiert (oder stark angereichert) und damit nicht gut leitfähig ist.tet that the surface becomes somewhat more p-conductive than the massive silicon base and therefore has a somewhat lower ohmic resistance. Here is special It is important that in the uncharged state the surface of the semiconductor at the interface with the insulator is not strongly inverted (or strongly enriched) and is therefore not very conductive.
Nunmehr müssen die Bewegungen der Ladungsträger, die vom Lesestrahl im Halbleiter erzeugt werden, und damit der vom Speicher nach außen abgegebene Strom unter den beiden oben genannten Zuständen, nämlich im geladenen Zustand und im nicht geladenen Zustand erörtert werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß obwohl ein Elektronenstrahl mit einer Anfangsenergie von etwa 5 bis 10 kV und etwa 50 Nanoampere Strom einen erheblichen Teil seiner Energie beim Durchdringen der Metallschicht und der Oxyd-Isolatorschicht verliert, die Elektronen immer noch soviel Energie haben, um eine Vielzahl von Elektron-Loch-Paaren in der Silizium-Halbleiter-Unterlage zu erzeugen. Dabei könnten dann, wenn alle Elektron-Loch-Trägerpaare zu dem vom Speicherelement an einen äußeren Kreis gelieferten Strom beitragen, Ausgangsströme entstehen, die eventuell mehrere Größenordnungen größer sind, als der eingeprägte Elektronenstrahl-Strom.Now the movements of the charge carriers that are generated by the reading beam in the semiconductor must and thus the current released from the storage unit to the outside under the two above-mentioned states, namely in the charged state and in the uncharged state are discussed. It must be taken into account that although an electron beam with an initial energy of about 5 to 10 kV and about 50 nanoamps Electricity consumes a considerable part of its energy when penetrating the metal layer and the oxide-insulating layer loses the electrons still have so much energy to create a multitude of electron-hole pairs in the silicon semiconductor substrate. It could then if all electron-hole-carrier pairs to contribute to the current supplied by the storage element to an external circuit, output currents arise, which are possibly several orders of magnitude larger than the impressed electron beam current.
Wenn die ganze Isolator-Schicht an einer Ladungsstelle geladen ist, d. h. wenn die Ladung eine Sättigungsladung ist oder mit etwa 1013 positiven Ladungen pro cm2 nahezu geladen ist, dann befindet sich das p-Silizium an der Grenzfläche zwischen Oxyd und Silizium in einer starken Inversion. Von dem Lesestrahl in der Inversionszone und in der Verarmungszone des Silizium-Halbleiters erzeugte Elektron-Defektelektron-Paare trennen sich in dem elektrischen Feld: Die Löcher oder Defektelektronen gehen in das massive Silizium und die Elektronen werden zur Grenzfläche gezogen. Irgendwelche in dem massiven Silizium, welches im wesentlichen feldfrei ist, erzeugte Ladungsträger würden nicht zu einem Ausgangsstrom beitragen. Wenn nun die Elektronen die stark leitende Inversionsschicht an der Grenzschicht erreichen, dann verteilen sie sich leicht von der eigentlichen Speicherstelle, auf weiche der Elektronenstrahl gerichtet ist, und zwar aufgrund der hohen Leitfähigkeit der netzartig oder lochplattenartig alle Datensteilen oder Speicherstellen umgebenden Inversionsschicht Daraus ergibt sich, daß diese Elektronen sich nicht nur an der Stelle ansammeln, an welcher der Elektronenstrahl selbst auftritt; sie werden sich vielmehr auf der ganzen Kondensatoroberfläche, die mit der gut leitenden, netzartigen Inversionsschicht verbunden ist, ansammeln, so daß nicht nur der vom Elektronenstrahl beschossene Teil der Kondensatorfläche, sondern die gesamte Kondensatorfläche geladen wird. Der Speicher-»Kondensator« wird so lange geladen, bis Ladungsträger-Rekombinationen ein weiteres Aufladen verhindern. Damit wird der an den Außenplatten des »Kondensators« beobachtete Strom eine mit einer Spitze versehene Funktion sein, die etwa 50 Mikroampere Strom führt, wenn der Elektronenstrahl etwa 50 Nanoampere Strom führt.If the entire insulator layer is charged at one point of charge, ie if the charge is a saturation charge or is almost charged with about 10 13 positive charges per cm 2 , then the p-silicon at the interface between oxide and silicon is in a strong state Inversion. Electron-defect electron pairs generated by the reading beam in the inversion zone and in the depletion zone of the silicon semiconductor separate in the electric field: the holes or holes go into the solid silicon and the electrons are drawn to the interface. Any charge carriers generated in the bulk silicon, which is essentially field-free, would not contribute to an output current. If the electrons now reach the highly conductive inversion layer at the boundary layer, then they are easily distributed from the actual storage location at which the electron beam is directed, due to the high conductivity of the inversion layer surrounding all data parts or storage locations like a network or perforated plate. that these electrons do not only accumulate at the point where the electron beam itself appears; rather, they will accumulate on the entire capacitor surface, which is connected to the highly conductive, net-like inversion layer, so that not only the part of the capacitor surface bombarded by the electron beam, but the entire capacitor surface is charged. The storage “capacitor” is charged until charge carrier recombinations prevent further charging. Thus, the current observed on the outer plates of the "capacitor" will be a spiked function that carries about 50 microamps of current when the electron beam carries about 50 nanoamps of current.
Nunmehr ist das Ausleseergebnis einer nicht geladenen, also einer binären Null entsprechenden Stellen zu betrachten, die die oben beschriebenen Eigenschaften hat; es ist also keine stark leitende Inversionsschicht in der Silizium-Oberfläche unmittelbar unter der nicht geladenen Stelle erzeugt worden. Aufgrund der Abwesenheit einer solchen, sehr gut leitenden Inversionsschicht können solche Elektronen, die im Silicium-Halbleiter durch den Lesestrahl erzeugt wurden, sich nicht auf eine erhebliche Oberfläche des Bauteiles 10 in der Weise verteilen, wie dies oben für die Stellen gefunden wurde, die eine binäre Eins darstellen und mithin geladen sind. Im Gegenteil: Unter den nicht geladenen Speicherstellen vom Elektronenstrahl erzeugte Träger sind auf den Bereich an der Oberfläche des Silizium-Gleichrichters beschränkt, der nur ganz wenig größer ist als der tatsächliche Querschnitt des Elektronenstrahls. DieseThe readout result is now a position that has not been loaded, that is, a position corresponding to a binary zero consider that has the properties described above; so there is no highly conductive inversion layer in of the silicon surface immediately below the uncharged area. Because of the absence Such an inversion layer, which is a very good conductor, can contain electrons that are present in silicon semiconductors generated by the reading beam, does not affect a significant surface of the component 10 in the way distribute, as was found above for the positions that represent a binary one and are therefore loaded. On the contrary: under the uncharged storage locations generated by the electron beam are on the Area limited to the surface of the silicon rectifier, which is only slightly larger than the actual one Cross section of the electron beam. These
ίο Elektronenkonzentration zerstreut schnell jegliches Verarmungsschicht-Feld, das bestehen könnte, und die vom Elektronenstrahl erzeugten Ladungsträger-Paare können nicht in der Weise getrennt werden, wie dies in der eingangs erwähnten Literaturstelle für die dortigen Verhältnisse nicht ganz zutreffend angenommen wurde. Typische Ausgangssignale von nicht geladenen, also eine binäre Null darstellenden Stellen haben etwa 0 bis 10 Mikroampere bei einem Elektronenstrahlstrom von 50 Nanoampere. Die exakte Größe des Ausgangssignals hängt von der Vorspannung der Steuerelektrode ab und davon, wieviel Restladung in dem Oxyd-Isolator aufgrund vorheriger Vorgänge vorhanden ist. Besonders wichtig ist, daß der Ausgangsstrom von einer solchen nicht geladenen, also eine binäre Null darstellenden Stelle höchstens ein Fünftel desjenigen Stromes ist, den man von einer Speicherstelle des Speicherelementes erhält, in welcher eine gespeicherte Eins abgetastet wird.ίο electron concentration quickly dissipates anything Depletion layer field that could exist and the charge carrier pairs generated by the electron beam cannot be separated in the way that this is for the reference cited in the opening paragraph Relationship was not quite correctly assumed. Typical output signals from unloaded, i.e. one Binary zeros are approximately 0 to 10 microamps for an electron beam current of 50 nanoamps. The exact size of the output signal depends on the bias voltage of the control electrode and how much residual charge is present in the oxide isolator due to previous processes. Particularly It is important that the output current of such a unit is not charged, i.e. one that represents a binary zero Digit is at most a fifth of the current that is obtained from a storage location of the storage element, in which a stored one is sampled.
F i g. 3 zeigt schematisch einen Modellkreis des Speicherelementes mit der Schichtfolge Metall-Isolator-Halbleiter-Metall für Betrieb mit sehr langsamen Elektronen im Elektronenstrahl. Die Schaltkreissymbole dieses Ersatzschaltbildes haben dabei folgende Bedeutung:F i g. 3 schematically shows a model circuit of the storage element with the layer sequence metal-insulator-semiconductor-metal for operation with very slow electrons in the electron beam. The circuit symbols in this equivalent circuit diagram have the following meaning:
is = Elektron-Defektelektron-Strom, der durch den Strahl in der Verarmungsschicht erzeugtis = electron-hole current flowing through generates the beam in the depletion layer
wird;will;
CO = Kapazität des Oxides unter der vom Strahl beschossenen Fläche; CO = capacity of the oxide under the area bombarded by the beam;
Cw = Kapazität der Verarmungsschicht unter der beschossenen Fläche; Cw = capacity of the depletion layer under the bombarded area;
G't = Rekombinationsleitfähigkeit unter der vom G't = recombination conductivity below that of
Strahl beschossenen Fläche;
Gn = Leitfähigkeit der Inversionsschicht;
C0 — Kapazität der Oxidschicht ohne die vom Elektronenstrahl
beschossene Fläche;Beam bombarded area;
Gn = conductivity of the inversion layer;
C 0 - capacitance of the oxide layer without the area bombarded by the electron beam;
Cw = Kapazität der Verarmungsschicht ohne die C w = capacity of the depletion layer without the
vom Strahl beschossene Fläche;
Gt = Rekombinations-Leitfähigkeit mit Ausnahme der Fläche, die vom Elektronenstrahl getroffen
wird.area bombarded by the beam;
Gt = recombination conductivity with the exception of the area hit by the electron beam.
Bei dem Ersatzschild nach F i g. 3 ist der Generator U nur sinnvoll, wenn eine Verarmungsschicht besteht, die diejenigen Elektron-Loch-Trägerpaare trennt, welche ihrerseits durch das Auftreffen der Elektronen des Strahls in der Halbleiterschicht entstehen. Wie oben angedeutet wurde, würde die .Verarmungsschicht — wenn es eine unter einer nicht mit Ladung versehenen Speicherstelle gäbe — in dem nicht geladenen Zustand schnell durch die erzeugten Träger zerstört, oder es gäbe — wenn das Element während des Lesens im Speicherzustand wäre bzw. schwach invertiert wäre — keine Verarmungsschicht. Dies wäre beim Unterscheiden zwischen binären Einsen und binären Nullen wichtig, d. h.In the case of the replacement shield according to FIG. 3, the generator U only makes sense if there is a depletion layer that separates those electron-hole-carrier pairs which in turn arise from the impact of the electrons of the beam in the semiconductor layer. As indicated above, the depletion layer - if there were a storage location under a non-charged storage location - would be quickly destroyed in the non-charged state by the carriers generated, or if the element were in the storage state during reading or if it were weak would be inverted - no depletion layer. This would be important in distinguishing between binary ones and binary zeros, ie
beim Unterscheiden des geladenen Zustandes vom nicht geladenen Zustand. Der letztere Zustand wird weiter unten an einem mehrschichtigen Speicherkondensator erläutert der einen η-leitenden Halbleiter aufweist Imwhen distinguishing the charged state from the uncharged state. The latter condition continues explained below using a multilayer storage capacitor which has an η-conducting semiconductor Im
Augenblick genügt es, stets im Auge zu behalten, daß ein p-leitender Halbleiter diskutiert wird, bei welchem eine Verarmungszone unter den eine binäre Eins darstellenden geladenen Speicherstellen entsteht. Dasjenige Bauteil der Ersatzbildschaltung nach F i g. 1, welches sich für diese beiden unterschiedlichen Ladungszustände hinsichtlich seiner Eigenschaften ändert, ist gerade der Generator /* Wenn man für die binäre Eins die entsprechenden Speicherstellen positiv lädt, dann ist i5 relativ groß. Im nicht geladenen Zustand, d. h. in diesem Fall bei der gespeicherten binären Null, ist /Vkiein.For the moment it is enough to keep in mind that a p-type semiconductor is being discussed in which a depletion zone arises under the charged storage locations representing a binary one. That component of the equivalent image circuit according to FIG. 1, which changes its properties for these two different charge states, is precisely the generator / * If the corresponding memory locations are positively charged for the binary one, then i 5 is relatively large. In the unloaded state, ie in this case with the stored binary zero, / Vkiein.
Wenn man nun versucht, ein Speicherelement entsprechend der eingangs genannten Literaturstelle mit Daten speichernden Stellen von weniger als etwa 200 μηι Mittenabstand zu verwenden, dann kann der Ausgangsstrom den Ladungszustand des Isolators an der tatsächlich datenspeichernden Stelle entweder anzeigen oder auch nicht. Es sei hierzu angenommen, daß das gedachte Speicherelement einen p-leitenden Halbleiter und einen Si02-Isolator aufweist. Positive Ladungen werden dann an bestimmten Stellen für binäre Einsen in der SiC)2-Schicht erzeugt und an den für die binären Nullen bestimmten Stellen wird die Ladung aus den Oxidschichten herausgenommen. Es sei weiter angenommen, daß die für die jeweiligen Daten zur Speicherung gewählten Stellen sich nicht in der Oxidschicht überlappen und daß der Ladungszustand an anderen Stellen der Oxidschicht unbestimmt bleibt. Wenn die Speicherstellen groß sind, nämlich mehr als 200 Mikron im Durchmesser, dann werden die Ausgangsstrom-Impulse, die beim Beschießen der den binären Einsen entsprechenden Stellen mit einem Lesestrahl vom Durchmesser d von etwa 200 μηπ entstehen, größer, als diejenigen Stromimpulse, die dann beim Beschießen von solchen Stellen entstehen, die binären Nullen entsprechen. Dieses Phänomen beruht auf dem oben beschriebenen und unter Hinweis auf F i g. 3 erläuterten Mechanismus. Wenn aber nun die effektiv speichernden Stellen einen kleineren Durchmesser haben, z. B. einen Durchmesser von 30 oder weniger Mikron, dann hat die Amplitude von während des Auslesens mit einem ähnlichen Lesestrahls erzeugten Stromimpulsen keine starke Korrelation mit dem Ladungszustand in dem Oxydisolator an den Speicherstellen: Daraus ergibt sich — mit anderen Worten — eine wenig oder gar nicht kennzeichnende Auslesung.If one tries now to use a storage element according to the aforementioned reference with data-storing locations of less than about 200 μm center-to-center spacing, then the output current can either or not indicate the state of charge of the insulator at the actual data-storing location. It is assumed for this purpose that the imaginary memory element has a p-conducting semiconductor and a SiO 2 insulator. Positive charges are then generated at certain points for binary ones in the SiC) 2 layer and the charge is removed from the oxide layers at the points determined for the binary zeros. It is further assumed that the locations selected for storage for the respective data do not overlap in the oxide layer and that the state of charge remains indeterminate at other locations on the oxide layer. If the memory locations are large, namely more than 200 microns in diameter, then the output current pulses that arise when the positions corresponding to the binary ones are bombarded with a reading beam with a diameter d of about 200 μηπ are larger than the current pulses that then occur arise when bombarding such places, which correspond to binary zeros. This phenomenon is based on that described above and with reference to FIG. 3 explained mechanism. But if now the effectively storing places have a smaller diameter, z. B. a diameter of 30 or less microns, then the amplitude of the current pulses generated during reading with a similar reading beam does not have a strong correlation with the state of charge in the oxide insulator at the storage locations: This results - in other words - little or not at all characteristic reading.
Wenn man unter den im vorgehenden Absatz beschriebenen Bedingungen vorgeht, dann ist beim Abtasten der Ausgangsstrom unabhängig davon, ob nun eine (so kleine!) speichernde Stelle positiv geladen ist oder nicht geladen ist, ungefähr stets gleich groß, weil die großen Bereiche außerhalb der relativ kleinen Speicherstellen immer positiv geladen sind, mithin also stets eine Anzeige erscheint, als ob die ganze Fläche geladen sei und mithin einer positiven Eins entspräche. Wenn andererseits eine Stelle dieser Größe abgetastet wird, in deren Umgebung das Oxid wenig oder gar keine positive Ladung hat, dann erhält man stets Signale, die praktisch dem Vorliegen einer Null entsprechen, unabhängig davon, ob nun eine kleine positive Ladung in der relativ großen Fläche vorliegt oder nicht Wenn also Speicherstellen vorliegen, deren Mittenabstand nur etwa 20 Mikron oder weniger ist, dann hängt der von einer solchen Stelle beim Abfragen abgegebene Ausgangsstrom nicht von der Ladung des Isolators unmittelbar unter dem Lesestrahl ab, sondern vielmehr von dem Ladungszustand der umgebenden Fläche. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß dann, wenn die Oxyd-Ladung der umgebenden Fläche im wesentlichen positiv ist, der Lesestrahl Ladungsträgerpaare unter Bedingungen erzeugt, bei welchen die Elektronen in eine relativ große Fläche einer stark leitenden Inversionsschicht laufen können, wodurch sich eben ein großer Ausgangsstrom des Kondensators ergibt. Wenn andererseits die umgebende Fläche primär nicht leitend ist, dann haben die vom Lesestrahl induzierten Elektronen keinen Zugang zu irgendeiner stark leitenden Inversionsschicht, wodurch sich ein kleiner oder gar kein Kondensatorstrom ergibt.If you proceed under the conditions described in the previous paragraph, then you are scanning the output current regardless of whether a (so small!) storing point is positively charged or is not loaded, about always the same size, because the large areas outside the relatively small memory locations are always positively charged, so an indication always appears as if the entire surface was charged and therefore would correspond to a positive one. On the other hand, if a point of this size is scanned, its Surrounding the oxide has little or no positive charge, then one always receives signals that are practical correspond to the presence of a zero, regardless of whether there is a small positive charge in the relative large area is present or not. So if there are storage locations, their center-to-center spacing is only about 20 microns or less, then the output current delivered by such a point during interrogation does not depend depends on the charge of the insulator immediately under the reading beam, but rather on the state of charge the surrounding area. This is due to the fact that when the oxide charge of the surrounding area is essentially positive, the reading beam generates charge carrier pairs under conditions in which the electrons run into a relatively large area of a highly conductive inversion layer can, which just results in a large output current of the capacitor. On the other hand, if the surrounding If the surface is primarily non-conductive, the electrons induced by the reading beam have no access to some highly conductive inversion layer, resulting in little or no capacitor current results.
Während die obige Erläuterung für ein solches Speicherelement mit p-leitendem Halbleiter zutreffen, sind die Verhältnisse bei einem Speicherelement mit n-leitendem Halbleiter umgekehrt: Bei Anwendung eines η-leitenden Halbleiters muß man während des Auslesens eine relativ hohe negative Spannung von etwa minus 30—40 Volt über das Bauelement in solcher Richtung legen, daß die Isolatorschicht gegenüber dem Halbleiter negativ ist. Dabei bildet sich eine schwache Ladungsschicht unter den positiv geladenen Speicherstellen in dem Isolator; die stark invertierte, leitende Schicht und die entsprechenden Verarmungszonen bilden sich unter den nicht geladenen Flächen des Isolators. Beim Auslesen stellen sich nun bei Verwendung eines η-leitenden Halbleiters die umgekehrten Verhältnisse ein, die oben beschrieben wurden; das Einspeichern, d. h. »Schreiben« in Form der Erzeugung von geladenen und nicht geladenen Speicherstellen in der Isolatorschicht ist derselbe Vorgang bei beiden Arten der Leitfähigkeit des Halbleiters.While the above explanation applies to such a memory element with p-type semiconductor, are the conditions for a storage element with n-conducting Semiconductor vice versa: When using an η-conducting semiconductor, one has to do the reading out a relatively high negative voltage of about minus 30-40 volts across the device in such a direction place that the insulator layer is negative with respect to the semiconductor. A weak one forms in the process Charge layer under the positively charged storage locations in the insulator; the highly inverted, conductive one Layer and the corresponding depletion zones are formed under the uncharged areas of the insulator. When reading out, the reverse is true when using an η-conducting semiconductor one described above; storing, d. H. "Writing" in the form of the creation of charged and uncharged storage locations in the insulator layer are the same for both types the conductivity of the semiconductor.
Unter Hinweis auf die Fig.2 und 4—6 wird ein besonderes Betriebsverfahren des neuartigen Speicherelementes und eine zu diesem Zweck entwickelte Schaltung beschrieben. Beim Vorgehen nach dem zu beschreibenden Verfahren unter Zuhilfenahme der ebenfalls im einzelnen zu erörternden Vorrichtung wird ein Speicherelement mit p-leitenden Halbleitern verwendet. Es wird dabei eine elektrische Ladung gleichförmig über die gesamte Oberfläche des Isolators an der Grenzfläche zwischen Isolator und Halbleiter aufgebracht. Es werden also mit anderen Worten überall binäre Einsen geschrieben, und zwar unter der Voraussetzung, daß eine solche binäre Eins dem Vorliegen einer positiven Ladung in der Isolatorschicht an der entsprechenden Stelle entspricht. An ausgewählten Punkten, die einen Mindestabstand L von beispielsweise 20 μΐη voneinander haben, wird nun die positive Ladung auf Flächen entfernt, die Kreisen von etwa dem Durchmesser D entsprechen, wobei — s. obige Erörterung — D kleiner ist als L und etwa 10 μπι beträgt. Diese Stellen vom Durchmesser D stellen nach der obigen Voraussetzung Orte dar, an welchen jeweils binäre Nullen stehen bzw. gespeichert sind. Das Entfernen der Ladungen an den den binären Nullen entsprechenden Stellen wird in der Weise vorgenommen, die in der eingangs angegebenen Literaturstelle beschrieben ist Zusätzlich wird während des Einschreibens der binären Nullen, d. h. während der Entfernung der positiven Ladung an den entsprechenden Stellen der Schreibstrahl durch in F i g. 1 schematisch angedeutete Schaltmittel 53 verändert oder manipuliert, um die vergrößerten Stellen von etwa dem Durchmesser D zu erzeugen, während gleichzeitig eine negative Vorspannung an dem Element in derartiger Polarisierung liegt, daß der metallisierte Isolator negativ bezüglich der Halbleiterschicht ist Das Verstellen oder Verändern des Schreibstrahls kann z. B. durch Defokussierung des Strahls vorgenommen werden, so daßWith reference to FIGS. 2 and 4-6, a special operating method of the novel memory element and a circuit developed for this purpose will be described. When proceeding according to the method to be described with the aid of the device, which is also to be discussed in detail, a memory element with p-conducting semiconductors is used. An electrical charge is applied uniformly over the entire surface of the insulator at the interface between insulator and semiconductor. In other words, binary ones are written everywhere, provided that such a binary one corresponds to the presence of a positive charge in the insulator layer at the corresponding point. At selected points that have a minimum distance L of, for example, 20 μm from one another, the positive charge is now removed on areas that correspond to circles of approximately diameter D , where - see above discussion - D is smaller than L and is approximately 10 μm . According to the above assumption, these locations with diameter D represent locations at which binary zeros are or are stored. The charges at the positions corresponding to the binary zeros are removed in the manner described in the reference cited at the beginning i g. 1, schematically indicated switching means 53 is changed or manipulated in order to generate the enlarged points of approximately the diameter D , while at the same time a negative bias is applied to the element in such a polarization that the metallized insulator is negative with respect to the semiconductor layer z. B. be made by defocusing the beam so that
er anstatt der normalen Strahldicke von 5 Mikron eine solche von 10 Mikron hat In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung läßt man aber den Schreibstrahl selbst bei seiner normalen Dicke von 5 Mikron und läßt ihn einen kreisförmigen Pfad um die Mitte einer jeden solchen Stelle beschreiben, so daß die Stelle selbst in der zusammen mit Fig.2 ohne weiteres erkennbaren Weise entladen wird. Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, wie in den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Hilfe des an sich zu dünnen Elektronenstrahls eine größere Fläche zu entladeainstead of the normal beam thickness of 5 microns those of 10 microns in a practical embodiment however, according to the invention, the writing beam itself is left at its normal thickness of 5 microns and makes him describe a circular path around the center of each such place, so that the place even in the easily recognizable together with FIG Way is discharged. The invention is not restricted to this, as in the exemplary embodiments described here to discharge a larger area with the help of the electron beam, which is actually too thin a
Aus dem obigen ergibt sich — s. wieder F i g. 2 — daß eine zusammenhängende Isolatorfläche, die insgesamt positiv geladen ist, die verschiedenen Datenstellen wie ein Netz umgibt, da L (etwa 20 μπι) voraussetzungsgemäß größer ist als D (etwa 10 μΐη). An denjenigen Datenstellen, an welchen Einsen durch positives Laden eingeschrieben werden, ist die Gesamtfläche positiv in dem Sinne vorgespannt, daß der Isolator gegenüber dem Halbleiter positiv ist Der Schreibstrahl bringt beim Einschreiben von Ladungen an den Einsen darstellenden Stellen weiter ggfs. Ladungen zum Entstehen, die insgesamt sich in das positiv geladene »Netz« einbetten. Diese positiven Ladungen ergeben nun wieder eine starke Inversion, d. h. eine stark leitende Stelle an jeder Datenstelle, die ihrerseits mit der vorher schon erzeugten stark leitenden netzartigen Schicht verbunden sind, die auf der Oberfläche des Halbleiters an der Grenzschicht desselben zum Isolator besteht Im Gegensatz zu den positiv geladenen, mithin Einsen darstellenden Stellen, sind die nicht geladenen, d. h. binäre Nullen darstellenden Speicherstellen relativ ladungsfrei und haben einen Durchmesser von D, der so groß gewählt wird, daß er gleich oder größer als einige Elektronenpfad-Diffusionslängen in der Halbleiterschicht ist und damit sicherstellt, daß beim Lesen erzeugte Elektronen rekombinieren, bevor die stark leitende und gitter- oder netzartig ausgebildete und invertierte Schicht erreicht wird. D kann also gegenüber dem Stand der Technik um Größenordnungen kleiner werden, wobei die Größe von D zum kleinen hin nur durch die Bedingung beschränkt ist, daß dieser Wert gleich oder größer sein muß als einige freie Wegstrecken der Elektronen in diesem Werkstoff. Durch diese letztere Maßnahme wird erreicht, daß etwa frei werdende Elektronen rekombinieren, bevor sie die positiv geladene Gitterschicht erreichen können, wo sie nämlich dann die Gesamtladung neutralisieren könnten.From the above it follows - see again FIG. 2 - that a contiguous insulator surface, which is positively charged overall, surrounds the various data points like a network, since L (about 20 μπι) is greater than D (about 10 μπι) as a prerequisite. At those data locations where ones are written by positive charging, the total area is positively biased in the sense that the insulator is positive with respect to the semiconductor embed themselves in the positively charged »network«. These positive charges now again result in a strong inversion, ie a highly conductive point at each data point, which in turn are connected to the previously generated, highly conductive, reticulated layer that exists on the surface of the semiconductor at the boundary layer of the same to the insulator positively charged locations, therefore ones representing ones, the uncharged, ie binary zeros representing memory locations are relatively free of charge and have a diameter of D, which is chosen so large that it is equal to or greater than a few electron path diffusion lengths in the semiconductor layer and thus ensures that electrons generated during reading recombine before the highly conductive and lattice-like or reticulated and inverted layer is reached. D can therefore be orders of magnitude smaller than in the prior art, the size of D being limited only by the condition that this value must be equal to or greater than a few free paths of the electrons in this material. This latter measure ensures that any electrons that are released recombine before they can reach the positively charged lattice layer, where they could then neutralize the overall charge.
Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß man die mittlere freie Weglänge eines Elektrons im Halbleiter so klein wie möglich machen sollte, damit die Rekombination von Elektronen in den nicht geladenen Bereichen verstärkt wird. Um das zu erreichen bzw. zu fördern, kann man den Silizium-Halbleiter dadurch mit Gold dotieren, daß man von der Rückseite des Silizium her Gold eindiffundieren läßt, nachdem die SiOj-Schicht gebildet wurde, aber bevor die leitende Aluminiumschicht auf die Vorderseite des Isolators aufgedampft wurde. Das Dotieren in solcher Art ist eine zum Stand der Technik gehörende Methode, um die Lebenszeit oder die freie Weglänge von Elektronen in Halbleitern zu verringern. Es gibt noch eine weitere Möglichkeit die freien Weglängen der Elektronen an der Oberfläche des Silizium-Halbleiters zu verringern: Man bringt in der Oxid-Isolatorschicht an der Grenzfläche zwischen dem Oxid und dem Silizium eine Vielzahl «on Rekombinationszentren ein. Zu diesem Zweck tempert man die oxidierten Siliziumplättchen mehrere Stunden in Sauerstoffatmosphäre bei Temperaturen in der Gegend von 800 Grad C. Auch dieses Grundverfahren zur Erzeugung von Rekombinationszentren ist Stand der Technik.From the above it follows that the mean free path of an electron in a semiconductor is as follows It should be as small as possible to allow recombination of electrons in the uncharged areas is reinforced. To achieve or promote this, the silicon semiconductor can be doped with gold, that gold is allowed to diffuse in from the back of the silicon after the SiOj layer has been formed but before the conductive aluminum layer was evaporated onto the front of the insulator. That Doping in such a manner is a prior art method to increase the lifetime or the free Reduce the path length of electrons in semiconductors. There is another possibility, the free path lengths to decrease the electrons on the surface of the silicon semiconductor: one brings in the oxide insulator layer a multitude of recombination centers at the interface between the oxide and the silicon a. For this purpose, the oxidized silicon platelets are tempered for several hours in an oxygen atmosphere at temperatures in the region of 800 degrees C. Also this basic process for the creation of recombination centers is state of the art.
F i g. 2 ist eine Draufsicht einer Ecke eines Speicherelementes, wie es unter Hinweis auf F i g. 1 erläutert wurde, und das beim Speichern in der oben beschriebenen Weise behandelt wurde. Die Oberfläche des Isolators 13 an der Grenzfläche zum Halbleiter wurde gleichförmig über seiner ganzen Oberfläche positiv geladen, so daß ein Sättigungszustand erreicht wurde, der durchF i g. FIG. 2 is a top plan view of a corner of a memory element as described with reference to FIG. 1 explained and that was treated in the manner described above when saving. The surface of the insulator 13 at the interface with the semiconductor was positively charged uniformly over its entire surface, so that a state of saturation was reached by
κι etwa 1013 positive Ladungen pro cm2 gekennzeichnet war. Dies könnte z. B. dadurch erreicht worden sein, daß man den Schreibstrahl die ganze Fläche beschreiben läßt ζ. B. in einem Rasterverfahren oder dadurch, daß man den Strahl über die ganze Oberfläche fahren läßtκι about 10 13 positive charges per cm 2 was marked. This could e.g. B. have been achieved by letting the writing beam describe the entire area ζ. B. in a raster process or by allowing the beam to travel over the entire surface
is und dabei gleichzeitig eine positive Gleichspannung in der Größenordnung einiger Volt über dem »Kondensator« aufrecht erhält Danach wird ein Elektronenstrahl mit einem Strahldurchmesser dvon etwa 5 μΐη nacheinander auf jede Datenstelle gerichtet, wobei zwei Daten-is and at the same time a positive DC voltage on the order of a few volts above the "capacitor receives" upright Thereafter, an electron beam with a beam diameter d of about 5 μΐη successively on each data point addressed, with two data
2(i stellen voneinander immer den Miitenabstand L haben. Bei der Anordnung nach F i g. 2 sind die Datenstellen in Zeilen und Spalten mit je einem Abstand von L angeordnet Beim Einschreiben, d. h. beim Speichern der Daten wird der Elektronenstrahl in der oben erläuterten2 (i represent each other always Miitenabstand L have. G In the arrangement according to F i. 2, the data points in rows and columns, each with a distance of L arranged During writing, that is, when storing the data of the electron beam is described in the above-
2f. Weise »manipuliert«, um die Datenstelle mit etwa einem Durchmesser D zu bearbeiten, wobei erkennbar D größenordnungsmäßig zwischen d und L liegt An denjenigen Speicherstellen, an welchen binäre Einsen gespeichert bzw. eingeschrieben werden sollen, wird das Speicherelement positiv vorgespannt, wodurch man die miteinander verbundenen positiv geladenen Flächen erhält; an denjenigen Stellen, an welchen binäre Nullen eingespeichert werden sollen, wird der Kondensator — während der Schreibstrahl auf die entsprechende Stelle gerichtet ist — negativ vorgespannt wobei gleichzeitig in der oben beschriebenen Weise wieder die entsprechende Stelle vom Durchmesser D durch den Schreibstrahl bearbeitet wird. Man sieht, daß bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 in der obersten Zeile die binäre 2f. Way "manipulated" in order to process the data location with about a diameter D , with D being of the order of magnitude between d and L connected positively charged surfaces receives; At those points where binary zeros are to be stored, the capacitor is negatively biased while the write beam is directed at the corresponding point, and at the same time the corresponding point of diameter D is processed by the write beam in the manner described above. It can be seen that in the embodiment according to FIG. 2 in the top line the binary
•to Einsnulleins, in der zweiten Zeile die binäre Zahl Nulleinsnull und in der dritten Zeile die binäre Zahl Einseinsnull eingespeichert ist.• to one-zero, in the second line the binary number zero-zero and the binary number one-one-zero is stored in the third line.
Beim Auslesen des so beschriebenen Speicherelementes wird wie folgt vorgegangen: Die VorspannungThe procedure for reading out the memory element described in this way is as follows: The bias
Ί5 des metallisierten Isolators gegen die Halbleiterunterlage wird auf einen Wert zwischen 0 und — 10 Volt eingestellt, so daß die Silizium-Oberfläche unter den positiv geladenen Oxid-Isolatorflächen in starke Inversion übergehen und die verbliebenen nicht geladenen Stellen, an denen sich die binären Nullen befinden, recht schwach invertiert sind, aber nicht stark leiten. Der Lesestrahl vom Durchmesser d wird dann auf die die Daten speichernden Stellen gerichtet. Wenn der Lesestrahl auf eine positiv geladene Speicherstelle gerichtet wird, entsteht ein großer Ausgangsstrom von typisch etwa 50 Mikroampere über dem insgesamt als Kondensator geschalteten Speicherelement. Wenn der Lesestrahl aber die Mitte einer der nicht geladenen, also binären Nullen darstellenden Flächen trifft, von welchen die Oxid-Isolator-Ladung entfernt wurde, ist der sich ergebende Ausgangsstrom erheblich kleiner, und zwar typisch bei weniger als 10 Mikroampere. Erkennbar ist dadurch eine unzweideutige Unterscheidung des Ladungszustandes des Oxid-Isolators an der abgefragten Stelle möglich.Ί5 of the metallized insulator against the semiconductor substrate is set to a value between 0 and -10 volts, so that the silicon surface under the positively charged oxide insulator surfaces go into strong inversion and the remaining uncharged places where the binary zeros are located , are quite weakly inverted, but do not conduct strongly. The reading beam of diameter d is then directed onto the locations that store the data. If the reading beam is directed at a positively charged storage location, a large output current of typically around 50 microamps is generated across the storage element, which is connected as a capacitor. If, however, the reading beam hits the center of one of the uncharged areas, i.e. areas representing binary zeros, from which the oxide-insulator charge has been removed, the resulting output current is considerably lower, typically less than 10 microamps. This enables an unambiguous differentiation of the charge state of the oxide insulator at the queried point to be recognized.
Theoretisch spielt sich dabei etwa folgendes ab: Es kann nur dann ein großer Ladestrom am Kondensator auftreten, wenn der Lesestrahl einen Bereich des Oxid-Theoretically, the following happens: Only then can a large charging current be applied to the capacitor occur when the reading beam covers an area of the oxide
isolators trifft, der von einer großen und zusammenhängenden Fläche des Isolators umgeben ist, der seinerseits positiv geladen ist Durch gleichförmiges Verteilen bzw. Aufbringen positiver Ladungen auf der ganzen Oberfläche des Isolators und Entfernen dieser positiven Ladung an nur jenen Stellen, an welchen die Nullen gespeichert werden sollen, wird die Erzeugung eines großen Ladestroms an den positiv geladenen Speicherstellen siqhergestellt; auf diese Weise erhält man eine unzweideutige, & h. jederzeit sicher erkennbare Auslesung der eine binäre Eins speichernden Stellen. Da der Durchmesser D der binären Null-Stellen kleiner ist als der geringste Abstand L von entsprechenden, Null-speichernden Stellen untereinander, ist stets eine gitterartige Fläche positiv geladener Isolatorschichten vorhanden, und zwar unabhängig davon, wieviele Datenstellen mit gespeicherten Nullen in den aufgezeichneten Daten vorliegen. Diese Verhältnisse stellen sicher, daß, wenn der Lesestrahl eine positiv geladene Datenstelle in dem Oxidisolator trifft, der unter der Speicherstelle induzierte Trägerstrom ohne wesentlichen Widerstand in die große Fläche des stark leitenden und invertierten Silizium-Halbleiters fließen kann, der unter der entsprechenden netzartigen Fläche des positivgeladenen Oxidisolators liegt. Es wird also eine große Fläche des Speicherelementes angetastet, was zur Erzeugung eines großen Ausgangsstromes führt, der kennzeichnend für die positiv geladenen Speicherstellen ist, die den binären Einsen entsprechen.isolator meets, which is surrounded by a large and contiguous area of the insulator, which in turn is positively charged by uniformly distributing or applying positive charges over the entire surface of the insulator and removing this positive charge only in those places where the zeros are stored should, a large charging current is generated at the positively charged storage locations siq; in this way one obtains an unambiguous, & h. Readout of the digits storing a binary one that can be reliably identified at any time. Since the diameter D of the binary zero digits is smaller than the smallest distance L between the corresponding zero-storing locations, there is always a grid-like area of positively charged insulator layers, regardless of how many data locations with stored zeros are in the recorded data . These conditions ensure that when the reading beam hits a positively charged data location in the oxide insulator, the carrier current induced under the storage location can flow without significant resistance into the large area of the highly conductive and inverted silicon semiconductor, which is located under the corresponding reticulated area of the positively charged oxide insulator lies. A large area of the storage element is therefore touched, which leads to the generation of a large output current which is characteristic of the positively charged storage locations which correspond to the binary ones.
Wenn der Lesestrahl etwa mittig auf eine Datenstelle trifft, die nicht geladen ist und somit eine Null darstellt, können Elektronen, die sich im Silizium-Halbleiter unter der Einwirkung des Lesestrahls bilden, nicht bis zum Rand der nicht geladenen, Nullen darstellenden Flächen vom Durchmesser D gelangen, wo sie die Möglichkeit hätten, mit dem stark invertierten und gut leitenden Gitter in Wechselwirkung zu geraten. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Ausdehnung D der nicht geladenen, Nullen darstellenden Datenstellen so gewählt wird, daß sie mehrere Weglängen der Elektronen in dem Werkstoff größer ist als der Durchmesser d des Lesestrahls. Auf diese Weise rekombinieren vom Elektronenstrahl in dem Halbleiter erzeugte Elektronen, bevor sie in die hochleitende Inversionsschicht hineindiffundieren können. Wenn die Elektronen rekombiniert haben, stehen sie nicht mehr als Ladungsträger zur Verfügung. Die vom Lesestrahl erzeugten Elektronen können also nur diejenige Fläche der Grenzfläche zwischen dem Oxid-Isolator und dem Halbleiter laden, die direkt vom Lesestrahl getroffen wird. Infolgedessen ergibt sich höchstens ein sehr kleiner Ausgangsstrom von einer Platte des »Kondensators« zur anderen. Es ist darauf hinzuweisen, daß im praktischen Falle einige an nicht geladenen Speicherstellen erzeugte Elektronen zur Inversionsschicht gelangen können, wo sie dann dazu beitragen, große Flächen in dem ganzen Speicherelement zu laden. Das Verhältnis des Lesestrahl-Durchmessers dzum Durchmesser D der Speicherstellen ist so gewählt, daß eine ausreichende Anzahl dieser Elektronen rekombinieren, bevor sie die stark bzw. gut leitende Inversionsschicht erreichen. Das Ergebnis dieser Verhältnisse ist, daß die Amplitude des Ladestroms erheblich unterschiedlich ist, je nach dem ob eine geladene Speicherstelle (binäre Eins) oder eine nicht geladene Speicherstelle (binäre Null) abgetastet wird. Durch Dotieren mit Gold oder Ausheizen in Sauerstoffatmosphäre bei hohen Temperaturen kann man die Diffusion von durch den Schreibstrahl erzeugten Elektronen aus den nicht geladenen Speicherstellen in die stark leitende Inversionsschicht noch verringern, was praktisch auf eine Vergrößerung des Unterschiedes der Ausleseströme hinausläuftIf the reading beam hits a data location approximately in the middle that is not charged and thus represents a zero, electrons that are formed in the silicon semiconductor under the action of the reading beam cannot reach the edge of the uncharged, zero-representing areas with a diameter of D. where they would have the opportunity to interact with the highly inverted and highly conductive grid. This is due to the fact that the extent D of the uncharged data locations representing zeros is chosen so that it is several path lengths of the electrons in the material greater than the diameter d of the reading beam. In this way, electrons generated by the electron beam recombine in the semiconductor before they can diffuse into the highly conductive inversion layer. When the electrons have recombined, they are no longer available as charge carriers. The electrons generated by the reading beam can only charge that area of the interface between the oxide insulator and the semiconductor that is hit directly by the reading beam. As a result, there is at most a very small output current from one plate of the "capacitor" to the other. It should be pointed out that in the practical case some electrons generated at uncharged storage locations can reach the inversion layer, where they then contribute to charging large areas in the entire storage element. The ratio of the reading beam diameter d to the diameter D of the storage locations is chosen so that a sufficient number of these electrons recombine before they reach the strongly or highly conductive inversion layer. The result of these relationships is that the amplitude of the charging current is considerably different, depending on whether a charged memory location (binary one) or an uncharged memory location (binary zero) is scanned. By doping with gold or heating in an oxygen atmosphere at high temperatures, the diffusion of electrons generated by the write beam from the uncharged storage locations into the highly conductive inversion layer can be further reduced, which in practice amounts to an increase in the difference in readout currents
Hier ist darauf hinzuweisen, daß der gegenüber der unter Hinweis auf F i g. 2 erläuterte Vorgang umgekehrt stattfindet, wenn es sich bei dem unterlegen Halbleiter um einen η-Leiter handeln würde. Wenn ein n-Halbleiter verwendet würde, dann wäre die Gesamtfläche desIt should be pointed out here that the opposite of the reference made to FIG. 2 explained process in reverse takes place if the inferior semiconductor were an η conductor. If an n-semiconductor would be used then the total area of the
ίο Speicherelementes gleichförmig ungeladen. Wenn man beispielsweise möchte, daß die binären Einsen von einem großen Ausgangsstrom beim Ablesen gekennzeichnet wären, während man einen vernachlässigbaren oder praktisch nicht vorhandenen Stromimpuls beim Ablesen von Nullen haben will, dann würden die binären Einsen eben von nicht geladenen Speicherstellen dargestellt, die mit der gleichförmig nicht geladenen Gitterschicht über der ganzen Oberfläche der Isolatorschicht verbunden sind. Umgekehrt würden dann die binären Nullen von positiv geladenen Flächen dargestellt Ähnlich dem oben beschriebenen Vorgehen würde aber für die positiv geladenen, Nullen darstellenden Speicherstellen wieder gelten, daß D kleiner sein muß als L ίο storage element uniformly uncharged. If, for example, one would like the binary ones to be characterized by a large output current when reading them, while one would like to have a negligible or practically nonexistent current pulse when reading zeros, then the binary ones would be represented by unloaded storage locations that are uniform with the uncharged grid layer are connected over the whole surface of the insulator layer. Conversely, the binary zeros of positively charged areas would then be displayed. Similar to the procedure described above, however, it would again apply to the positively charged memory locations that represent zeros that D must be smaller than L.
Beim Auslesen eines solchen Speichers mit n-leitendem Halbleiter wird ein Auslesepotential von etwa — 30 bis -4OVoIt erforderlich, um die notwendige Inversionsregion in der Halbleiterschicht unter den nicht geladenen Bereichen des Isolators zu erzeugen. Im Bereich der positiv geladenen Speicherstellen wird höchstens eine schwach angereicherte Zone erzeugt Wenn der Lesestrahl die nicht geladenen, binären Einsen entsprechenden Stellen abliest, können die entstehenden Elektronen in die stark invertierte und gut leitfähige gitterartige Schicht einfließen, wodurch ein kräftiger Ausgangsstrom-impuls entsteht Wenn aber der Lesestrahl auf die positiv geladenen Speicherstellen trifft, können vom Elektronenstrahl erzeugte Elektronen nicht in diese gut leitende und hochinvertierte netzartige Schicht eintreten und rekombinieren infolgedessen in den Flächenbereichen vom Durchmesser D, die wieder der Größe nach einigen Elektronenweglängen im Halbleiter entsprechen. Infolgedessen wird allerhöchstens ein ganz kleiner Ausgangsstrom erzeugt, der — das ist das wichtigste — ohne jede Schwierigkeit eindeutig von dem relativ starken Strom unterscheidbar ist, der beim Auslesen nicht geladener Datenstellen eines Speichers der hier diskutierten Art entsteht, wenn der Speicher einen η-leitenden Halbleiter verwendet.When reading out such a memory with n-conducting semiconductor, a read-out potential of approximately -30 to -4OVoIt is required in order to generate the necessary inversion region in the semiconductor layer under the uncharged areas of the insulator. In the area of the positively charged storage locations, at most a weakly enriched zone is generated.If the reading beam reads the uncharged, binary ones corresponding locations, the electrons generated can flow into the highly inverted and highly conductive grid-like layer, which creates a powerful output current pulse If the reading beam hits the positively charged storage locations, electrons generated by the electron beam cannot enter this highly conductive and highly inverted network-like layer and consequently recombine in the areas of diameter D, which again correspond in size after a few electron path lengths in the semiconductor. As a result, at most a very small output current is generated, which - this is the most important - can be clearly distinguished from the relatively strong current that is generated when reading out unloaded data locations of a memory of the type discussed here, if the memory is an η-conducting semiconductor used.
Hier ist nun wichtig die Beobachtung, daß der Ladungszustand in dem Oxid-Isolator direkt unter der jeweils ausgelesenen Stelle praktisch ohne Bedeutung für die Wirkungsweise eines Speichers ist, der in der der Erfindung zugrunde liegenden Weise so eng »beschrieben« ist. Es kommt im wesentlichen nur auf den Ladungszustand des Oxid-Isolators im Bereich der Regionen vom Durchmesser D an, und zwar an jenen Stellen, die praktisch die Auftrefffläche des Lesestrahls unmittelbar berühren. Die Amplitude des Ausgangsstromes wird praktisch ausschließlich von den Teilen der Datenstellen vom Durchmesser D bestimmt, die die Auftrefffläche des Lesestrahles gewissermaßen in Ringform unmittelbar umgeben. Wenn der Ladungszustand dieser soeben definierten Ringfläche so ist, daß durch den Strahl im Halbleiter die Elektronen in eine große Fläche der darunter liegenden netzartigen und stark leitenden sowie hochgradig invertierten Schicht gelangen können, dann wird sich ein großer Ladestrom oder Entladungs-What is important here is the observation that the state of charge in the oxide insulator directly below the position read is practically of no significance for the mode of operation of a storage device which is so closely "described" in the manner on which the invention is based. Essentially, only the charge state of the oxide insulator in the region of the regions of diameter D is important , specifically at those points which practically touch the impingement surface of the reading beam directly. The amplitude of the output current is determined practically exclusively by the parts of the data points with a diameter D , which directly surround the impingement surface of the reading beam, so to speak, in a ring shape. If the state of charge of this ring area just defined is such that the electrons can get through the beam in the semiconductor into a large area of the network-like, highly conductive and highly inverted layer underneath, then a large charging current or discharge
strom einstellen. Wenn aber diese Ringfläche, die innerhalb einer entsprechenden SpeichersteUe vom Durchmesser D und außerhalb der unmittelbaren Auftrefffläche des Lesestrahles liegt, keinen elektrisch leitenden Pfad für diejenigen Elektronen bildet die durch des Lesestrahl erzeugt werden, dann haben solche Elektronen — die nicht recht wandern können — die Tendenz, innerhalb einer Gesamtstrecke von einigen freien Wegstrecken von Elektronen innerhalb der Speicherstellenadjust current. However, if this ring area, which lies within a corresponding storage area of diameter D and outside the immediate impact area of the reading beam, does not form an electrically conductive path for those electrons that are generated by the reading beam, then those electrons - which cannot migrate properly - have the tendency , within a total of a few free paths of electrons within the storage locations
bei während der Beschießung der ganze »Kondensator« negativ vorgespannt war, die Vorspannung an dem Speicherelement, d.h. an dem »Kondensator« umgepolt, so daß sie positiv ist, und dann wird nur noch eine Fläche vom Durchmesser «/(kleiner als D!) mitten in der nicht geladenen Fläche D während einer äquivalenten Zeit beschossen; nunmehr hat dieser Bereich die Eigenschaften, d. h. das »Aussehen« einer binären Null, wenn er darauf folgend durch einen Elektronenstrahl abgele-If the entire "capacitor" was negatively biased during the bombardment, the bias voltage on the storage element, ie on the "capacitor", is reversed so that it is positive, and then only an area with the diameter "/ (smaller than D!) fired in the middle of the uncharged area D for an equivalent time; now this area has the properties, ie the "appearance" of a binary zero when it is subsequently read by an electron beam.
zu rekombinieren, wodurch kein Ausgangsstrom oder io sen wird, dessen Durchmesser «/ist, da der Ladungszuhöchstens ein äußerst kleiner Ausgangsimpuls entsteht stand des Oxydisolators unmittelbar unter dem Auf-Es ergibt sich, daß der Ladungszustand des Oxid-lsola- treffpunkt des Lesestrahls keinen Einfluß auf den Austors unter der Auftreffstelle des Lesestrahls ohne große gangsstromimpuls hat, der in der oben erläuterten Wei-Bedeutung ist, also mithin mehr oder minder frei wähl- se am Speicherelement auftritt Es ist besonders wichtig, bar ist Diese zuletzt erörterten Gegebenheiten sind für 15 daß das Verhältnis der Zeit der Beschießung bei negatidie Erklärung bzw. Lehre wichtig, wie man derartige ver Vorspannung zur Zeit der Beschießung mit positiver Speicher betreibt, damit Wechselwirkungen zwischen Vorspannung so gewählt werden kann, daß Streuelekden verschiedenen Speicherstellen möglichst klein sind. tronen, die weit von der Mitte des Schreibstrahls ent-to recombine, as a result of which no output current or io sen, the diameter of which is ½, since the charge is at most an extremely small output impulse is generated by the oxide isolator immediately below the Auf-Es the result is that the charge state of the oxide-isolating point of contact of the reading beam has no influence on the output below the point of impact of the reading beam without a large output current pulse, which has the meaning explained above is, so there is more or less free choice on the storage element It is particularly important bar is These facts discussed last are for 15 that the relation of the time of the bombardment with negatidie Explanation or teaching important, how to get such ver bias at the time of bombardment with positive Memory operates so that interactions between bias voltage can be chosen so that scattered ledges different storage locations are as small as possible. trons far from the center of the writing beam.
Bei Datenspeichern, die im wesentlichen Sandwich- fernt sind, soviel positive Ladung während der folgenartige Körper der Folge Metall-Isolator-Halbleiter-Me- 20 den Beschießung der mittigen Fläche d ersetzen, als tall sind, ist keine signifikante Wechselwirkung zwischen während der zuvor durchgeführten ursprünglichen »Beden Speicherstellen über den Kondensator selbst zu be- schriftung« der Fläche vom Durchmesser D entfernt fürchten. Es ist aber der Schreibstrahl und der Lese- wurde. Dieser Vorgang wird jedesmal wiederholt, wenn strahl nicht unendlich genau definierbar; obwohl die eine durch Nichtladung gekennzeichnete binäre Null große Mehrzahl der Elektronen in einem solchen Elek- 25 geschrieben wird, so daß keine Tendenz besteht, danetronenstrahl sehr nahe bei der Mittelachse des Strahles ben liegende Datenstellen oder andere Flächenbereiche fliegen, sind immer einige Elektronen vorhanden, die im Oxidisolator zu entladen, die eine poskive Ladung nicht in die gewissermaßen theoretische Aufprallfläche behalten soüen.In the case of data memories that are essentially sandwiched away, as much positive charge as are tall during the sequence-like body of the sequence metal-insulator-semiconductor-metal replace the bombardment of the central area d , there is no significant interaction between the previously carried out Original “Beden storage locations about the capacitor itself to be labeled” of the area away from the diameter D fear. But it is the writing beam and the reading became. This process is repeated every time if ray is not infinitely precisely definable; Although the large majority of the electrons, denoted by a binary zero, of the electrons are written in such an electron, so that there is no tendency for the electron beam to fly to data points or other areas lying very close to the central axis of the beam, there are always some electrons present which to discharge in the oxide insulator, which should not retain a positive charge in the more or less theoretical impact surface.
fallen. Infolgedessen gibt es immer einige Elektronen Beim Auslesen von Daten aus dem Speicherelementfall. As a result, there are always some electrons when reading out data from the storage element
beim Lesen und beim Schreiben, die statistisch über die 30 kann der oben beschriebene Prozeß zur Erzielung einer Oberfläche des ganzen Speicherelementes verteilt auf- gewissen Symmetrie wieder durchgeführt werden. Der treffen. Ober eine ggfs. lange Zeit bzw. über mehrere Lesestrahl vom Durchmesser d wird auf die jeweiligen Betriebszyklen hinweg, kann der integrierte Effekt sol- Datenstellen zentriert während das Speicherelement eher Streuelektronen große Flächen des ganzen »Kon- negativ vorgespannt ist. Während der Auslesephase Hedensators« laden oder entladen. Um nun diesen Streu- 35 gen die beiden Kondensatorplatten durch geeignete elektroneneffekt zu vermeiden, kann man folgende Schaltmittel an einem Verwertungsgerät, z.B. einem Kunstgriffe anwenden: Rechner oder Detektor. Darauf folgend, d. h. nach demwhen reading and writing, which are statistically over 30, the process described above can be carried out again to achieve a surface area of the entire memory element distributed over a certain symmetry. The meet. Over a possibly long time or over several reading beams of diameter d over the respective operating cycles, the integrated effect can be centered so data points while the storage element is rather scattered electrons large areas of the whole con-negatively biased. Charge or discharge during the Hedensators «readout phase. In order to avoid these scattering of the two capacitor plates by means of suitable electron effects, the following switching means can be used on a recycling device, for example a device: computer or detector. Following this, ie after the
Um den Effekt von Streuelektronen möglichst klein Auslesen einer bestimmten Datenstelle wird die Vorzu halten, kann man zunächst einmal versuchen zu er- spannung am Speicherelement umgepolt, so daß es nunfassen, wieviel so erzeugte positive »Streuladung« im 40 mehr positiv geladen ist und dann wird dieselbe Daten-Isolator während des Schreibens erzeugt wird; der stelle wieder für eine entsprechend gewählte Zeit benächste Schritt dieses Vorgehens besteht dann darin, schössen, die der Zeit des Lesens entspricht, bzw. zu ihr einen entsprechenden Betrag solcher »Streuladung« in dem oben erläuterten Verhältnis steht. Dadurch werpositiven Vorzeichens zu entfernen. In ähnlicher Weise den soviel Streuelektronen, wie während des Auslesens entsteht übrigens auch beim Auslesen, wenn das Spei- 45 der Datenstelle bei negativer Vorspannung erzeugt cherelement negativ vorgespannt wird, eine Verringe- wurden ebensoviel bei positiver Vorspannung bei dem rung der positiven Ladung vom Isolator aufgrund der folgenden Regenerierungsschrift erzeugt, so daß man erläuterten Streuelektronen. Auch hier kann man fest- also die Wechselwirkung nebeneinander liegender Dahalten, wieviel positive Ladungsmenge entfernt wird, tenstellen auf ein Minimum bringt, sowie gleichzeitig die und dann entsprechend positive Ladungen wieder auf- 50 Wechselwirkungen einer Datenstelle mit der großen gebringen. Der Langzeiteffekt von Streuelektronen läßt Iadenen gitterartigen Fläche, welche alle Datenstellen sich in der nun zu beschreibenden Weise kompensieren. umgibt. Wenn man annimmt, daß die Ladungszeit des Es sei angenommen, daß ein p-leitendes Silizium im Oxidisolators und die Entladungszeit desselben eine Ii-Speicherelement verwendet wird. Zu Beginn des neare Funktion der Strahldichte des Elektronenstrahls Schreibvorgangs ist dann überall im Oxidisolator eine 55 und der Vorspannung am Speicherelement ist, dann ist positive Ladung zu finden. Dann werden nicht geladene, die Reihenfolge, in welcher diese Regenerierungsschritbinäre Nullen darstellende Speicherstellen an bestimm- te der einzelnen Datenstellen stattfinden, offenbar von ten Orten erzeugt. Während des Schreibens der binären untergeordneter Bedeutung.In order to minimize the effect of scattered electrons hold, one can first try to reverse the polarity of the voltage on the storage element, so that it is now how much positive "stray charge" generated in this way is more positively charged in the 40 and then the same becomes a data isolator generated while writing; the place next for an appropriately selected time The step of this procedure then consists in shooting that corresponds to the time of reading, or to it a corresponding amount of such "stray charge" is in the ratio explained above. This means that they are positive To remove the sign. In a similar way to as many scattered electrons as during the readout Incidentally, it also occurs when reading out when the memory 45 generates the data location with a negative bias voltage cherelement is biased negatively, a reduction were just as much with positive bias in the tion of the positive charge generated by the insulator due to the following regeneration script, so that one explained scattered electrons. Here, too, one can hold firmly - i.e. the interaction of those lying next to each other, how much positive amount of charge is removed, brings tenstellen to a minimum, as well as the and then reapply positive charges accordingly. The long-term effect of scattered electrons leaves a grid-like surface that contains all data points compensate each other in the manner now to be described. surrounds. Assuming that the charging time of the Assume that there is a p-type silicon in the oxide insulator and the discharge time of the same is an Ii storage element is used. At the beginning of the linear function of the radiance of the electron beam The write process is then 55 everywhere in the oxide insulator and the bias voltage on the memory element is then to find positive charge. Then unloaded, the order in which these regeneration steps are binary Storage locations representing zeros take place at certain of the individual data locations, apparently from th places. While writing the binary minor.
Nullen wird das Potential der Unterlage negativ gehal- Eine weitere Methode zur Überwindung der WirkungZeros will keep the potential of the substrate negative- Another method of overcoming the effect
ten, und daraus folgt dann, daß der gewünschte Hinter- 60 von solchen Elektronen, die relativ weit von der Mitte grund des positiv geladenen Isolators, der das alle Da- des Strahls entfernt auftreffen, besteht darin, die auf die tenstellen umgebende und durchgehende positiv gela- Flächeneinheit bezogene Dichte des Metalls über dem dene Netz bildet, die Tendenz hat, sich aufgrund der Isolator, welches der Wirkung des Elektronenstrahls erläuterten Elektronen-Streustrahlung zu entladen. Um ausgesetzt ist, auf einen optimalen Wert zu bringen. Es diesem Effekt entgegen zu wirken, d. h., ihn zu kompen- 65 ist beobachtet worden, daß dann, wenn die zunächst sieren, wird dann, nachdem man dadurch eine binäre beschossene erste Metallschicht Aluminium ist, und zu Null geschrieben hat, indem man eine positive Ladung dünn, z. B. etwa 500 Angström oder weniger dick ist, aus einer Fläche vom Durchmesser D entfernt hat, wo- Störungseffekte auftreten, die sich auf Mehrfachrefle-and from this it follows that the desired background of those electrons which strike relatively far from the center of the positively charged insulator, which removes all the data from the beam, consists of those surrounding and continuous positive The density of the metal over which the net forms, which has a tendency to discharge due to the insulator, which is the effect of the electron beam, which is explained by the scattered electron radiation. In order to be exposed to bring to an optimal value. To counteract this effect, that is to say to compensate for it, it has been observed that if they initially zero, then after a binary bombarded first metal layer is aluminum and has been written to zero by writing a positive one Charge thin, e.g. B. is about 500 Angstroms or less thick, has removed from an area of diameter D , where disturbance effects occur, which affect multiple reflections
xion und Rückstreuungselektronen zurückführen lassen; dabei wird ein Teil des auftreffenden Strahls praktisch zwischen den Speicherkondensator und anderen Flächen innerhalb des Elektronenstrahlweges hin- und herreflektiert. Um nun unerwünschte Effekte dieser Art zu unterdrücken, sollte die erste oder oberste Aluminiumschicht nach einer im Rahmen der Erfindung gefundenen Erkenntnis eine Dicke von etlichen tausend Angström haben. Man kann auch ein anderes Metall verwenden, das eine Flächendichte in der Größe von 50 Mikrogramm pro cm2 hat Es kann auch ein Werkstoff mit niedrigem Rückstreukoeffizienten, z. B. Kohle, verwendet werden, um die reflektierenden Flächen innerhalb des arbeitenden Elektronenstrahls zu beschichten. Durch die größere Dicke der Flächeneinheit verlieren die reflektierten Elektronen etliche Energie beim Durchtritt durch die oberste Metallschicht, so daß sie nach Mehrfachreflexion nicht mehr genügend Energie haben, um durch den Metallfilm hindurch zurück in die darunter liegende Oxid-Isolatorschicht za gelangen. Selbstverständlich dämpft eine dickere erste Metallschicht den Elektronenstrahl; unter Berücksichtigung dieser Tatsache wurde eine optimale Dicke bei Aluminium als erste Metallschicht in der Größenordnung von 2000 Angström ± 500 Angström gefunden; dies ist ein Kompromiß zwischen der Forderung Streustrahlung bzw. Rückstrahlung zu vermeiden, und andererseits der Forderung, den Elektronenstrahl so wenig wie möglich zu dämpfen.let xion and backscatter electrons return; part of the incident beam is practically reflected back and forth between the storage capacitor and other surfaces within the electron beam path. In order to suppress undesirable effects of this type, the first or topmost aluminum layer should, according to a finding within the scope of the invention, have a thickness of several thousand angstroms. Another metal can also be used which has an areal density of 50 micrograms per cm 2. A material with a low backscattering coefficient, e.g. B. carbon, can be used to coat the reflective surfaces within the working electron beam. Due to the greater thickness of the unit area, the reflected electrons lose some energy during passage through the uppermost metal layer, so that they no longer have to multiple reflection enough energy insulator layer oxide za pass through the metal film pass back into the underlying. Of course, a thicker first metal layer attenuates the electron beam; With this in mind, an optimal thickness for aluminum as the first metal layer has been found to be on the order of 2000 angstroms ± 500 angstroms; this is a compromise between the requirement to avoid scattered radiation or back radiation and, on the other hand, the requirement to attenuate the electron beam as little as possible.
In F i g. 4 ist als Funktions-Blockdiagramm ein Speichersystem nach der Erfindung dargestellt, mit dessen Hilfe Daten so eingeprägt und ausgelesen werden, wie dies oben im einzelnen erläutert wurde. In F i g. 4 ist mit 20 eine Elektronenstrahlröhre bezeichnet, die eine Mikro-Ablenk- bzw. -Abtasteinrichtung aufweistIn Fig. 4 is a functional block diagram of a memory system represented according to the invention, with the help of which data are imprinted and read out as this has been explained in detail above. In Fig. 4 is denoted by 20 a cathode ray tube, which has a micro-deflection or scanning device
Diese Röhre 20 weist eine Vielzahl von Mikroablenk-Linsen auf, die in einer zum Elektronenstrahl im wesentlichen senkrecht verlaufenden Ebene angeordnet sind. Der von einer herkömmlichen Strahlenquelle erzeugte Elektronenstrahl wird fein gebündelt und dann zunächst grob durch ein Grob-Ablenksystem auf eine dieser kleinen Mikroablenk-Linsen gelenkt Diese (Elektronen-) Linsen können nun über ausgewählten der vielen Speicherelemente gemäß F i g. 1 angeordnet sein, und zwar etwa gemäß F i g. 6 in einem Oktogonalmuster. Die ganze Anzahl von Speicherelementen ist in einem Oktogonalmuster angeordnet, das eine maximale Größe, von etwa 6 χ 6 cm aufweist. Die Anordnung besteht aus einzeln angefertigten Speicherelementen oder einem im ganzen hergestellten Bauteil auf einer gemeinsamen Halbleiterunterlage, was mit bekannten Technologien gemacht werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, die einzelnen Speicherelemente insgesamt quadratisch in Spalten und Reihen ähnlich der Anordnung der Datenstellen gemäß F i g. 2 anzuordnen. Wahlweise kann man auch andere Muster für die eigentlichen Datenstellen wählen, z. B. ein Hexagonalmuster oder irgendeine andere Flächen-artige Anordnung von. einzelnen Punkten, wobei man sich danach richtet, wie man eine vorhandene Fläche und vorhandene Geräte am besten ausnützt; dabei ist wichtig, daß man die Datenstellen gemäß der Erfindung nahe zu einander legen kann.This tube 20 has a plurality of micro-deflecting lenses, which in one to the electron beam substantially perpendicular plane are arranged. The one generated by a conventional radiation source The electron beam is finely bundled and then roughly through a coarse deflection system onto one of these small ones Micro-deflecting lenses steered These (electron) lenses can now be selected from the many storage elements according to FIG. 1 be arranged, namely approximately in accordance with FIG. 6 in an octagonal pattern. The whole Number of storage elements is arranged in an octagonal pattern that has a maximum size of about 6 χ 6 cm. The arrangement consists of individually manufactured storage elements or an im whole manufactured component on a common semiconductor substrate, what with known technologies can be done. Of course, it is also possible to use the individual storage elements as a whole square in columns and rows similar to the arrangement of the data locations according to FIG. 2 to be arranged. Optional you can also choose other patterns for the actual data locations, e.g. B. a hexagonal pattern or any other face-like arrangement of. individual points, depending on how you are makes best use of the available space and equipment; It is important that you get the data can put according to the invention close to each other.
Innerhalb der Röhre 20 wird der scharf gebündelte Elektronenstrahl durch das X- K-Grobablenklinsensystem auf das Feld der Feineinstellungs-Ablenklinsen gelenkt. Die Grobablenkung kann z. B. versetzt angeordnete elektromagnetische Linsen verwenden, um sicherzustellen, daß eine ausgewählte Feinablenkungslinse senkrecht zur Linsenebene vom Strahl getroffen wird. Wenn zur Grobablenkung elektrostatische Platten verwendet werden, kann man eine Beschleunigungslinse für denselben Zweck einsetzen. Die ausgewählte Feinablenkungslinse läßt dann den Elektronenstrahl durch entsprechende Ablenkungssignale an ihren Elektroden auf ausgewählte bzw. dadurch angesteuerte Datenstellen des entsprechenden nachgeschalteten Speicherelementes fallen. Während nun der Elektronenstrahl die Oberfläche des ausgewählten Speicherelementes von Datenstelle zu Datenstelle durch das X-y-Feinablenkungssystem abtastet, wird der Strahl durch eine Antastschaltung 42 an- und abgeschaltet, die mit der Steuerelektrode der Röhre 20 verbunden ist Eine Hochspannungsversorgung 41 versorgt nun den eigentlichen Elektronenstrahl-Generator, die Fokussierungslinse, die Grobablenkanordnung und die Feinablenkanordnung mit den geeigneten Spannungen bzw. Potentialen. 43 ist in F i g. 4 der Signalgenerator für die Grobablenkung in der ^-Richtung; 44 ist der Steuersignalgenerator für die Grobablenkung in der K-Richtung; 46 ist der Signalgenerator für die Feinablenkung in der ^-Richtung und 47 ist der Steuergenerator für die Feinablenkung in der y-Richtung. Diese Signalgeneratoren 41—47 sind im wesentlichen Digital-Analog-Umsetzer; sie erhalten Eingangsgrößen von einem Rechner, welche digital verschlüsselt Positions- und Steuersignale enthalten, und setzen diese Eingangssignale in entsprechende — analoge — Ablenkspannungen bzw. Ströme um, so daß der Elektronenstrahl (zum Speichern und zum Lesen) der Röhre 20 mit richtiger Intensität auf die gewählte Datenstelle eines gewählten Speicherelementes fällt.Within the tube 20, the sharply focused electron beam is directed by the X- K coarse deflection lens system onto the field of the fine adjustment deflection lenses. The coarse deflection can, for. B. use staggered electromagnetic lenses to ensure that a selected fine deflection lens is perpendicular to the lens plane hit by the beam. If electrostatic plates are used for coarse deflection, an accelerating lens can be used for the same purpose. The selected fine deflection lens then lets the electron beam fall by means of corresponding deflection signals at its electrodes onto selected or thereby controlled data locations of the corresponding downstream storage element. While the electron beam now scans the surface of the selected storage element from data location to data location by the Xy fine deflection system, the beam is switched on and off by a scanning circuit 42 which is connected to the control electrode of the tube 20. A high voltage supply 41 now supplies the actual electron beam. Generator, the focusing lens, the coarse deflection arrangement and the fine deflection arrangement with the appropriate voltages or potentials. 43 is shown in FIG. 4 the signal generator for the coarse deflection in the ^ direction; 44 is the control signal generator for the coarse deflection in the K direction; 46 is the signal generator for the fine deflection in the ^ -direction and 47 is the control generator for the fine deflection in the y-direction. These signal generators 41-47 are essentially digital-to-analog converters; they receive input variables from a computer, which contain digitally encoded position and control signals, and convert these input signals into corresponding - analog - deflection voltages or currents, so that the electron beam (for storage and reading) of the tube 20 with the correct intensity on the selected data location of a selected memory element falls.
Zur Versorgung der Signalgeneratoren 43 bis 47 ist ein Adressenregister 62 vorgesehen, das seine Eingangsgrößen von dem Rechnersystem erhält mit dem der ganze Speicher zusammenarbeiten soll. Das Register 62 gibt seinen Ausgang durch geeignete UN D-Tore 64 bis 67 an jeden der Generatoren 43 bis 47. Zusätzlich zu den digital verschlüsselten, die Adressen darstellenden und die Ablenkung verursachenden Steuersignale erhalten die UND-Tore 64 bis 67 Antastpotentiale von einer Zeitschalt- und Logik-Gatter-Schaltung 61, sowie von einem Auffrisch-Register 63 für die Adressen. Der Zweck dieses letzteren Registers 63 wird weiter unten im einzelnen erläutert; zunächst muß nur festgehalten werden, daß während solcher Zeiträume, in welchen der Rechner das Speicherrohr 20 benützt, dieses Auffrischregister 63 nur dazu dient, die UND-Tore 64 bis 67 anzuschalten, so daß die digital verschlüsselten Adressensignale vom Adressenregister 62 an die Grob- und Feindeflektorschaltungen 43 bis 47 gelangen können. Während den Zeiten, in weichen das Rohr 20 nicht vom Rechner benützt wird, übernimmt das Auffrisch-Adressen-Register 63 die Steuerung der Signalgeneratoren 43 und 47 im Sinne einer zur Auffrischung dienenden Auslesung und erneuter Speicherung der Datenstellen.To supply the signal generators 43 to 47, an address register 62 is provided, which stores its input variables from the computer system with which the entire memory is to work together. Register 62 gives its output through suitable UN D gates 64 to 67 to each of the generators 43 to 47. In addition to the receive digitally encrypted control signals representing the addresses and causing the distraction the AND gates 64 to 67 probing potentials from a time switch and logic gate circuit 61, as well as from a refresh register 63 for the addresses. The purpose of this latter register 63 will be described below explained in detail; first of all it must be noted that during such periods in which the Computer uses the storage tube 20, this refresh register 63 is only used for the AND gates 64 to 67 turn on, so that the digitally encrypted address signals from the address register 62 to the coarse and Fine deflector circuits 43 to 47 can arrive. During the times in which the tube 20 does not diverge Computer is used, the refresh address register takes over 63 the control of the signal generators 43 and 47 in the sense of a reading used for refreshment and renewed storage of the data locations.
Die logische Steuerschaltung 61 mit Zeitfunktion dient sowohl dazu, Informationen vom Rechnersystem aufzunehmen, als auch Instruktionen an das Rechnersystern abzugeben, um an die Eingangs- Ausgangsschaltung des Computersystems den Sachverhalt nachrichtenmäßig zu übermitteln, daß eine bestimmte, zu speichernde Information aufgezeichnet wurde, daß solche Informationen ausgelesen wurden, usw., und zwar jeweils nach Maßgabe der eingegebenen Befehle. Zusätzlich zur Steuerung des Betriebes sowohl des Adressenregisters 62 als auch des Auffrisch-Registers 63, sowie zur Anlage der Antastpotentiale an die Torschaltung^The logic control circuit 61 with time function is used both to receive information from the computer system as well as to issue instructions to the computer system to be sent to the input-output circuit the computer system to transmit the facts in a message that a certain, to be stored Information was recorded, such information was read out, etc., respectively according to the commands entered. In addition to controlling the operation of both the address register 62 as well as the refresh register 63, as well as for applying the probing potentials to the gate circuit ^
64 bis 67 steuert die Schaltungseinheit 61 den Betrieh eines Generators 48 für die kreisförmige Abtastspur, dessen Ausgang zusätzlich die Feinsteuerungen 46 und 47 für die ^-Richtung und die V-Richtung steuern kann. Bei Aktivierung des Generators 48 bewirkt dieser über die X- und K-Feinsteuerungen 46 und 47, daß der Schreibelektronenstrahl vom Durchmesser d = 5 μηι einen Kreispfad an einer vorhergewählten Datenstelle auf der Oberfläche eines Speicherelementes vom Durchmesser D = etwa 10 μΐη beschreibt. Dem Fachmann stehen andere technische Maßnahmen zur Verfügung, um die vergrößerten Bereiche vom Durchmesser D entsprechend einer kreisförmigen Fläche vom Durchmesser D zu erzeugen. In ähnlicher Weise ist ein Rastergenerator 49 vorgesehen, um die Arbeitsweise der Signalgeneratoren für die Feinablenkung in X- und Y-Richtung zu steuern; der Rastergenerator 49 steht seinerseits unter der Steuerwirkung der logischen Steuerschaltung 61. Wenn der Rastergenerator 49 angetastet wird, veranlassen die Feinsteuerungen für die X- und K-Ablenkung den Schreibstrahl, eine Rasterabtastung über die ganze Oberfläche eines Speicherelementes unter der diesem Element zugeordneten kleinen Ablenklinse, die ihrerseits vermittels der für die Grobablenkung zuständigen Signalgeneratoren 43 und 44 ausgewählt wurde. Mit anderen Worten: Die Generatoren 43 und 44 suchen im Rahmen des ganzen abgetasteten Speichers ein bestimmtes Speicherelement aus, während dann die Generatoren 46 und 47 die Abtastung des ausgesuchten Elementes übernehmen.64 to 67, the circuit unit 61 controls the operation of a generator 48 for the circular scanning track, the output of which can also be controlled by the fine controls 46 and 47 for the ^ -direction and the V-direction. When the generator 48 is activated, the X and K fine controls 46 and 47 cause the writing electron beam with a diameter of d = 5 μm to describe a circular path at a preselected data location on the surface of a memory element with a diameter of D = about 10 μm. Other technical measures are available to those skilled in the art in order to produce the enlarged areas of diameter D corresponding to a circular area of diameter D. Similarly, a raster generator 49 is provided to control the operation of the signal generators for fine deflection in the X and Y directions; the raster generator 49 is in turn under the control effect of the logic control circuit 61. When the raster generator 49 is touched, the fine controls for the X and K deflection cause the writing beam, a raster scan over the entire surface of a storage element under the small deflection lens assigned to this element, which in turn was selected by means of the signal generators 43 and 44 responsible for the coarse deflection. In other words: the generators 43 and 44 search for a specific memory element within the framework of the entire scanned memory, while the generators 46 and 47 then take over the scanning of the selected element.
Die Steuerschaltung 61 steuert auch die Anlage geeigneter polarisierter Vorspannungspotentiale an die jeweiligen Speicherelemente während der Schreib- und Lesevorgänge.The control circuit 61 also controls the application of suitable polarized bias potentials to the respective storage elements during the write and read processes.
Zu diesem Zweck sind eine Anzahl von Treiberkrei- it sen 51/4—51N vorgesehen; sie dienen dazu, entweder eine positive oder negative Vorspannung an den jeweiligen in Arbeit befindlichen Speicher »Kondensator« zu legen. Zu diesem Zweck ist für jedes Speicherelement, d. h. für jeden »Kondensator« eine solche Treiberstufe vorgesehen und die Zeitverhältnisse der Betätigung dieser Stufe werden von der Steuerschaltung 51 gesteuert Von entsprechenden Eingangs-Ausgangs-Datenregistern 7\A—7\N erhalten die Treiberkreise 51A—51N Signale betreffend die jeweilige richtige Polarität der Vorspannung, die bei der Bearbeitung einer bestimmten Datenstelle an das zugeordnete Speicherelement zu legen ist. Die Register 71Λ—7iyVerhalten die in den Speicher einzuschreibenden Eingangsdaten vom Rechner; diese Bauelemente dienen auch dazu, die ausgelesenen Daten wieder an den Rechner zurückzugeben. Die Register 71 können von herkömmlicher Bauart sein und miteinander verbundene Flip-Flops aufweisen, die ihrerseits gewissermaßen Kurzzeitspeicher darstellen und in bekannter Weise zur Datenspeicherung geeignet sind. Diese Flip-Flop-Anordnungen können z. B. dazu ausgebildet sein, eine einem Wort entsprechende Datenmenge in binärer Form bzw. binäre Daten in dezimaler Form zu speichern. Um das Schreiben und Lesen in diesem Sinne zu steuern. Hefen die Steuerschaltung 61 zeitlich aufeinander folgend Steuersignale an ausgewählte Datenregister 7\A—7\N. Die Steuerschaltung 61 steuert auch den Betrieb von weiteren Ausgangsverstärkern 21/4—21/V für je ein Speicherelement, d. h. je einen »Kondensator« in dem Sinne, daß der gewählte Verstärker 21 Ausgangssignale an das nachgeschaltete Register 71 zu vorgebenen Zeitpunkten während der Lesevorgänge liefert; weiter wird bewirkt daß der zugeordnete nachgeschaltete Verstärker 21 während be stimmter Teile des Lesevorganges und während de Schreibvorgänge gesperrt wird. Die Vorspannungstrei ber 51/4—517V und die nachgeschalteten Verstärke! 2\A—2\N können von bekannter Bauart sein; sie die nen dazu, die erforderlichen Vorspannungspotentiak innerhalb der verfügbaren Schaltperioden anzuleger und müssen nur ein Ansprechverhalten haben, das zui Verarbeitung der ausgelesenen Signale geeignet ist.For this purpose, a number of Treiberkrei- it sen 51 / 4-51N provided; they are used to apply either a positive or negative bias voltage to the respective storage "capacitor" that is in progress. For this purpose, for each memory element, that is provided for each "capacitor", such a driver stage and the time ratios of the operation of this stage are controlled by the control circuit 51 from respective input-output data registers 7 \ A-7 \ N receive the drive circuits 51a- 51N signals relating to the respective correct polarity of the bias voltage which is to be applied to the assigned memory element when processing a specific data location. The registers 71Λ-7iy behavior the input data from the computer to be written into the memory; these components also serve to return the read data back to the computer. The registers 71 can be of conventional design and have flip-flops connected to one another, which in turn represent, to a certain extent, short-term memories and are suitable in a known manner for data storage. These flip-flop arrangements can, for. B. be designed to store a data set corresponding to a word in binary form or binary data in decimal form. To control writing and reading in this sense. The control circuit 61 sends control signals sequentially in time to selected data registers 7 \ A-7 \ N. The control circuit 61 also controls the operation of further output amplifiers 21 / 4-21 / V for one storage element each, ie one "capacitor" each in the sense that the selected amplifier 21 supplies output signals to the downstream register 71 at predetermined times during the reading process ; further causes the associated downstream amplifier 21 to be blocked during certain parts of the read process and during de write processes. The bias drivers 51 / 4-517V and the downstream amplifiers! 2 \ A — 2 \ N can be of a known type; they are used to apply the required bias potential within the available switching periods and only need to have a response behavior that is suitable for processing the signals read out.
Während eines Schreibvorganges liefert die Anschlußschaltung des Rechners an die ausgewählten Register 7t die Daten, die in einem bestimmten Speicherelement, d. h. in einem »Kondensator« gespeichert werden sollen, und zwar jeweils ein Wort. Gleichzeitig informierte der Rechner die Zeitsteuerschaltung 61, dafl die Daten in den eigentlichen Speicher eingeschrieben werden sollen und liefert die Adresse der Stelle im Speicher, wo die Daten eingeschrieben werden sollen, an das Betriebsadressenregister. Die Adresse kann in Form eines binär kodierten Adressensignals vorliegen, welches über die UND-Tore 64—67 geht, und die Schaltungen 43, 44 für die Grobeinstellung und die Schaltungen 46 und 47 für die Feineinstellung betätigt, damit der Strahl auf die gewünschte Stelle, d. h. Datenstelle eines bestimmten Datenspeichers oder »Kondensators« gelangt Die Schaltung 61 läßt dann den Elektronenstrahl über eine ausgewählte Reihe von Datenstellen in solcher Weise laufen, wie weiter unten unter Hinweis auf Fig.5 im einzelnen erläutert wird; wenn der Strahl dann an der gewünschten Datenstelle angekommen ist, bewirkt die Schaltung 61 ein Anlaufen des Kreisspur-Generators 48; dadurch wird dann der Schreibstrahl in einem kreisförmigen Pfad vom Durchmesser D geführt, während ein geeignetes Vorspannungspotential an das Speicherelement von dem zugeordneten Treiberkreis 51 nach Maßgabe der im zugeordneten Register 71 gespeicherten Daten angelegt wird.During a write operation, the connection circuit of the computer supplies the selected registers 7t with the data that are to be stored in a specific memory element, ie in a "capacitor", one word at a time. At the same time, the computer informed the time control circuit 61 that the data should be written into the actual memory and supplies the address of the location in the memory where the data is to be written to the operating address register. The address can be in the form of a binary coded address signal, which goes through the AND gates 64-67, and the circuits 43, 44 for the coarse adjustment and the circuits 46 and 47 for the fine adjustment actuated, so that the beam at the desired point, ie data location of a certain data memory or "capacitor" arrives. The circuit 61 then allows the electron beam to run over a selected series of data locations in such a way as will be explained in detail further below with reference to FIG. when the beam has then arrived at the desired data location, the circuit 61 causes the circular track generator 48 to start up; as a result, the write beam is then guided in a circular path of diameter D , while a suitable bias potential is applied to the storage element by the associated driver circuit 51 in accordance with the data stored in the associated register 71.
Wenn man diejenigen Informationen neu schreiben will, die beispielsweise in einem ganzen Speicherelement gespeichert sind, oder die in einer bestimmten Fläche eines Speicherelements gespeichert sind, dann kann der Rechner die Steuerschaltung 61 ansteuern, um den Rastergenerator 49 anzutasten, so daß dieser den Elektronenstrahl in Form einer Rasterabtastung über die definierte Fläche laufen läßt, um diese Fläche gleichförmig zu laden oder zu entladen, wozu ein geeignetes Vorspannungspotential durch den zugeordneten Treiberkreis 51 geliefert wird. Wenn die einzelnen Speicherelemente oder »Kondensatoren« einen p-leitenden Halbleiter aufweisen, dann ist das von den Treiberkreisen während der Rasterabtastung gelieferte Potential positiv, so daß die Isolatoroberfläche gleichförmig mit positiver Ladung geladen wird. Wenn es sich bei dem entsprechenden Speicherelement um ein solches mit nleitendem Halbleiter handelt, liefern die entsprechenden Treiberkreise ein negatives Vorspannungspotential an den Kondensator bzw. an das Speicherelement während diese Rasterabtastung stattfindet Bei Abschluß der Einschreibung oder Speicherung der zu speichernden Daten informiert die Schaltung 61 den Rechner selbst darüber, daß die Speicherung abgeschlossen ist, und daß die entsprechenden Daten auch gespeichert sind.If you want to rewrite that information, for example in an entire memory element are stored, or that are stored in a certain area of a storage element, then the computer can control the control circuit 61 to touch the raster generator 49, so that this the Electron beam runs in the form of a raster scan over the defined area in order to make this area uniform to charge or discharge, including a suitable bias potential through the associated driver circuit 51 is delivered. If the individual storage elements or "capacitors" have a p-conducting Have semiconductors, then is the potential supplied by the driver circuits during the raster scan positive so that the insulator surface is uniformly charged with positive charge. If the The corresponding storage element is one with a n-conducting semiconductor Driver circuits apply a negative bias potential to the capacitor or to the storage element during this raster scan takes place upon completion of the enrollment or storage of the Data, the circuit 61 informs the computer that the storage has been completed, and that the corresponding data are also stored.
Während des Lesens von zuvor gespeicherten Informationen, informiert der Rechner zunächst die Steuerschaltung 61 über den »Wunsch« des Auslesens. Der Rechner liefert die Adresse der gespeicherten Daten an das Arbeitsadressenregister. Dieses Register lenkt dannWhile reading previously stored information, The computer first informs the control circuit 61 of the "request" for the readout. Of the The computer supplies the address of the stored data to the work address register. This register then directs
den Strahl zu der Fläche auf dem Speicher, wo die gewünschten Daten gespeichert sind, während die Schaltung 61 die entsprechenden Treiber 51 antastet, so daß diese bzw. dieser ein negatives Lesepotential an das entsprechende Speicherelement legen; die Schaltung 61 tastet ferner die zugeordneten Verstärker 21 an, um die Daten aus der dieselben erfassenden Speicherröhre an die Arbeitsregister 71 zu geben. Die Signalgeber 46 und 47 für die Feinverstellung und ggfs. auch die Signalgeber 43 und 44 für die Grobverstellung bewirken dann die Abtastbewegung des Elektronenstrahls über die angesprochenen Adressen-Stellen, wobei die Informationen nacheinander ausgelesen und gewissermaßen Wort für Wort durch das Register 71 an den Rechner weitergegeben werden. Nach Abschluß des Lesevorgangs gibt dann die Schaltung 61 ein Signal an den Rechner, weiches besagt, daß der Auslesevorgang vollständig durchgeführt wurde.the beam to the area on memory where the desired data is stored while the circuit is running 61 the corresponding driver 51 touches so that this or this a negative read potential to the place appropriate storage element; the circuit 61 also scans the associated amplifier 21 to the To output data from the storage tube capturing the same to the working registers 71. The signal generator 46 and 47 for the fine adjustment and possibly also the signal generators 43 and 44 for the coarse adjustment then cause the Scanning movement of the electron beam over the addressed address locations, with the information read out one after the other and, as it were, passed word for word through the register 71 to the computer will. After completion of the reading process, the circuit 61 then sends a signal to the computer, soft means that the readout process has been carried out completely.
Die Anordnung nach F i g. 4 hat die Besonderheit, daß bei ihr keine Verfälschung des gespeicherten Inhaltes durch den integrierten Effekt von Streuelektronen auftreten kann; dies wird im vorliegenden Falle dadurch sichergestellt, daß jedes bit kontinuierlich nach einer Auslesung neu geschrieben, d. h. von neuem gespeichert wird. Die technischen Mittel für diesen Vorgang sind folgende: Die Steuereinheit 61 sorgt dafür, daß der zum Schreiben wie auch zum Lesen dienende Elektronenstrahl jedesmal dann, wenn er durch die Signalgeneratoren 43—47 an eine bestimmte Datenstelle verbracht worden ist, automatisch nacheinander zuerst das Auslesen der dort gespeicherten Daten besorgt, und dann die Daten neu schreibt, die an dieser Datenstelle waren, bevor der Strah' auf die nächste Datenstelle im Laufe der Abtastung geleitet oder gerichtet wird. Dies wird dadurch erreicht, daß der Ausgang des Ausgangsverstärkers zum Ausgangsregister 71 erfaßt wird und daß man den Vorspannungstreiger 51 für den folgenden Lese-Schreib-Vorgang an jeder Datenstelle so einstellt, daß er entweder eine binäre Eins oder eine binäre Null richtig noch einmal schreibt, und zwar in Abhängigkeit von der kurz zuvor vorgenommenen Ablesung an derselben Stelle. Als Ausgangsgröße für das erneute Einschreiben wird das Signal vom zugeordneten Verstärker 21 verwendet.The arrangement according to FIG. 4 has the peculiarity that it does not falsify the stored content can occur due to the integrated effect of scattered electrons; in the present case this is the result ensures that each bit is continuously rewritten after a read, i.e. H. saved again will. The technical means for this process are as follows: The control unit 61 ensures that the for Both write and read electron beam every time it passes through the signal generators 43-47 has been brought to a specific data location, the read-out first automatically, one after the other of the data stored there, and then rewrites the data that was in this data location, before the beam is directed or directed to the next data location in the course of the scan. this will achieved in that the output of the output amplifier is detected to the output register 71 and that the bias striker 51 for the following read-write operation at each data location so that it is either a binary one or a binary zero correctly writes again, depending on the reading taken recently on the same Job. The signal from the assigned amplifier is used as the output variable for rewriting 21 used.
Während derjenigen Zeiten, in welchen der ganze Speicher nicht vom Rechner »benützt« wird, tastet die Steuerschaltung 61 das Auffrischregister 63 dazu an, den Elektronenstrahl alle Daten Stück für Stück nacheinander auszulesen, zu speichern und wieder neu einzuspeichern. Während jener Perioden, in welchen der Rechner den Speicher insgesamt nicht benötigt, liest das Auffrischungsregister 63 kontinuierlich alle Daten im Speicher unter unverzüglicher jeweiliger Wiedereinspeicherung ab. Wenn nun während eines solchen Auffrischungsumlaufes oder -zyklus' der Rechner den Speieher antastet, und zwar entweder zum Zwecke der Auslesung oder zur Einspeisung von Daten, wird der Auffrischungszyklus unterbrochen und es wird der Zeitpunkt des Unterbrechens in dem Auffrischungsregister 63 gespeichert Der Speicher reagiert dann auf die Antastung eo vom Rechner und bei Vervollständigung der Antwort auf die angetastete Frage beginnt der Auffrischungszyklus wieder und setzt sich fort, bis der Rechner das nächstemal den Speicher entweder zur Abfrage oder zur Einspeicherung antastet Mit anderen Worten: Die Datenstellen in dem Speicher werden kontinuierlich abgelesen und jeweils wieder neu geschrieben, um eine Verwischung oder gar einen Verlust der Daten im Speicher aufgrund der oben erwähnten Streuelektronen zu vermeiden. Außerdem wird während eines jeden Lese- und neuerlichen Schreibzyklus nach dem Schreiben oder Lesen entweder einer binären Null oder einer binären Eins unter Anwendung des geeigneten Vorspannpotentials das Vorspannpotential automatisch umgekehrt und es wird die jeweilige Mitte der Datenstellen für eine solange Zeit mit Elektronen beschossen, wie der Zeit für den Schreib-Lesezyklus entspricht, um die Wirkung von Streuelektronen auf nebenliegende Datenstellen zu vermindern, bzw. den Gesamtladungszustand des Speichers nicht zu verändern.During those times when the entire memory is not "used" by the computer, the The control circuit 61 sends the refresh register 63 to the electron beam all of the data one by one read out, save and save again. During those periods in which the Computer does not need the memory altogether, the refresh register 63 continuously reads all data in the Storage with immediate respective restoration. If now during such a refresh cycle or cycle 'the computer touches the memory, either for the purpose of reading or for the injection of data, the refresh cycle is interrupted and it becomes the point of time of the interruption is stored in the refresh register 63. The memory then reacts to the probe eo from the computer and upon completion of the answer to the touched question, the refresh cycle begins again and continues until the computer next time either to query or in other words: the data locations in the memory are read continuously and rewritten each time to avoid blurring or even a loss of the data in the memory due to the above-mentioned scattered electrons. In addition, during each reading and renewed write cycle after writing or reading either a binary zero or a binary one One using the appropriate bias potential automatically reverses the bias potential and the respective center of the data locations is bombarded with electrons for as long as the time The time for the read / write cycle corresponds to the effect of stray electrons on adjacent data locations to reduce or not to change the overall charge level of the storage tank.
Eine andere mögliche Methode besteht darin, die Daten auszulesen und zeitweilig im Arbeitsspeicher des Rechners zu speichern oder einem anderen peripheren Speicher im System. Dies wird dann auf alle in einem Speicherelement gespeicherten Daten angewendet. Das betreffende Speicherelement, d. h. der jeweilige »Kondensator« wird dann vollständig neu beschrieben, wobei mit dem Schritt der gleichförmigen Ladung der Oberfläche des Isolators begonnen wird. Dies wird nach einer vorherbestimmten Anzahl von Arbeitszyklen automatisch unter der Steuerwirkung des Rechners vorgenommen; man kann also vom Programm her so vorgehen, daß diese Art der Wiederauffrischung während der Ruhezeiten nach Vollendung der vorherbestimmten Anzahl von Zyklen durchgeführt wird.Another possible method is to read the data and temporarily store it in the working memory of the Computer or other peripheral memory in the system. This is then all rolled into one Storage element applied to stored data. The relevant storage element, d. H. the respective »capacitor« is then completely rewritten, with the step of uniformly charging the surface of the isolator is started. This becomes automatic after a predetermined number of work cycles made under the control of the computer; you can proceed from the program as follows: that this type of refreshment during the rest periods after completing the predetermined number is carried out by cycles.
Im folgenden sei auf F i g. 5 eingegangen: Es wird das Arbeiten eines erfindungsgemäßen Speicherelementes anhand einiger Zeitfunktionen erläutert. Der Erklärung liegt folgende Reihe von Einzelvorgängen zugrunde:In the following, let us refer to FIG. 5 received: It will Working of a memory element according to the invention explained with the aid of some time functions. The explanation is based on the following series of individual processes:
1 schreiben — 1 lesen
1 schreiben — 1 lesen
0 schreiben — 0 lesen.1 write - 1 read
1 write - 1 read
Write 0 - read 0.
Die Verhältnisse werden an einem Speicherelement mit p-leitendem Silizium dargestellt.The relationships are shown on a memory element with p-conductive silicon.
Die oberste Darstellung (a) der F i g. 5 zeigt den Verlauf der Vorspannung über dem Speicherelement gegen die Zeit bei der soeben angegebenen Folge von Einzelvorgängen an. In dieser Darstellung a wird diese Vorspannung mit Vcs bezeichnet Diese Vorspannung ist beim Schreiben einer binären Eins erkennbar + 5 Volt Beim Lesen dieser binären Eins ist die VorspannungThe top representation (a) of FIG. 5 shows the course of the bias voltage across the storage element versus time for the sequence of individual processes just mentioned. In this illustration a, this bias voltage is denoted by Vcs. This bias voltage is recognizable when a binary one is written. + 5 volts When this binary one is read, the bias voltage is
— 5 Voit; dann kommt der Anstieg auf +5 Volt entsprechend dem Schreiben der zweiten binären Eins und fällt dann wieder auf — 5 Volt entsprechend dem zweiten Lesen einer Eins. Dann bleibt die Vorspannung auf- 5 Voit; then the rise to +5 volts comes accordingly writing the second binary one and then falling back to - 5 volts corresponding to the second Reading a one. Then the bias remains on
— 5 Volt für sowohl das Schreiben einer binären Null als auch das Lesen einer binären Null. Die Zeitintervalle t mit Indizes haben in F i g. 5 (a) folgende Bedeutung:- 5 volts for both writing a binary zero and reading a binary zero. The time intervals t with indices have in FIG. 5 (a) has the following meaning:
U Aufbau- bzw. Anstiegszeit des Elektronenstrahls und Anlaufzeit für dessen Kreisspur; Wert: mindestens etwa 50 Nanosekunden U build-up or rise time of the electron beam and start-up time for its circular track; Value: at least about 50 nanoseconds
f2 Anschaltdauer des Elektronenstrahls; Wert (abhängig vom Strahlstrom): mindestens etwa V2 Mikrosekunde f2 switch-on duration of the electron beam; Value (dependent from the beam current): at least about V2 microseconds
ti Abschalt- bzw. Abfallzeit des Elektronenstrahls und Abschaltzeit für dessen Kreisspur; Wert: mindestens etwa 50 Nanosekunden ti switch-off or fall time of the electron beam and switch-off time for its circular track; Value: at least about 50 nanoseconds
U Anstiegzeit für das Vorspannungssignal; Wert: mindestens etwa 100 Nanosekunden U rise time for the bias signal; Value: at least about 100 nanoseconds
i5 Lesezeit; Wert: mindestens etwa 500 Nanosekunden i 5 reading time; Value: at least about 500 nanoseconds
te Abfallzeit (entspricht der Zeit des Abschaltvorganges) des Elektronenstrahls; Wert: mindestens etwa 50 Nanosekunden. te fall time (corresponds to the time of the switch-off process) of the electron beam; Value: at least about 50 nanoseconds.
SS; .SrSS; .Sr
F i g. 5(b) stellt den zeitlichen Verlauf des Elektronenstrahlstroms dar, der durch die Antastschaltung 42 über die Steuerelektrode der eigentlichen Elektronenquelle im Rohr 20 an- und abgeschaltet wird. Dem Fachmann sind die hierzu erforderlichen Maßnahmen geläufig. Aus einem Vergleich der Darstellungen a und b der Fig.5 sieht man, daß der Elektronenstrahl nach Ablauf einer Zeit t\ angeschaltet wird, innerhalb welcher das Potential zwischen den Platten eines Speicherelementes auf 5 Volt gestiegen ist; dies ist nach den obigen Voraussetzungen der Beginn des Einschreibens einer binären Eins. Die Zeit t\ ist etwa 50 Nanosekunden und innerhalb dieser Zeit geschehen zwei Vorgänge: Einmal baut sich die Kreisspurbewegung des Strahls auf, und zum anderen ist es die eigentliche Anstiegszeit des Strahles, bis dieser ausgehend vom Wert null seinen Arbeitsstrom von etwa 50 Nanoampere erreicht. Nunmehr wird der Strahl während der eigentlichen Schreibzeit Γ2 von etwa V2 Mikrosekunde Dauer aufrechterhalten, wobei diese Schreibdauer vom Strom des Elektronenstrahls abhängig ist Es folgt nunmehr ein Zeitintervall f3, die dem umgekehrten Vorgang dessen entspricht, was in fi passiert: Innerhalb dieser etwa 50 Nanosekunden wird der Kreisbewegungsvorgang des Strahls abgeschaltet und gleichzeitig fällt der Elektronenstrom des Strahls wieder auf null zurück (»Abfallflanke«). F i g. 5(c) zeigt die zeitlichen Verhältnisse der An- und Abschaltung des Generators zur Erzeugung der Kreisspur des Strahls. Man sieht, daß die Intervalle t\ und h am Anfang und am Ende eines jeden solchen Arbeitsintervalles des Kreisspurgenerators so gewählt sind, daß der Kreisspurgenerator voll angelaufen ist, bevor der Strahlstrom seinen maximalen Arbeitswert erreicht hat, und daß dieser Kreisspurgenerator erst wieder abgeschaltet wird, wenn der Strahlstrom schon abgeschaltet wurde. Mit anderen Worten: Es ist dafür gesorgt, daß so lange als der Strahlstrom auf Arbeitswert ist, der Kreisspurgenerator ebenfalls voll, d. h. innerhalb der Zeiten für die Anstiegsflanke und die Abfallflanke arbeitet.F i g. 5 (b) shows the time profile of the electron beam current which is switched on and off by the contacting circuit 42 via the control electrode of the actual electron source in the tube 20. The measures required for this are familiar to the person skilled in the art. A comparison of representations a and b in FIG. 5 shows that the electron beam is switched on after a time t \ has elapsed, within which the potential between the plates of a storage element has risen to 5 volts; according to the above requirements, this is the beginning of the writing of a binary one. The time t \ is about 50 nanoseconds and two processes take place within this time: On the one hand, the circular track movement of the beam builds up, and on the other hand, it is the actual rise time of the beam until it reaches its working current of about 50 nanoampere, starting from the value zero. The beam is now maintained during the actual writing time Γ2 of about V2 microseconds, this writing time depending on the current of the electron beam.This is followed by a time interval f 3 , which corresponds to the reverse process of what happens in fi: within this approximately 50 nanoseconds the circular motion process of the beam is switched off and at the same time the electron flow of the beam falls back to zero ("falling edge"). F i g. 5 (c) shows the time relationships between the switching on and off of the generator to generate the circular track of the beam. It can be seen that the intervals t \ and h at the beginning and at the end of each such working interval of the circular track generator are selected so that the circular track generator has fully started before the beam current has reached its maximum working value, and that this circular track generator is only switched off again, if the beam current has already been switched off. In other words: it is ensured that as long as the beam current is at the working value, the circle track generator is also fully, ie works within the times for the rising edge and the falling edge.
Nach der Zeit ti wird die Vorspannung über dem Kondensator-artigen Speicherelement auf das Lesepotential von — 5VoIt geschaltet, und nach Ablauf der Einstellzeit U von einer Dauer von etwa 100 Nanosekunden wird der Lesestrahl angeschaltet Erkennbar hat der Elektronenstrahl beim Lesen und beim Schreiben etwa dieselbe Stromstärke und etwa die gleiche Energie von 5—10 Kilovolt. Es bestehen keine vernünftigen physikalischen Gründe, warum die Anoden-Kathoden-Spannung des Schreib- bzw. Lesestrahls keinen anderen Wert haben soll. Damit das bestrahlte Speicherelement einen Ausgangsstrom abgibt, müssen Elektronen durch die obere leitende Schicht, welche die eine Platte des »Kondensators« darstellt, und durch den Isolator in die Halbleiterschicht gelangen. Es ist weiter wünschenswert, einen Ausgangsstromimpuls zu haben, der mehrere Größenordnungen größer ist als der Strahlstrom. Dazu ist es erforderlich, daß der Elektronenstrahl in die Halbleiterschicht des Speicherelementes einige 1000 Angström tief eindringt Anders ausgedrückt: Der Strahl sollte noch mindestens 2000 Elektronenvolt haben, nachdem er durch die erste Leiterschicht und den darunter liegenden Isolator getreten ist Da es aber schwierig ist, großflächige Speicherelemente mit sehr dünnen aber nicht leitenden Isolatorschichten herzustellen, wurde als praktischer Weg gefunden, Isolatorschichten mit einer Mindestdicke von etwa 1700 Angström bei Speicherelementen von etwa 0,4 cm2 Oberfläche zu verwenden. Mit einem solchen Bauelement bzw. einem solchen Speicherelement muß die Elektronenstrahlenergie an Grenzfläche zwischen der leitenden Schicht und der Isolatorschicht mindestens 400 Elektronenvolt sein. Die Dicken bzw. Dichten für die obere und stets vom Strahl zu durchdringende leitende Schicht werden mithin so gewählt, daß der Elektronenstrahl nach Durchdringen dieser Schicht mindestens 4000 Elektronenvolt hat. Dieser Wert bestimmt dann einen praktischen unteren Grenzwert der Energie des Elektronenstrahls. Elektronen mit so großer Energie, daß sie mehr als etwa 1 Mikron tief in die Halbleiterschicht eintreten können, erzeugen kein stärkeres Ausgangssignal (tatsächlich meist ein kleineres Signal) als diejenigen Elektronen, die innerhalb einer Wegstrecke von 1 Mikron angehalten werden. Dicke Isolatorschicht von etwa mehr als 0,5 Mikron und zu dicke erste leitfähige Schichten streuen außerdem noch Elektronen unnötig und tragen dadurch in unerwünschter Weise zu einer Verwischung des effektiven Strahlquerschnittes bei. Obwohl relativ dicke Schichten sicher verwendet werden können, dienen sie sicher nicht einer besseren Brauchbarkeit eines Speicherelementes im hier beschriebenen Sinne; mindestens verlangen sie die Verwendung eines Elektronenstrahls größerer Energie. Die vorstehende Erörterung will folgendes ausdrücken: Die am Beispiel beschriebenen Werte können dann, wenn man andere Ausführungsformen der Erfindung ins Auge faßt, durchaus andere Großen haben; es ist ohne weiteres denkbar, daß die Elektronenstrahlspannung irgendwelche Werte zwischen 4000 und 100 000 Volt annimmt, je nach dem was für Stoffe und was für Abmessungen man für die Speicherelemente verwendet.After the time ti , the bias voltage across the capacitor-like storage element is switched to the reading potential of -5VoIt, and after the setting time U, which lasts about 100 nanoseconds, the reading beam is switched on.It can be seen that the electron beam has about the same current intensity when reading and writing and about the same energy of 5-10 kilovolts. There are no reasonable physical reasons why the anode-cathode voltage of the write or read beam should have no other value. In order for the irradiated storage element to emit an output current, electrons have to pass through the upper conductive layer, which is one plate of the "capacitor", and through the insulator into the semiconductor layer. It is further desirable to have an output current pulse several orders of magnitude greater than the beam current. For this it is necessary that the electron beam penetrates a few 1000 Angstroms deep into the semiconductor layer of the storage element. In other words: The beam should still have at least 2000 electron volts after it has passed through the first conductor layer and the underlying insulator Manufacturing memory elements with very thin but non-conductive insulator layers has been found to be a practical way of using insulator layers with a minimum thickness of about 1700 Angstroms for memory elements with a surface area of about 0.4 cm 2. With such a component or such a storage element, the electron beam energy at the interface between the conductive layer and the insulator layer must be at least 400 electron volts. The thicknesses or densities for the upper conductive layer, which is always to be penetrated by the beam, are therefore chosen so that the electron beam has at least 4000 electron volts after penetrating this layer. This value then determines a practical lower limit value for the energy of the electron beam. Electrons with such high energy that they can penetrate more than about 1 micron deep into the semiconductor layer do not produce a stronger output signal (in fact mostly a smaller signal) than those electrons which are stopped within a distance of 1 micron. A thick insulating layer of approximately more than 0.5 microns and the first conductive layers that are too thick also scatter electrons unnecessarily and thereby contribute in an undesirable manner to a blurring of the effective beam cross-section. Although relatively thick layers can safely be used, they certainly do not serve to improve the usability of a memory element in the sense described here; at least they require the use of an electron beam of greater energy. The above discussion is intended to express the following: The values described using the example can, if one considers other embodiments of the invention, quite different values; it is easily conceivable that the electron beam voltage assumes any values between 4000 and 100,000 volts, depending on what kind of substances and what kind of dimensions are used for the storage elements.
Ein erkennbarer Unterschied zwischen dem Lesestrahl und dem Schreibstrahl ist bei der hier gegebenen Darstellung in der Zeitdauer des Anliegens zu sehen. Der Lesestrahl liegt während etwa einer Zeit fs von der Größenordnung von 500 Nanosekunden an. Während dieses Leseintervalls ist der Generator zur Erzeugung einer kreisförmigen Spur des Strahls am Auftreffort natürlich ausgeschaltet, wie man aus F i g. 5(c) erkennt. Auf das Intervall fs folgt ein Intervall U, von hier etwa 50 Nanosekunden, nach dessen Ablauf der soweit, d. h. bis zu diesem Punkt der Beschreibung erläuterte Vorgang noch einmal beginnt und abläuft, wie aus F i g. 5 deutlich hervorgehtA noticeable difference between the reading beam and the writing beam can be seen in the illustration given here in the duration of the application. The reading beam is applied for a time fs of the order of magnitude of 500 nanoseconds. During this reading interval the generator for generating a circular track of the beam at the point of impact is of course switched off, as can be seen from FIG. 5 (c) recognizes. The interval fs is followed by an interval U, from here about 50 nanoseconds, after which the process explained so far, ie up to this point of the description, begins and runs again, as shown in FIG. 5 clearly shows
Am Ende des Lesens der zweiten binären Eins, d. h. am Ende des zweiten Intervalls ie, erkennt man, daß das negative Vorspannpotential von — 5 Volt an den beiden Platten des »Kondensators« bestehen bleibt nachdem das dritte Mal das Intervall U abgelaufen ist, in welchem der Kreisspurgenerator angelaufen ist und der Elektronenstrahl sich aufgebaut hat Der Elektronenstrahl liegt also wieder an und bleibt während einer dritten Zeit t-i bestehen, in welcher mithin eine binäre Null eingeschrieben wird, während das Vorspannpotential von — 5 Volt bestehen bleibt Man sieht wieder aus der Darstellung von F i g. 5(c), daß während des Schreibens der binären Null der Kreisspurgenerator so lange angeschaltet bleibt, wie dies beim Schreiben der binären Einsen der Fall ist Das Auslesen der binären Null an der entsprechenden Datenstelle ist dem des Auslesens einer binären Eins an einer entsprechenden anderen Datenstelle vergleichbar.At the end of the reading of the second binary one, ie at the end of the second interval ie, one recognizes that the negative bias potential of -5 volts remains on the two plates of the "capacitor" after the third interval U has expired, in which the circle track generator has started and the electron beam has built up The electron beam is present again and remains for a third time ti , during which a binary zero is written while the bias potential of -5 volts remains F i g. 5 (c) that while the binary zero is being written, the circle track generator remains switched on as long as it is when the binary ones are being written. Reading out the binary zero at the corresponding data location is the same as reading out a binary one at another corresponding data location comparable.
Die Darstellung (d) der Fig.5 zeigt die Ausgangsspannung über dem Belastungswiderstand während der oben unter Hinweis auf die F i g. 5(a)—5(c) beschriebenen Vorgänge, wobei die jeweiligen Zeitpunkte untereinander liegen. Man sieht, daß bei Beginn und am EndeThe representation (d) of Figure 5 shows the output voltage over the load resistance during the above with reference to the F i g. 5 (a) -5 (c) Processes, whereby the respective points in time lie one below the other. You can see that at the beginning and at the end
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des Schreibens der Einsen scharfe Spannungsspitzen entstehen, und zwar aufgrund des Ladens und Entladens des Speicherelementes (welches ein Kondensator ist!) durch Anlage der Vorspannungen, die man beim Schreiben der Einsen benötigt. Während des Schreibens der Einsen, d. h. im Intervall f2, entsteht eine entsprechend hohe Ausgangsspannung über dem Kondensator. Durch geeignetes Antasten dieses Eingangs an den zugeordneten Verstärker 21 (s. Fig.4!) werden diese Spannungsimpulse aus dem Ausgangssignal herausgesiebt, das aus dem ganzen Speichersystem kommt. Die gewünschte Information erscheint nur während der jeweiligen Intervalle fs des Lesevorgangs und sind relativ scharf ansteigende Spannungsimpulse, die genau in den Leseintervallen, d. h. in den Intervallen fs, entstehen. Wenn man nun in Fig. 5(d) die während der dreimaligen Perioden fs auftretenden Ausgangsimpulse vergleicht, dann findet man, daß die beiden erstmals auftauchenden Impulse während fs um Größenordnungen größer sind, als das letzte, d. h. im dritten Intervall fs entstehende Ausgangssignal am Ende der Zeitachse in Fig.5(d) ist. Dieses letztere Signal ist das Ausleseergebnis einer binären Null, d. h. das elektrische Ergebnis der Abtastung einer nicht geladenen Datenstelle. Erkennbar sind die in den Zeitintervallen fs in Abhängigkeit davon, ob eine Eins oder eine Null eingespeichert war, so verschieden, daß sie zweifelsfrei voneinander unterschieden werden können. of the writing of the ones, sharp voltage spikes arise due to the charging and discharging of the storage element (which is a capacitor!) by applying the bias voltages that are used when writing the ones needed. While writing the ones, i. H. in the interval f2, a corresponding one arises high output voltage across the capacitor. By appropriately touching this input to the assigned Amplifier 21 (see Fig. 4!) These voltage pulses are filtered out of the output signal, which is from comes to the whole storage system. The required information only appears during the respective intervals fs of the reading process and are relatively sharply rising voltage pulses that occur precisely in the reading intervals, d. H. in the intervals fs. Now referring to FIG. 5 (d), the during the three periods fs compares the output pulses that occur, then one finds that the two pulses that appear for the first time while fs are orders of magnitude larger than the last, i.e. H. output signal arising in the third interval fs at the end of the time axis in Figure 5 (d). This latter signal is the readout result of a binary one Zero, d. H. the electrical result of scanning an unloaded data location. They are recognizable in the Time intervals fs depending on whether a one or a zero was stored, so different that they can be clearly distinguished from one another.
Die Darstellungen der Fig.5 beziehen sich auf ein Speicherelement, dessen Halbleiter p-leitend ist Wenn man stattdessen einen η-leitenden Halbleiter nimmt, entstehen im wesentlichen spiegelbildlich zu Fig.5 orientierte Kurven mit einigen Ausnahmen. Die wichtigste solche Ausnahme von den spiegelbildlichen Verhältnissen gegenüber F i g. 5 liegt im Wert der angelegten Vorspannung während des Lesens. Wenn man Halbleiter des η-leitenden Typs verwendet, dann ist die Lesevorspannung etwa — 30 bis — 40 Volt Weil nun aber das Schalten von Spannungen dieses Wertes — obwohl durchaus möglich — weniger wünschenswert ist, verwendet man bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung lieber Halbleiter des p-leitenden Typs.The representations of Fig.5 relate to a Storage element whose semiconductor is p-conductive If one uses an η-conductive semiconductor instead, With a few exceptions, curves are created that are essentially mirror images of Fig. 5. The most important such exception from the mirror-image relationships compared to FIG. 5 is the value of the invested Bias while reading. If one uses semiconductors of the η-conductive type, then the read bias is about - 30 to - 40 volts Because now the switching of voltages of this value - although It is entirely possible - it is less desirable to use p-type semiconductors in the exemplary embodiment of the invention described here Type.
Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings
5050
5555
6060
6565
Claims (15)
Grundsätzlich macht sich bei der bekannten Lehre nachteilig bemerkbar, daß die Speicherdichte relativ gering ist, da die bekannten Datenstellen des Datenspeichers einen Mittenabstand von mindestens 200 μ zwischen den benachbarten, durch den jeweiligen Zustand eine binäre Zahl anzeigenden Datenstellen verlangen.At those data points where no charge has been stored in the insulator layer, a very small current, induced by the electron beam, is generated, which may be measurable, but is in any case significantly smaller than the current that occurs when reading a charged data point
Basically, it is noticeable in the known teaching that the storage density is relatively low, since the known data locations of the data memory require a center-to-center distance of at least 200 μ between the neighboring data locations that indicate a binary number based on the respective status.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19732358253 DE2358253C2 (en) | 1973-11-22 | 1973-11-22 | Method for operating a data memory containing an insulator layer with a semiconductor layer arranged thereon, and a data memory of this type |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19732358253 DE2358253C2 (en) | 1973-11-22 | 1973-11-22 | Method for operating a data memory containing an insulator layer with a semiconductor layer arranged thereon, and a data memory of this type |
Publications (2)
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DE2358253A1 DE2358253A1 (en) | 1975-05-28 |
DE2358253C2 true DE2358253C2 (en) | 1986-07-31 |
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Family Applications (1)
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US3407394A (en) * | 1964-10-23 | 1968-10-22 | Xerox Corp | Selenium trapping memory |
-
1973
- 1973-11-22 DE DE19732358253 patent/DE2358253C2/en not_active Expired
Also Published As
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DE2358253A1 (en) | 1975-05-28 |
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