DE2440907C2

DE2440907C2 - Storage element for a digital memory

Info

Publication number: DE2440907C2
Application number: DE19742440907
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys. Dr. 6000 Frankfurt Fischer
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Filing date: 1974-08-27
Publication date: 1976-08-05

Description

2525th

Die Erfindung bezieht sich auf ein Speicherelement für einen digitalen Speicher, das als wesentlichen Bestandteil einen Feldeffekttransistor aufweist, dessen Halbleiterschicht in ihrer elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit von dem Speicherzustand eines Speichermediums veränderbar ist.The invention relates to a memory element for a digital memory, which as essential Component has a field effect transistor, the semiconductor layer in its electrical conductivity in Can be changed as a function of the storage state of a storage medium.

Es ist eine größere Anzahl physikalischer Erscheinungen bekannt, auf deren Basissysteme zur digitalen Speicherung von informationen aufgebaut werden könnten oder bereits verwirklicht sind Sämtliche bisher in der Praxis angewandten Systeme für löschbare Massenspeicher beruhen jedoch aufd^m Prinzip der magnetischen Remanenz. In den letzten Jahren wurde eine Reihe neuer Speichermethoden beschrieben, die zum Teil intensiv entwickelt werden. Jede dieser Technologien hat ihre speziellen Vorteile und Reize, die sie für besondere Anwendungsbereiche prädestinieren. Diesen Vorteilen stehen aber stets auch Nachteile gegenüber, wie etwa spezielle Arbeitsbedingungen (z. B. tiefe Temperaturen), spezielle Arbeitsweisen (z. B. Schieberegister) oder die Notwendigkeit umfangreicher externer Apparaturen zur Steuerung (optische Speicher).A large number of physical phenomena are known, on their basis systems for digital Storage of information could be built up or have already been implemented Systems for erasable mass storage devices that have been used in practice up to now, however, are based on the principle the magnetic remanence. In recent years a number of new storage methods have been described, some of which are being developed intensively. Each of these technologies has its specific advantages and Stimuli that predestine them for special areas of application. However, these advantages are always available also disadvantages compared to, such as special working conditions (e.g. low temperatures), special Working methods (e.g. shift register) or the need for extensive external equipment Control (optical storage).

Die physikalisch und technologisch bedingten Möglichkeiten eines Teils dieser Speichermethoden legen hinsichtlich ihrer Anwendungsgebiete eine Unterteilung in Massenspeicher und Schnellspeicher nahe. Erstere sind im allgemeinen holographische Systeme mit dem Ziel des wahlfreien Zugriffs zu Datenmengen von über IO¹⁰ bit ohne mechanische Zwischen bewegung. Schnellspeicher sind dagegen meist integrierte Halbleitersysteme, deren Zugriffs- und Transferzeilen im Nanosekundenbereich liegen. Dies sind jedoch im allgemeinen keine Speicher, die den Speicherzustand lange halten können, so daß ihr Anwendungsbereich mehr in der Kurzzeitspeichcrung relativ geringer Datenmengen liegt.The physically and technologically conditioned possibilities of some of these storage methods suggest a subdivision into mass storage and high-speed storage with regard to their areas of application. The former are generally holographic systems with the aim of random access to data volumes of over IO ¹⁰ bits without mechanical intermediate movement. Fast memories, on the other hand, are mostly integrated semiconductor systems with access and transfer lines in the nanosecond range. However, these are generally not memories that can hold the memory state for a long time, so that their area of application is more in the short-term storage of relatively small amounts of data.

Zwischen diesen beiden Extremen sind noch eine Reihe von Verfahren in Entwicklung, die für Speicher kapazitäten von etwa 10" bit projektiert sind und Arbeitszeiten der Größenordnung von 1 μα aufweisen (R.E. Ma tick, Proc. IEEE 60, 3, S. 226 [1972]).Between these two extremes, a number of methods are still being developed that are designed for storage capacities of around 10 "bits and have working times of the order of 1 μα (RE Ma tick, Proc. IEEE 60, 3, p. 226 [1972]) ).

Besonders weit fortgeschritten ist die Entwicklung des souenanntcn »magnetic bubble«-Speichers, der be» Verwendung von Permanentmagneten ein echter Permanentspeicher ist. Ein Nachteil ist der Schieberegisterbetrieb. Beim Bau größerer Speicher muß schon aus Kostengründen die Registerlänge relativ oroßsein. Bei Schiebefrequenzen von 0,1 bis 4 · 10" bit/s ergeben sich mittlere Zugriffszeiten von 0,1 bis 1 ms (F P e r ζ e f a 11, Elektronik 2, S. 39 [1974]). Ferner befinden sich, um nur einige zu benennen, noch das Halbpermanente MNOS-System (K.E. Lundström CM. Svensson, IEEE Trans, of Electronic Devices 19, 6, S. 826 [1972]) und Speicher auf dem Prinzip elektrischer Verzögerungsleitungen (R. M. White, Proc. IEEE 58, S. 1238 [1970]) in der Entwicklung.The development of the so-called "magnetic bubble" memory is particularly well advanced. Use of permanent magnets is a real permanent memory. One disadvantage is the shift register operation. When building larger memories, the register length must be relative for reasons of cost to be angry. With shift frequencies from 0.1 to 4 · 10 "bit / s average access times of 0.1 to 1 ms result (F P e r e f a 11, Electronics 2, p. 39 [1974]). Further there are, to name just a few, the semi-permanent MNOS system (K.E. Lundström CM. Svensson, IEEE Trans, of Electronic Devices 19, 6, p. 826 [1972]) and memory on the principle of electrical delay lines (R. M. White, Proc. IEEE 58, p. 1238 [1970]) in development.

Bei optisch adressierten Speichern, die z. B. den Faraday- bzw. den Kerreffekt an ferromagnetischen bzw. ferroelektrischen Materialien ausnützen, besteht ein Manpel an geeigneten Lichtablenkern, die ohne mechanische Zwischenbewegung eine genügend große Anzahl diskreter Positionen ansteuern können.In the case of optically addressed memories, the z. B. the Faraday or the Kerre effect on ferromagnetic or ferroelectric materials, consists a bunch of suitable light deflectors which, without mechanical intermediate movement, produce a sufficiently large one Can control a number of discrete positions.

Schließlich wurden auch schon vor vielen Jahren Speicherelemente auf der Basis der Ferroelektrizität beschrieben (J. L. Moll, Z. Tarni. IEEE Trans. Electr. Devices voll. ED-14, Nr. 10. S. 338 [1963]; SS Perl man, K.-H. Ludewig, IEEE Trans. Electr. Devices vol. ED-14, S. 816 [1967]; G.G. Te a t h e r, L. Y ο u η g. Sol. State Electron. Devices voll. 11. S. 527 [1968]; JC. Crawford. F. L. English, IEEE Trans. Electron. Devices, vol. ED-16, Nr. 6, S. 525 [1969]). Ihre Entwicklung erlahmte aber wegen offensichtlich unüberwindbarer Materialprobleme (schlechte definierte Koerzitivkraft. Ermüdung der schalt baren Ladung, langsame Schaltprozesse usw.). Auch solche ferroelektrischen Speicherelemente bestehen grundsätzlich aus einem Feldeffekttransistor, der auf das Speichermedium — im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung handelt es sich hier um einen ferroelektrischen Körper — aufgesetzt wird; der elektrische Widerstand der Transistor-Halbleiterschicht ist dann von der Polarisation des elektrischen Feldes des Ferroelektrikums abhängig, die wiederum von dem Speicherzustand bestimmt wird. Derartige Bauelemente haben jedoch grundsätzlich den Nachteil, daß die remanente Polarisation innerhalb weniger Wochen verschwindet, weshalb solche Systeme Tür Speicher, die den Speicherzustand längere Zeit halten sollen, ohne weiteres nicht geeignet sind. Eine neuere Arbeit (R. R. M e t h a , B. D. S i I verman, J. T. Jacobs, J. Appl. Phys., voll 44, Ni. 8, S. 3379 [1973]) kommt zu dem Schluß, daß die Depolarisation darauf zurückzuführen ist, daß durch Unterschiede in der Schwerpunktlage der ferroelektrischen Polarisationsladungen und der freien Kompensalionsladungen Gegenfelder entstehen, welche die ferroelektrischen Domänen zurückklappen.After all, storage elements based on ferroelectricity were also used many years ago (J. L. Moll, Z. Tarni. IEEE Trans. Electr. Devices full. ED-14, No. 10. p. 338 [1963]; SS Perl man, K.-H. Ludewig, IEEE Trans. Electr. Devices vol. ED-14, p. 816 [1967]; G.G. Te a t h e r, L. Y ο u η g. Sol. State Electron. Devices fully. 11. p. 527 [1968]; JC. Crawford. F. L. English, IEEE Trans. Electron. Devices, vol. ED-16, No. 6, p. 525 [1969]). Their development stalled but because of obviously insurmountable material problems (poorly defined coercive force. Fatigue of the switchable load, slow switching processes, etc.). Such ferroelectric memory elements too basically consist of a field effect transistor that is placed on the storage medium - im In contrast to the present invention, this is a ferroelectric body - attached will; the electrical resistance of the transistor semiconductor layer is then of the polarization of the electric field of the ferroelectric, which in turn is determined by the storage state will. However, such components basically have the disadvantage that the remanent polarization disappears within a few weeks, which is why such systems door memory that the memory state should hold for a long time, are simply not suitable. A more recent work (R. R. M e t h a, B. D. S i I verman, J. T. Jacobs, J. Appl. Phys., Full 44, Ni. 8, p. 3379 [1973]) comes to the conclusion that the depolarization is due to the fact that due to differences in the center of gravity of the ferroelectric polarization charges and the free ones Compensation charges of opposing fields arise, which fold back the ferroelectric domains.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Speicherelement fur einen digitalen Speicher zu schaffen, bei dem der Speicherzustand über ausreichend lange Zeit erhalten bleibt. Gewünscht war des weiteren ein möglichst einfacher, in wirtschaftlicher Weise realisierbarer Aufbau des gesamten Speichers, was auch die Forderung nach einfachem bzw. mit einfachen Einrichtungen durchzuführendem Einschreiben, Lesen und Löschen der Informationen mit einschließt. Hohe Speicherdichten und kurze Zugriffszeitcn sollten ebenfalls gewährleistet sein.The invention is now based on the object of providing a storage element for a digital memory in which the memory status is retained for a sufficiently long time. Was desired Furthermore, the simplest possible, economically feasible structure of the entire storage tank, which also includes the demand for simple or with simple facilities to be carried out registered mail, Includes reading and erasing the information. High storage densities and short access times should also be guaranteed.

Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe mit dem im Anspruch beschriebenen Speicher element in überraschend einfacher und technisch sehr fortschrittlicher Weise gelöst werden kann Danach besteht die Erfindung in einerr· Speicherelement dessen Speichermedium aus einer Elektretfolie besteht' auf deren Oberfläche auf einer Seite ein Feldeffekttransistor in Dünnfilmtechnik direkt aufgesetzt ist" während auf der gegenüberliegenden Seite der Elektrelfolie eine Glimmstrecke derart angeordnet ist daß bei ihrer Zündung — je nach Polarität der Zündspannung — der Ladungszustand auf der ihr zugewandten Seite der Elektretfolie veränderbar ist wodurch sich das in der Halbleiterschicht des Feld effekttransistors eindringende elektrische Feld und is damit die Leitfähigkeit der Halbleiterschicht des Transistors ändert.It has now been shown that this task with the memory described in the claim element can then be solved in a surprisingly simple and technically very advanced manner the invention consists of a storage element whose storage medium consists of an electret film on the surface of which a field effect transistor in thin film technology is placed directly on one side " while on the opposite side of the electrel foil a glow gap is arranged in such a way that when it is ignited - depending on the polarity of the ignition voltage - The state of charge on the side of the electret film facing it can be changed whereby the electric field penetrating into the semiconductor layer of the field effect transistor and is so that the conductivity of the semiconductor layer of the transistor changes.

Mit dem erfindungsgemäßen Speicherejemen( Mßt sich ein sogenannter »Random-Access«-Speicher aufbauen, bei dem als Speichermedium eine Elektretfolie dient. Das Schreiben und Löschen erfolgt durch Mikroplasmaentladungen mit Hilfe der in jedem Speicherelement vorhandenen Glimmstrecke. Dabei werden auf der einen Oberfläche der Elektretfolie Ladungen aufgebracht bzw. neutralisiert und dadurch das an der gegenüberliegenden Oberfläche austretende, in den angrenzenden Transistor eindringende elektrische Feld gesteuert. Dieses Feld beeinflußt unmittelbar den elektrischen Widerstand der Halbleiterschicht des Dünnfilmtransistors, dessen Source-Drain-Widerstand den Speicherzustand des Elements angibt Die Auslesung kann dann statisch erfolgen. Schreib- undWith the storage yemen according to the invention (Meas a so-called "random access" memory can be set up using an electret film as the storage medium serves. Writing and erasing is done by microplasma discharges with the help of the in each Memory element existing glow path. In doing so, on one surface of the electret film Charges applied or neutralized and thereby the emerging on the opposite surface, controlled electric field penetrating into the adjacent transistor. This field has a direct impact the electrical resistance of the semiconductor layer of the thin film transistor, its source-drain resistance indicates the memory status of the element. The readout can then be carried out statically. Writing and

Lesesystem sind unabhängig voneinander ansteuerbar Bei Ansteuerung über Wählermatrizen sind nur relativ wenige externe Verbindungen notwendig. Die zum Schreiben und Lesen benötigten Zeiten, insbesondere auch die Zugriffszeit, liegen bei Verwendung der erfindungsgemäßen Speicherelemente bei etwa 1 us. Die Speicherdichte ist im wesentlichen durch die Möglichkeiten der Dünnfilmtechnik begrenzt und liegt bei etwa 10⁴ bis 10⁵ bil/cm². Da ein einzelnes Speicherelement relativ dünn hergestellt werden kann, lassen sich durch Ubereinanderstapeln Speicherdichten von 10" bit/cnv' erreichen.Reading systems can be controlled independently of one another. When controlled via selector matrices, only relatively few external connections are necessary. The times required for writing and reading, in particular also the access time, are around 1 μs when the memory elements according to the invention are used. The storage density is essentially limited by the possibilities of thin film technology and is around 10 ⁴ to 10 ⁵ bil / cm ² . Since a single storage element can be made relatively thin, storage densities of 10 "bit / cnv 'can be achieved by stacking them on top of one another.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Erläuterung und aus den Zeichnungen hervor. Es zeigtFurther advantages and possible uses of the invention can be found in the following explanation and from the drawings. It shows

Fig. 1 schematisch den Verlauf des elektrischen Feldes in einem Elektreten und dessen Beeinflussung durch außerhalb angeordnete leitlahige Platten,Fig. 1 schematically shows the course of the electrical Field in an electret and its influence by conductive plates arranged outside,

F i g. 2 ebenfalls schematisch eine Ausführungsart des erfindungsgemäßen Speicherelementes und den Feldlinienverlauf bzw. die Ladungsverteilung bei verschiedenem Speicherzustand,F i g. 2 also schematically shows an embodiment of the memory element according to the invention and the Field lines or the charge distribution with different storage states,

Fig. 3 im Diagramm die Abhängigkeit der Spannung zwischen Elektret und einer äußeren Elektrode vom Luftspalt zwischen beiden,3 shows the dependence of the voltage in a diagram between electret and an outer electrode from the air gap between the two,

Fig. 4 in perspektivischer Darstellung den Ausschnitt aus einer Speichermatrix mit Speicherelementen der erfindungsgemäßen ArI und no4 shows a perspective illustration of the detail from a memory matrix with memory elements the ArI according to the invention and no

Fig. 5 schematisch die Zusammenschaltung der Transistoren einer Speichermatrix der erlindungsgemäßen Art zum Lesen der Information.5 schematically shows the interconnection of the transistors of a memory matrix according to the invention Way of reading the information.

Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Spcicherelcmcntcs sollen zunächst einige Eigenschaften von Elektreten näher erläutert werden.For a better understanding of the mode of operation of the storage mechanism according to the invention, some properties of electrets are explained in more detail.

Bei den in letzten Jahren durch VerwendungIn recent years through use

geeigneterer Kunststoffe erheblich verbesserten Elek treten handelt es sich meist um sogenannte Raum ladungselektrete. Alle Dielektrika enthalten eine ge wisse Anzahl freier elektrischer Ladungsträger, d. h Ionen, Elektronen oder beides. Normalerweise sitzet diese in tiefen, energetischen Haüstellen, und zwai statistisch verteilt, so daß nach außen kein resultieren des elektrisches Feld auftreten kann. Diese Ladungsträger können aber z. B. thermisch aus ihren Haft stellen befreit werden und durch Anlegen eines äußerer elektrischen Feldes zu den entsprechenden Elektroder hinwandern, wo sie sich an den Grenzflächen anreichern. Durch Abkühlen des Dielektrikums untei anliegendem Feld wird dieser Zustand eingefroren d. h., die Ladungsträger befinden sich wieder in tiefer Haftstellen, aus denen sie nur durch Zuführung eines gewissen Energiebetrages befreit werden können. Es gibt mehrere Herstellungs-(Formulierungs-)methoden für Elektrete. Insbesondere können die Ladungsträger auch von außen zugeführt werden, wie z. B. durch Elektronenstrahlbeschuß, über Flüssigkeitskontakte oder durch Gasentladung. Besonders in den beiden letztgenannten Fällen werden die Ladungsträger in Oberflächenhaftstcllen festgehalten.more suitable plastics significantly improved elec treads are mostly so-called space charge electrets. All dielectrics contain a ge Know the number of free electrical charge carriers, d. h ions, electrons, or both. Usually sits these in deep, energetic skin areas, and two statistically distributed, so that no result of the electric field can occur to the outside. These load carriers but can z. B. are thermally released from their custody and by applying an external electric field migrate to the corresponding electrode, where they accumulate at the interfaces. This state is frozen by cooling the dielectric below the field applied d. This means that the charge carriers are again in deeper traps, from which they can only be removed by feeding one certain amount of energy can be exempted. There are several manufacturing (formulation) methods for electrets. In particular, the load carriers can also be supplied from the outside, such as B. by electron beam bombardment, via liquid contacts or by gas discharge. In the last two cases in particular, the charge carriers are in Surface adhesives held.

Als besonders geeignet für die Herstellung von Elektretfolien hat rieh Polyfluoräthylenpropylen erwiesen. Die erreichbaren Ladungsdichten liegen bei über^ 1(T⁷ As/cm². Diese Elektrete sind bis etwa 80 C stabil. Aus entsprechenden Messungen wurde extrapoliert, so daß die Ladung bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit und 25' C etwa 200 Jahre lang erhalten bleiben würde.Polyfluoroethylene propylene has proven particularly suitable for the production of electret films. The achievable charge densities are over ^ 1 (T ⁷ As / cm ^2. These electrets are stable up to about 80 C. It was extrapolated from corresponding measurements so that the charge would be retained for about 200 years at low relative humidity and 25 ° C .

Wie Fig. la zeigen soll, ist bei Abwesenheit äußerer Elektroden das durch die Ladung hervorgerufene Feld im Inneren des Elektreten geschlossen, d. h., es tritt nach außen kein Feld auf. Bei der angegebenen Ladungsdichte σ = 10~⁷ As/cm², der Dielektrizitätskonstante t = 2, der InfluenzkonstanteAs Fig. La should show, in the absence of external electrodes, the field caused by the charge inside the electret is closed, ie there is no field to the outside. At the given charge density σ = 10 ~ ⁷ As / cm ² , the dielectric constant t = 2, the influence constant

f'o = 8,8- 10"¹⁴ ^_s beträgt das im Inneren herrschende Feldf'o = 8.8-10 " ¹⁴ ^ _s is the internal field

_E= a _{E =} a JO "J JO "J

"ifö ~ 2^T8,8~-10'¹⁴ "ifö ~ 2 ^T 8,8 ~ -10 ^'14

= 5-ΙΟ⁵ — .
cm= 5-ΙΟ ⁵ -.
cm

Bringt man den Elektreten gemäß Fig. Ic zwischen zwei leitende oder halbleitende Platten 2, 3, so werden dort Influenzladungen erzeugt. Bei genügend kleinem Abstand dieser Platten von den entsprechenden Oberflächen des Elektreten kann nahezu das ganze Feld nach außen abgezogen werden, allerdings nur bis zur Durchschlagsfeldstärke des umgebenden Gases. Nach Entfernen der Platten 2, 3 ist das Feld wieder im Inneren des Elektreten geschlossen. Letzleres gilt auch, wenn nur eine der beiden Platten 1, 2 entfernt wird. Dies läßt sich an Hand von Fig. Ib aus folgender Überlegung ableiten:If you bring the electrets according to Fig. Ic between two conductive or semiconducting plates 2, 3, then influential charges are generated there. With enough A small distance between these plates and the corresponding surfaces of the electret can almost do that entire field can be withdrawn to the outside, but only up to the breakdown field strength of the surrounding Gas. After removing the plates 2, 3, the field inside the electret is closed again. Letzleres also applies if only one of the two plates 1, 2 is removed. This can be seen from Fig. Ib derive from the following consideration:

Die Platten sollen zur Elektretoberflüche einen Abstand (Z₁ bzw. </, besitzen und außen miteinander verbunden sein, so daß ein geschlossener Kreis gebildet wird: es gilt dannThe plates should have a distance (Z _{1 or </,) from} the electret surface and be connected to one another on the outside, so that a closed circle is formed: it then applies

I₁ - E₂Cl₂ I ₁ - E ₂ Cl ₂

Die Ladungsdichte auf dem Elektreten sei <r₀. Die bzw. eine Spannung auf den Platten influenzierten Ladungsdichten sind auf beiden Platten gleich groß (= n_M). Dann folgt ,, _ "_Λ Let the charge density on the electret be <r ₀ . The charge densities influenced or a voltage on the plates are the same on both plates (= n _M ). Then follows "_" _Λ

Einsetzen von (2) und (.1) ergibtSubstituting (2) and (.1) gives

ιτ_οί/₂ ιτ _ο ί / ₂

d₂ +/id,d ₂ + / id,

oder wegen d_x <*: d₃ or because of d _x <*: d ₃

Für i/, >· d_x und t/₂ ~* 'Ht ~ ^- I^'^csc Feststellung ist für die Funktion des crfindungsgemäßen Spcichcrelementes wesentlich.For i /,> · d _x and t / ₂ ~ * 'Ht ~ ^ - I ^' ^cs c determination is essential for the function of the memory element according to the invention.

Der prinzipielle Aufbau eines Speicherelementes der erfindungsgemäßen Art ist aus F i g. 2 ersichtlich. Auf der oberen Seite einer Elektretfolie 1 ist ein Feldeffekttransistor 4 bis 7, der in Dünnfilmtechnik hergestellt ist, direkt aufgesetzt, so daß er unmittelbar durch das Feld der Elektretladung gesteuert werden kann. Source und Drain des Transistors 4 bis 7 sind mit 5 bzw. 7 und der Gateanschluß mit 6 beziffert. An der unteren Seite der Elektretfolie 1 befindet sich eine Glimmstrecke mit den Elektroden 8 und 9, die zum Einschreiben und Löschen der Information dient.The basic structure of a memory element of the type according to the invention is shown in FIG. 2 can be seen. On the upper side of an electret film 1 is a field effect transistor 4 to 7, which is made using thin-film technology is made, placed directly so that it can be controlled directly by the field of the electret charge can. The source and drain of the transistors 4 to 7 are numbered 5 and 7, respectively, and the gate terminal is numbered 6. On the lower side of the electret film 1 is a glow path with the electrodes 8 and 9, the is used to write and delete the information.

Bei dem in Fig. 2a dargestellten Zustand des erfindungsgemäßen Speicherelemcntes findet die negative Ladung des Elektreten 1 keine Gegcnladung, so daß das Feld fast nur im Inneren des Elektreten 1 besteht. Dadurch wird auch nur eine vernachiässigbar kleine Ladung in der Halbleiterschicht 4 des Transistors 4 bis 7 influenzicrt. Dies sei der leitende Zustand der dotierten Halblcitcrschicht 4. Die in den Randzonen des Elementes befindlichen Elektretladungen werden durch die direkt an der Oberflache sitzenden metallischen Leiter von Source 5 und Drain 7 des einen Pols der Glimmstrecke 8, 9 neutralisiert und können im folgenden unberücksichtigt bleiben.In the state of the storage element according to the invention shown in FIG. 2a, the negative occurs Charge of the electret 1 no counter-charge, so that the field almost only inside the electret 1 consists. As a result, there is also only a negligibly small charge in the semiconductor layer 4 of the transistor 4 to 7 influenzicrt. Let this be the conductive state of the doped half-citric layer 4. The in the The electret charges in the edge zones of the element are directly applied to the surface seated metallic conductor of source 5 and drain 7 of one pole of the glow path 8, 9 neutralized and can be disregarded in the following.

Fig. 2b zeigt das Einschreiben der Information durch Aufbringen von positiv geladenen Ionen auf die untere Elektretoberfläche, was durch Zündung der Glimmentladung bei entsprechender Polung erfolgt. Auf die positiven Ionen der Glimmentladung wirken hier bei genügender Annäherung auch die negativen Elektretladungen, so daß ein Teil dieser Ionen zur Elektretoberfläche hin beschleunigt wird, wobei eine elektrische Doppelschicht entsteht. Damit werden nach der oben abgeleiteten Gleichung (2) die Abstände ά_λ und d₃ -c d₂ und somit σ_Μ = <τ₀, d. h., in der Halbleiterschicht 4 wird etwa die gleiche Ladungsdichte influenziert, wie sie im Elektreten 1 vorhanden ist. Diese Ladungen bewirken im Halbleiter 4 eine Änderung der dort vorhandenen Ladungen, wodurch sich der Widerstand dieser Schicht ändert.2b shows the writing of the information by applying positively charged ions to the lower electret surface, which takes place by igniting the glow discharge with the appropriate polarity. If they come close enough, the negative electret charges also act on the positive ions of the glow discharge, so that some of these ions are accelerated towards the electret surface, creating an electrical double layer. Thus, according to equation (2) derived above, the distances ά _λ and d ₃ -c d ₂ and thus σ _Μ = <τ ₀ , that is, approximately the same charge density is influenced in the semiconductor layer 4 as is present in the electret 1 . These charges cause a change in the charges present in the semiconductor 4, as a result of which the resistance of this layer changes.

Die folgenden Ausführungen zeigen, daß Spannungen von etwa 30 bis 50 V genügen, um die Entladung zu zünden.The following statements show that voltages of around 30 to 50 V are sufficient to discharge the discharge to ignite.

Hierzu soll die Fi g. Ib betrachtet werden. Die im Abstand d₃ vom Elektreten entfernte Metallplatte entspricht etwa der unteren Elektrode der Glimmstrecke in F i g. Z Dann besteht zwischen Elektret und Elektrode ein FeldFor this purpose, the Fi g. Ib be considered. The metal plate removed from the electret at a distance d ₃ corresponds approximately to the lower electrode of the glow path in FIG. Z Then there is a field between the electret and the electrode

³ ~ T ³ ~ T

d₂d.d ₂ d.

Fig. 3 stellt diese Beziehung U₃ — f(d₃) mil σ_η und d₂ als Parameter dar. Diese Abbildung ist einer Arbeit von Sessler und Wesl entnommen (G. M. S e s s I e r, J. E. West., Rev. Sei. Inst. 42, 1, S. 153 shows this relationship U ₃ - f (d ₃ ) with σ _η and d ₂ as parameters. This figure is taken from a work by Sessler and Wesl (GM S ess I er, JE West., Rev. Sei. Inst . 42, 1, p. 15

ίο [¹⁹⁷¹D- Die eingezeichnete Paschen-Kurve stellt eine Grenzkurve dar, oberhalb deren die Durchbruchsfeldstärke der Luft bei 760 Torr überschritten wird. Bei vorgegebener Ladungsdichte des Elektreten kann man also durch geeignete Wahl des Abstandes d₃ ίο [ ¹⁹⁷¹ D- The drawn Paschen curve represents a limit curve above which the breakdown field strength of the air at 760 Torr is exceeded. With a given charge density of the electret, one can therefore select the distance d ₃

sowie der Gasart und des Gasdrucks leicht einen »Arbeitspunkt« finden, bei dem das vom Elektreten im Luftspalt d₃ erzeugte Feld noch nicht ausreicht, eine Entladung zu zünden. Die Zündung geschieht dann durch Anlegen eineszusälzlichen Feldes zwischen den beiden Elektroden 8, 9 der Glimmstreckt:. Die hierfür benötigten Spannungen können um so geringer sein, je näher der obengenannte Arbeitspunkt tu der Paschen-Kurvc liegt. Diese Annäherung darf allerdings nicht zu groß sein, um einen selbständigen Durchbruch mit Sicherheit zu vermeiden.As well as the type of gas and the gas pressure, it is easy to find an "operating point" at which the field generated by the electret in the air gap d ₃ is not yet sufficient to ignite a discharge. The ignition is then done by applying an additional field between the two electrodes 8, 9 of the glow stretching :. The voltages required for this can be lower, the closer the above-mentioned working point tu is to the Paschen curve. However, this approximation must not be too great in order to avoid an independent breakthrough with certainty.

Das Lesen der Information besteht nun darin, den Widerstand der Halbleiterschicht 4 abzufragen. Daher soll das Verhältnis der Widerstände in beiden Zuständen möglichst groß sein.Reading the information now consists in interrogating the resistance of the semiconductor layer 4. Therefore, the ratio of the resistances in both states should be as large as possible.

Sinnvoll für diese Anwendung sind Transistoren, die im sogenannten »Anreicherungs-mode« arbeiten, die nämlich bei Abwesenheit einer gate-Span η ung geöffnet sind und durch Anlegen einer je nach Leit ungstyp des Halbleiters positiven oder negativen gate-Transistors that work in the so-called "enrichment mode" are useful for this application, namely, which are opened in the absence of a gate span η ung and by applying a depending on the Leit ungtyp of the semiconductor positive or negative gate

Spannung gesperrt werden.Voltage are locked.

Die Abfrage der Information kann auf zwei verschiedene Weisen erfolgen, nämlichThe information can be queried in two different ways, namely

a) am Gate 6 des Transistors (4 bis 7) liegt keine Spannung. Die Polarität der vom Elektreten 1 im Halbleiter 4 erzeugten Infhienzladungen ist derart, daß der Widerstand des Halbleiters erhöht wird. Dann bedeutet ein hoher Widerstand zwischen Source 5 und Drain 7 das Vorhandensein λ'οη Information, a) there is no voltage at gate 6 of the transistor (4 to 7). The polarity of the infinity charges generated by the electret 1 in the semiconductor 4 is such that the resistance of the semiconductor is increased. Then a high resistance between source 5 and drain 7 means the presence of λ'οη information,

b) am Gate 6 des Transistors (4 bis 7) soll eine derartige Spannung liegen, daß die Scmrce- Drain-Strecke gesperrt ist Die Polarität der vom Elektreten 1 erzeugten Influenzladungen sei nun umgekehrt, der Betrag aber etwa gleich groß wie die vom Gate erzeugten Influenzladungen. Damit wird der vom Gate her gesperrte Transistor vom Elektreten her wiedter geöffnet. Dann bedeutet ein niedriger Widerstand das Vorhandensein von Information. b) (4 intended to 7) are that the Scmrce- drain path is blocked, the polarity of the influence charges generated by the electrets 1 is now reversed, but the amount approximately equal to such a voltage as those produced of the transistor at the gate 6 from the gate Influenza charges. In this way, the transistor blocked by the gate is opened again by the electret. Then a low resistance means the presence of information.

.Wie im folgenden gezeigt wird, ist der Fäll b) für die Ansteuerung eines aus vielen Einzelelementen aufgebauten Speichers gunstiger.As shown below, case b) is for the control of a storage tank made up of many individual elements is cheaper.

Damit die Sperrung bei einer für integrierte Schaltungen günstigen gale-Spannung geschieht. muH das I lalbfeitermaterial geeignet dotiert bzw. ausgewählt sein. Bei einer gale-Spannung von /. IJ. 2 V kann man auf (!rund der einfachen Forme! für den Plattenkondensator ausrechnen, daß bei einer Isolatordicke (/wischen Gate 6 und Halbleiter 4) von 5"0 Ä und einer I)K von 5 maximal etwa K)'² Ladungen pro Quadralzcnlinieler verdräng! werden können. Wenn der Halbleiter eine solche Anzahl (oder weniger) freie Ladungen pro Quadratzcntimclcr enthält, kann er also voll gesperrt werden. Bei einer Dicke des Halbleiters von 200 Λ ergibt sich hieraus eine Dotierung \on 0.5 ■ K)'" en» \ Dieser Dotierungsbereich lsi im 1 den Halbleitern Tellur und SnO. aber auch PhS zugänglich, die durch relativ einfache Aufdampfproze^se hergestellt werden können.So that the blocking occurs at a gale voltage that is favorable for integrated circuits. The semiconductor material must be appropriately doped or selected. With a gale voltage of /. IJ. 2 V can be calculated on (! Around the simple form! For the plate capacitor) that with an insulator thickness (/ between gate 6 and semiconductor 4) of 5 "0 Å and an I) K of 5 a maximum of about K) ' ² charges per If the semiconductor contains such a number (or less) of free charges per square inch, it can be completely blocked. With a thickness of the semiconductor of 200 Λ this results in a doping of 0.5 K) '" en »\ This doping area is in 1 the semiconductors tellurium and SnO. but also PhS accessible, which can be produced by relatively simple vapor deposition.

Die obengenannte Zahl von Ki¹" ladungen pro (J'uadratzcnlinieler entspricht einer I.adimgsdichtc von 1.6-10 " cb cnr. Dies einspricht aber etwa der l.adungsdiehie. die auch auf dem Hcktreten erreicht werden kann, so daß das Abfragen der Information wie un'er b| beschrieben erfolgen kann.The above-mentioned number of Ki ¹ "charges per (J'uadratzcnlinieler corresponds to an I.adimgsdichtc of 1.6-10" cb cnr. However, this corresponds approximately to the load die here, which can also be reached from the back, so that the querying of the information how our b | can be described.

Heim Einschreiben der Information nach Fig. 2b wird die unlere Elcktrclladung neutralisiert, d. h.. sie wird nach auHcn hin unwirksam. Die obere Flekirclladung wirkt jetzt wie eine llomoladung. Wegen der geometrischen Nähe zum Halbleiter 4 !Abstand d I wird dort eine fasl gleich große Ladung umgekehrten Vorzeichens inlluen/iert. Fine geringe Ladungsmenge wird aber auch in diesem Fall auf der unteren Glimmeleklrode8(Abstand </,' ^: </_: - </.*) inlluenzierl. Damit liegt zwischen der oberen Lleklretlailung lind der unleren (ilimmelektrode 8 eine Spannung When writing the information according to FIG. 2b, the lower electrical charge is neutralized, ie. it becomes ineffective outwardly. The upper fleece charge now acts like a llomol charge. Because of the geometrical proximity to the semiconductor 4! Distance d I, a charge of almost the same size with the opposite sign is incorporated there. In this case, too, a small amount of charge is illuminated on the lower glow electrode8 (distance </, ' ^: </ _: - </.*). There is thus a voltage between the upper wire and the lower electrode 8

c;c;

IMIN THE

geeignete Wahl der (ieomelne wird erreicht. dall (, ( , gill. si. daß jelzt durch Umkehrungsuitable choice of (ieomelne is achieved. dall (, (, gill. si. that jelzt by inversion

der l'Olantät der Spannung zwischen den Elektroden 8 9 der (ilmimstrecke (I-'ig. 2cl eine Entladung in umgekehrter Richiung wie im obigen lall gezündet wird, womit der Ausgangszustand entsprechend 1 ig. 2a wieder hergestellt wird: auf diese Weise erfolgt das Löschen der Information.the l'Olantat of the tension between the electrodes 8 9 of the (ilmim line (I-'ig. 2cl a discharge ignited in the opposite direction as in the above lall becomes, with which the initial state is 1 ig. 2a is restored: this way the information is deleted.

Diese Art der Zündung von Glimmentladungen wird übrigens in ähnlicher Weise bei den sogenannten »ac plasma panels« angewandt (P. H. H a b e r 1 a η d . J. Vac Sa. Technol Vol. 10. Nr. 5. S. 796 [1973]: R. L .1 ο h η s ο η . D. L B 111 ζ e r . H. G S 1 ο w ο 11. IEEF. Trans. Electron. Devices 18. 9. S. 642 [1971]; L. F. Web er. R. L. J oh η son , IEFE Trans. Electr. Devices 10. 11. S 1082 [1973]). Dort werden Matrixanordnungen von Glimmentladungen als flache Bildschirme verwendet.This kind of ignition of glow discharges is incidentally carried out in a similar way with the so-called "Ac plasma panels" applied (P. H. H a b e r 1 a η d. J. Vac Sa. Technol Vol. 10. No. 5. P. 796 [1973]: R. L .1 ο h η s ο η. D. L B 111 ζ e r. H. G S 1 ο w ο 11. IEEF. Trans. Electron. Devices 9. 9. p. 642 [1971]; L. F. Web er. R. L. J oh η son, IEFE Trans. Electr. Devices 10. 11. S 1082 [1973]). There are matrix arrangements used by glow discharges as flat screens.

Die erfindungsgemäßen Speicherelemente können nun in Matnxanordnungen zu Speichersystemen zusammengefügt werden. Das Schreib- und Löschsystem, das durch die Glimmstrecken gebildet wird, und das Lesesystem auf der Transistorseite sind durch die Elektretfolie voneinander getrennt und können daher unabhängig voneinander angesteuert werdenThe storage elements according to the invention can now be combined in matrix arrangements to form storage systems will. The write and erase system that is formed by the glow paths, and the reading system on the transistor side are separated from one another by the electret film and can can therefore be controlled independently of each other

Fig. 4 zeigt als einen Ausschnitt aus einer Speichermatrix einige zusammengefügte Speicherelemente der erfindungsgemaßen Art. In dei Darstellung befindet sich auf der Oberseite das Schreib- und Löschsystem.4 shows a section from a memory matrix some assembled storage elements of the type according to the invention. In the illustration The writing and erasing system is on the top.

das im wesentlichen aus den zeilen- und spallcnweisi hintereinandcrgeschalleten Elektroden 8, 9 besteht Darunter befindet sich die Elektretfolie 1 und unte dieser wiederum die jedem einzelnen Element züge ordneten Feldeffekttransistoren 4 bis 7, deren ein /eine Bestandteile in Fig 4 nicht dargestellt sindthat essentially consists of the lines and spaces references electrodes 8, 9 which are sounded one behind the other. Below is the electret film 1 and below this in turn the field effect transistors 4 to 7 assigned to each individual element / a component part is not shown in FIG

Die einzelnen Speicherelemente können mi einer Koinzidenzschaltung unmittelbar angesleuer werden (random access). Die auf dem Elektretcn 1 aufgedampften Elektrodenstreifen 8 sind in Bereich jedes einzelnen Speicherelements ge locht, damit die Ladungsträger der Glimm entladung z.u der Elektretoberflächc Zutrit haben: jedes Loch stellt also einen Speicherplatz dar F.ine solche Anordnung läßt sich mit Hilfe der Dünn filmtcchnik herstellen, wobei eine Dichte von übci H)⁴ Glimmstrecken, cnr keine Schwierigkeilen bereitetThe individual storage elements can be activated directly with a coincidence circuit (random access). The electrode strips 8 vapor-deposited on the electret 1 are perforated in the area of each individual storage element so that the charge carriers of the glow discharge have access to the electret surface: each hole thus represents a storage space. Such an arrangement can be produced with the aid of thin film technology, where a density of more than H) ⁴ glow sections, cnr does not cause any difficulties

Die einzelnen Elektrodenstreifen 8. 9 besilz.cn ir einem Ausrührungsbeispiel der Erfindung eine Breite von etwa 30 bis 50μΐη; der Abstand« zwischen der Elektroden 8 und 9 der Glimmstrecke, vgl. hierzi auch F i g. 2, liegt ebenfalls etwa in der Größen Ordnung von 30 bis 50 μΐη.The individual electrode strips 8, 9 have a width in one embodiment of the invention from about 30 to 50μΐη; the distance «between the Electrodes 8 and 9 of the glow path, see also FIG. 2, is also about the same size Order from 30 to 50 μΐη.

tine sehallungstechnische Prinzipskizze zum Leser der Information zeigt F i g. 5. Auf jeden Speicherplatz bei dieser Speichcrmatrh 10 befindet sich auf der den Schreib- und Löschsystem gegenüberliegenden Seiter der Elektretfolie ein Dünnfilmtransistor (4 bis 7) Die Transistoren sind über ihre Anschlüsse 5. " zeilenweise, die »Gates« 6 spaltenweise hintereinandergeschaltet. Die Ansteuerung eines bestimmten Speicherelements geschieht hier nach dem Prinzip de? Koordinatenschalters. Trägt eine Speicherzelle Information, so wird der bereits im Ausgangszustanc leitende Transistor noch weiter geöffnet. Damit sine bei Abwesenheit einer gate-Spannung sämtliche Transistoren (4 bis 7) der Speichermatrix 10 im leitenden Zustand.Fig. 1 shows a schematic diagram of the technical concept for the reader of the information. 5. On every memory location in this memory card 10 is located on the Write and erase system opposite side of the electret foil a thin film transistor (4 to 7) The transistors are connected in series via their connections 5. ", the" gates "6 in columns. The control of a certain storage element takes place here according to the principle de? Coordinate switch. If a memory cell carries information, so the transistor, which is already conducting in the initial state, is opened even further. So sine in the absence of a gate voltage, all of the transistors (4 to 7) of the memory matrix 10 are conductive Status.

Die Abfrage des Speicherinhalts eines bestimmten Elements geschieht nun durch Anlegen einer Spannung an die entsprechende gate-Spalte und durch Messung des Querstroms durch die Transistorzeile, in der sich üas Element befindet. Trägt das Element keine Information, so wird der Transistor durch die gate-Spannung gesperrt, und es fließt kein Querstrom. Trägl das Element Information, so bleibt der Transistor geöffnet, und es fließt ein Querstrom, dessen Größe durch die Summe der Widerstände der in einer Zeile liinteremandergeschaltelen Transistoren bestimmt wird. Um die beiden Zustande deutlich unterscheider zu können, muß dieses An-Aus-Verhältnis möglichst groß sein. Das ohne weiteres erreichbare Widerstandsverhältnis von 10⁵:1 in Abhängigkeit vom Speicherzustand bedeutet, daß über IO⁴ Elemente in einer Reihe hintereinandergeschaltet werden können.The memory content of a certain element is now queried by applying a voltage to the corresponding gate column and by measuring the cross current through the transistor row in which the element is located. If the element does not carry any information, the transistor is blocked by the gate voltage and no cross current flows. If the element information is slow, the transistor remains open and a cross current flows, the magnitude of which is determined by the sum of the resistances of the transistors connected in a row. In order to be able to clearly differentiate between the two states, this on-off ratio must be as large as possible. The easily achievable resistance ^{ratio of 10 5} : 1 depending on the memory status means that ⁴ elements can be connected in a row via IO.

In F i g. 5 ist ferner angedeutet, daß die Ansteuerung der Speichermatrix 10 hier über Wählermatrizen 11 erfolgt, die ebenfalls aus Dünnfilmtransistoren aufgebaut sind und gleichzeitig mit den Lesetransistoren auf derselben Fläche hergestellt werden können Damit sind zur Ansteuerung nur wenige externe Verbindungen notwendig.In Fig. 5 is also indicated that the control the memory matrix 10 takes place here via selector matrices 11, which are also made up of thin-film transistors are constructed and can be produced simultaneously with the reading transistors on the same area This means that only a few external connections are required for control.

Mit den in der erfindungsgemäßen Weise aufgebauten Speicherelementen lassen sich also technisch sehr fortschrittliche Permanentspeicher aufbauen. Wie von den zuvor bereits erwähnten »ac-plasma-panels« bekannt ist. wird zum Einschreiben und Löschen eines Elements eine Zeit von 2 bis 3 -im benötigt. Die Zu-With the storage elements constructed in the manner according to the invention, it is therefore technically possible build very advanced permanent storage. As from the previously mentioned »ac-plasma-panels« is known. It takes a time of 2 to 3 -im to write and delete an item. The access

grilTs/eil zu einer bestimmten Speicherzelle ist durch die Schnitzen der Dünnlilmtransisloren bestimmt und liegt ebenfalls in der Größenordnung von 1 ;jv Schreiben oder Löschen und Lesen können gleichzeitig und unabhängig voneinander erfolgen. Da außerdem jede beliebige Zelle bzw. jedes beliebige Speicherelement unmittelbar angesteuert werden kann, ist eine sehr effektive Organisation des gesamten Speichers möglich.GrilTs / eil to a specific memory cell is through the carving of the thin-film transisloren determined and is also of the order of 1; jv letter or erasing and reading can take place simultaneously and independently of one another. Since also any cell or any memory element can be controlled directly is a very effective organization of the entire memory is possible.

Da Glimmentladungen auf sehr kleinem Raum erzeugt werden können, ist die Zahl der Speicherplätze pro Qiiadratzenlimeter im wesentlichen durch dieSince glow discharges can be generated in a very small space, the number of storage locations is per square inch essentially by the

I ίο I ίο

Möglichkeiten der Dünnfilmtechnik vorgegeben; eine Dichte zwischen K)⁴ und K)⁵ Elementen pro Quadralzcnlimeler ist durchaus möglich. Die /um Aufbau eines Speichers zu verwendende Grundplatte kann relativ dünn gehalten werden; daher laßt sich durch Aufeinanderslapeln solcher Platten eine hohe Speicherkapazität pro Volumeneinheit erreichen. Bei einer Plattendicke von 0.5 bis I mm ist eine Speicherkapazität von etwa 10" bit/cnv' möglich. Eine solche Kapa-/iiäi ist nur durch optische Speicher zu übertreffen, die aber zur Ansteuerung des Speicherniediiims umfangreiche, sehr komplizierte externe Geräte benötigen.Possibilities of thin film technology given; a density of between K) ⁴ and K) ⁵ elements per quadrant is quite possible. The base plate to be used to construct a memory can be kept relatively thin; therefore, a high storage capacity per unit volume can be achieved by stacking such plates on top of one another. With a plate thickness of 0.5 to 1 mm, a storage capacity of about 10 "bit / cnv 'is possible. Such a capacity can only be exceeded by optical memories, which, however, require extensive, very complicated external devices to control the storage device.

Hierzu 5 Blatt ZeichnungenIn addition 5 sheets of drawings

Claims

Claim:

Memory element for a 'digital memory, with a field effect transistor, its semiconductor layer in their electrical conductivity as a function of the storage state of a storage medium is changeable, characterized in that that the storage medium consists of an electret film (1) on the surface one side of the field effect transistor (4 to 7) is placed directly in thin-film technology, while a glow path (8, 9) is arranged on the opposite wire of the electret film (1) is that with their ignition - depending on the polarity of the ignition voltage - the state of charge on the side of the electret film (1) facing it is changeable, whereby this is converted into the semiconductor layer (4) the electric field penetrating the field effect transistor and thus the conductivity the semiconductor layer (4) changes.