DE2502321A1 - Verfahren zum aufzeichnen eines analogsignals und ferroelektrischer speicher zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufzeichnen eines Analogsignals in ferroelektrischem Material sowie einen ferroelektrischen Analogspeicher mit einem Scheibchen eines Ferröelektrikums, das auf seinen beiden Hauptoberflachen Elektroden mit vorgewählten geometrischen Abmessungen trägt. ■

Im Rahmen dieser Beschreibung bezeichnet der Ausdruck "Analogspeicher" eine Vorrichtung, in die eine analoge Information konform mit den Dichten des Informationssignals per se analog einschreibbar ist. Eine solche analoge Information kann beispielsweise ein Fernsehbild mit einer Helligkeitsgradation des Bildsignals sein.

Ferroelektrika zeigen die Eigenschaft, dass ein Bereich mit einer Polarität, die derjenigen einer äusseren angelegten Spannung entspricht, wachst. Wenn während der Um-

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polung eines ferroelektrischen Bereiches die aufgeprägte äussere Spannung abgeschaltet wird, wird das Wachsen des in Feldrichtung polarisierten Bereiches unterbrochen. Die Abhängigkeit der Ladung eines Ferroelektrikums von der elektrischen Feldstärke ist also keine diskontinuierliche, sondern eine kontinuierliche Funktion.

Der Polarisationszustand eines Ferroelektrikums kann also jeden beliebigen Zwischenwert zwischen der positiven und der negativen Sättigungsladung annehmen.

Bei partieller und lokaler Betrachung befindet sich jedoch jeder Teil eines Ferroelektrikums, der die Sättigungsladung aufweist, für sich auch im Zustand der Sättigungspolarisation. Der Wert der Sättigungspolarisation ist materialabhängig. Diese Abhängigkeit ist darauf zurückzuführen, dass die spontane Polarisation ferroelektrischer Substanzen wesentlich von der Kristallstruktur des Materials abhängt, praktisch also eine Materialkonstante ist. Die Grosse der spontanen Polarisation der Einheitszelle eines ferroelektrischen Kristalls ist ein vorgegebener fester Wert. Die Polarität der spontanen Polarisation der Einheitszelle des Gitters eines Ferroelektrikums vermag ihr Vorzeichen nach Massgabe einer äusseren angelegten Spannung zu ändern, wenn diese einen. Schwellenwert überschreitet. Wenn also die äussere angelegte Spannung während des Vorganges der Polarisatxonsumkehr zu einem beliebigen Zeitpunkt abgeschaltet wird, bleibt die spontane Polarisation der Einheitszelle des Gitters doch so lange unverändert, bis auf sie eine Spannung einwirkt, deren Vorzeichen dem Vorzeichen der aktuellen spontanen Polarisation entgegengesetzt ist und deren Wert den Schwellenwert überschreitet. In dieser mikroskopischen Betrachtungsweise ist die spontane Polarisation eines Ferroelektrikums also eine Eigenschaft mit bi-

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stabiler Charakteristik. .

Die spontane Polarisation der Einheitszelle eines Ferroelektrikums ist also im vorstehend beschriebenen Sinne bistabil. Da makroskopisch im Ferroelektrikum jedoch nicht die einzelne Einheit sz'elle, sondern der Polarisationsbereich und seine Struktur zum Tragen kommen, kann im makroskopischen Mittelwert ein ferroelektrxscher Kristall beliebige Zwischwnerte zwischen dem positiven und dem negativen Sättigungswert, also zwischen der positiven und der negativen dielektrischen Aufladung, annehmen. Nach Massgabe des Vorzeichens bzw. der Richtung der angelegten Spannung wachsen bzw. verschwinden die Bereiche gleichen bzw. entgegengesetzten Vorzeichens. Diese Erscheinung wird als Umschaltung des Bereiches oder der Polarität bezeichnet. Der Vorgang, in dem der gesamte ferroelektrische Kristall unter Einwirkung und nach Massgabe der angelegten äusseren Spannung nach Art eines positiven oder negativen Bereiches gesättigt ist, wird als vollständiges Umschalten bezeichnet, während die Umschaltung, bei der nur ein Teil des Kristalls als positiver oder/negativer Bereich vorliegt _t. während der andere Teil desselben Kristalls als Bereich des entgegengesetzten Vorzeichens vorliegt, als partielles Umschalten bezeichnet wird.

Bei der Schaltung und Verwendung von Ferroelektrika als Digitalspeicher wird stets die Betriebsweise des vollständigen Umschaltens eingesetzt. Wird ein Ferroelektrikum dagegen als Analogspeicher eingesetzt, so wird von der teilweisen Umschaltung Gebrauch gemacht.

Zum besseren Verständnis des Sachverhaltes ist im folgenden nicht nur die Erfindung, sondern auch der Stand der Technik

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in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Frequenzabhängxgkext der Ladungs-

Spannungs-Kennlinien eines Ferroelektrikums;

Fig. 2a die Korrelation zwischen dem Schaltstrom und der Schaltdauer beim Umschalten eines Ferroelektrikums;

Fig. 2b die Impulsform eines zur Polarisationsumkehr auf ein Ferroelektrikum aufgeprägten Spannungsxmpulses;

Fig. 3 ein Schaltbild des Prinzips der

Erfindung;

Fig. 4a in Draufsicht einen Analogspeicher

der Erfindung;

Fig* 4b einen Schnitt nach IVb-IVb in Fig. 4a;

Fig. 5 die Schaltkennlinie eines Matrixelementes auf der Basis eines mit Lanthan modifizierten Bleizdrkonattitanats;

Fig. 6a in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines

analogen Zeichenspeichers gemäss der Erfindung;

Fig. 6b einen Querschnitt durch den in Fig. 6a

gezeigten Speicher;

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250232Γ

Fig. 7 ein Schaltungsbild des mit jeder

Elektrode der in den Figuren 6a und 6b gezeigten Ausführungsbeispiels verbundenen Schaltungsnetzes;

Fig. 8a das Schaltungsbild eines gleichwertigen Schaltnetzes eines analogen Zeilenspeichers, der aus der in den Figuren 6a und 6b gezeigten Vorrichtung und der in Fig. 7 dargestellten Schaltung aufgebaut ist;

Fig. 8b ein Schaltdiagramm eines Schaltnetzes,

das einem Element des in Fig. 9 gezeigten Analogspeichers entspricht und

Fig. 9 in perspektivischer Teildarstellung _:ä.

ein weiteres Ausführungsbeispiel des Analogspeichers.

Bei bekannten ferroelektrischen Analogspeichern wird eine Eingangsinformation in ein elektrisches Signal umgewandelt oder umgesetzt, das der Stärke oder der Dauer einer elektrischen Spannung proportional ist. Dieses elektrische Signal wird dem ferroelektrischen Kristall aufgeprägt. .

Aus den in der Fig. 1 dargestellten Kurven A, B und C ist jedoch abzulesen, dass das Koerzitivfeld V in der Ladungs-Spannungs-Kennlinie eines Ferroelektrikums frequenzabhängig ist. Die in der Fig. 1 gezeigten Kurven A, B und C geben die Kennlinien für 0,01, 1 und 100 Hz wieder. Bei der Verwendung von Ferroelektrika als Analogspeicher zum Aufzeichnen analoger Information ist diese Frequenzabhängigkeit ein praktisch unüberwindbares Problem.

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Der Erfindung liegt angesichts dieses Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für eine ferroelektrische Analogspexcherung zu schaffen, bei dem die Hystereseschleifen des Ferroelektrikums nicht frequenzabhängig sind, so dass eine vorgegebene Analoginformation fehlerfrei eingeschrieben und auagelesen werden kann.

Es sei der in der Fig. 2b dargestellte Spannungsimpuls mit konstanter Amplitude ν und der Dauer tau betrachtet,

el ^%

der eine der Polarität des ursprünglichen Polarisationszustandes des Ferroelektrikums entgegengesetzte Polarität aufweist. Wenn ein solcher Spannungsimpuls einem im Sättigungszustand vorliegenden Ferroelektrikum aufgeprägt wird, fliesst zum Umschalten der Polarisation ein Schaltstrom i (Fig. 2a). Die Zeitspanne, die vergeht, bis der Schaltstrom nach Beginn der Spannungsauf prägung wieder auf Null zurückgeht, wird als Schaltdauer und mit dem Kurzzeichen t bezeichnet. Die Schaltdauer ist um so kurzer, s

je höher die angelegte Spannung ist.

Bei konstanter Breite tau des rechteckigen Spannungsimpulses zur Umkehr der Polarisation eines Ferroelektrikums wird die

Schaltdauer t mit zunehmender Amplitude ν des Spannungss " a

impulses kurzer.

Es sei angenommen, dass die Impulsbreite tau der aufgeprägten Spannung so gesteuert ist, dass sie stets einen vorbestimmten Wert hat. Der Schwellenwert der Amplitude der aufgeprägten Spannung sei v¹ , . Diese Spannung sei die Schwellenspannung, die erforderlich ist, um das ferroelektrische Bauelement vollständig umzuschalten, und zwar während der vorgegebenen Impulsbreite tau. Wenn also ν < V.. ist, findet nur eine partielle Umschaltung

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im Ferroelektrikum statt.

Wenn dagegen die Spannungsimpulsbreite tau frei veränderlich ist, während man die Amplitude ν des aufgeprägten Spannungsimpulses konstant hält, kann in einem ferroelektrischen Bauelement eine vollständig Umschaltung bei einem Schwellenwert von tau , der Impulsbreite tau bewirkt werden. Für den Fall, dass tau < ^tau4--w i^st« wird im ferroelektrischen Bauelement lediglich eine partielle Umschaltung bewirkt. Auf diese Weise kann eine partielle Umschaltung also entweder durch Steuerung der Amplitude ν der aufgeprägten

et

Spannung oder durch die Breite tau des Spannungsimpulses bewirkt und gesteuert werden.

Der Viert, der durch Integration des Schaltstromes i , der durch ein externes Schaltnetz beim Umschalten des ferroelektrischen Bauelementes fliesst, erhalten wird, ist gleich der Spannungsdifferenz delta Q, die in der Elektrodenebene des Bauelementes auftritt. Es ist also

i -dt (1)

Die Ladungsveränderung delta Q lässt sich auch als Differenz der spontanen Polarisation darstellen:

AP =/sQ/A (2)

wobei A die Elektrodenfläche des ferroelektrischen Bauelementes ist.

Im Falle einer vollständigen Umschaltung ist die Änderung delta Q der Ladungsmenge in der Elektrodenebene des ferroelektrischen Bauelementes

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Δ Q = 2 Ρ·Α (3)

5 . ■ .

wobei P die spontane Polarisation des Ferroelektrikums,

bezogen auf die Flächeneinheit, ist.

Als Beispiel sei ein Anfangszustand eines ferroelektrischen Bauelementes betrachtet, in dem der Mittelwert des Skalars der Polarisation des gesamten Ferroelektrikums P gleich Null ist. Die Ladungsdifferenz beim vollständigen Umschalten des ferroelektrischen Bauelementes aus dem Zustand P gleich Null in den Zustand P gleich P *A ist

Δ Q = P *A
s

_Δ Q = (^s i dt (4)

Bei partiellem Umschalten kann der Grad o.der das Verhältnis des partiellen Umschaltens durch den Polarisationsänderungsgrad P-A/P *A = P/P beschrieben werden.

S S

Wie zuvor bereits festgestellt, wird zum Beschreiben eines zuvor gelöschten ferroelektrischen Speichers dieser Speicher mittels eines vorbestimmten analogen Eingangssignals, das der einzuspeichernden Information proportional ist, partiell umgeschaltet. Beim Schreiben unter Verwendung der Spannungssteuerung (direkte Ansteuerung oder Treiberansteuerung) , ist das elektrische Koerzitivfeld eine Funktion der Frequenz der aufgeprägten Spannung und der Temperatur. Daraus folgt, dass das für eine proportionale partielle Umschaltung wesentliche und charakteristische Verhältnis P/P mit einem Spannungstreiber bzw. einem nur eine Steuerspannung verwendenden Verfahren nicht einwandfrei regelbar ist.

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Aus der Gleichung (4) geht jedoch gleichzeitig hervor, dass

auch P/P eine Funktion des Stromes i ist, der im äusseren, s

an den ferroelektrischen Speicher angeschlossenen Stromkreis fliesst. Es ist nämlich

P _ O
P

tau

dt

UClU

Die zuvor bereits formulierte Aufgabe der Erfindung kann im Hinblick auf die Gleichung (5) funktionell dahingehend präzisiert werden, dass der Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, einen ferroelektrischen Analogspeicher zu schaffen, bei dem der Schaltström i in dem in Gleichung (5) gezeigten Ausdruck weder von der Frequenz der Eingangsspannung noch von der Temperatur des Bauelementes abhängt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man an ein Scheibchen eines Ferroelektrikums eine elektrische Spannung als Synchronesierungssignal anlegt, deren Amplitude mindestens, gleich der Schwellenspannung für die Polarisationsumscha1tung im ferroelektrischen Scheibchen und deren Dauer langer als die der Amplitude entsprechende Schaltdauer für die Polarisationsumschaltung sind, und dass man proportional zur Gradation des analogen Informationssignals eine SchaItladungsmenge moduliert, die in einem zum Ferroelektrikum in Reihe geschalteten externen Schaltnetz fliesst.

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Die Vorrichtung.zur Durchführung dieses Verfahrens ist ein ferroelektrischer Analogspeicher mit einem Scheibchen eines Ferroelektrikums, das auf seinen beiden Hauptoberflächen Elektroden mit vorgewählten geometrischen Abmessungen trägt, wobei dieser ferroelektrisch^ Analogspeicher gekennzeichnet ist durch ein über die Elektroden zum Ferroelektrikum in Reihe geschaltetes Ladungssteuerelement, das einen einem Eingangsspannungssignal proportionalen Ladungsfluss auslösen kann, und durch Mittel zum Aufprägen einer elektrischen Spannung auf das Ferroelektrikum während des AufZeichnens des analogen Informationssignals.

Mit anderen Worten ist die Erfindung* also durch die beiden folgenden wesentlichen Merkmale gekennzeichnett

(1) Der Speicher wird unter Aufprägung eines Synchronisierungssignals betrieben. Als Synchronisierungssignal dient eine Spannung, deren Amplitude grosser als die niedrigste Schwellenspannung v., ist, die zum Umschalten der Polarisation des jeweils spezifisch ausgelegten ferroelektrischen Analogspeicherbauelementes erforderlich ist, und dessen Impulsbreite grosser als die Umschaltdauer t der Polarisation für die jeweils auf das Speicherelement aufgeprägte Synchronisierungssignal-Spannungsamplitude ist.

(2) Zusätzlich wird die durch einen äusseren, mit dem Speicherbauelement in Reihe geschalteten Schaltkreis fliessende Schaltladungsmenge proportional zu einem vorgegebenen Analoginformationssignal gesteuert.

Die praktische Durchführung des zuvor beschriebenen Erfindungsgedankens ist im folgenden näher erläutert.

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In dem in Fig. 3 gezeigten Schaltbild ist ein Widerstand über eine Elektrode 2 in Reihe mit einem Scheibchen eines Ferroelektrikums 1, dem Analogspeicher, verbunden. Ein Spannungsimpuls mit der Amplitude ν und der Dauer tau wird über die Anschlüsse 4 und 5 aufgeprägt. Der Wert der Spannungsamplitude ν des Spannungsimpulses wird dabei grosser eingestellt als der zum Umschalten des Bauelementes

erforderliche Wert ν , der niedrigsten Schwellenspannung. Wenn der Wert des in Reihe liegenden Widerstandes Null ist, wird das Bauelement vollständig umgeschaltet. Selbst wenn jedoch der Wert des in Reihe liegenden Widerstandes gross , ist, wird zunächst beim Auftreten der Vorderflanke des Spannungs impulses (ν , tau) die volle Amplitudenspannung

ν dem Bauelement aufgeprägt. Mit Beginn des durch die

aufgeprägte Spannung ν ausgelösten Umschaltbar gariges

beginnt jedoch auch ein Schaltstrom i im äusseren Kreis zu fliessen. Durch den in Reihe liegenden Widerstand R tritt dadurch ein Spannungsabfall i"R auf. Die am Bauelement wirksam werdende Spannung beträgt also nur noch ν -r.R.

Der zeitliche Verlauf des Schaltstromes i ist in der Fig. 2a dargestellt. Die Fläche unter der in Fig. 2a gezeigten Funktion ist das Integral des Schaltstromes. Dieses Integral entspricht der gesamten Ladungsmenge, die durch den äusseren Kreis des zwischen den Klemmen liegenden Bauelementes geflossen ist. Dieses Integral liefert also gleichzeitig den Betrag der Polarisationsumschaltung,

Es sei jetzt die Wellenform des zeitlichen Verlaufes des Umschaltstromes durch eine Rechteckwelle ersetzt, die bei gleicher Breite, also bei gleicher UmschaItdauer, das gleiche Integral liefert, so dass also die Flächen unter beiden Wellenformen gleich sind. Der Mittelwert

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des Stromes der Rechteckwelle während dieser Zeitspanne sei als i bezeichnet. Ferner sei die Breite tau des aufzuprägenden Spannungsimpulses gleich der Schaltdauer t des Bauelementes. Der zum vollständigen Umschalten des Bauelementes erforderliche kritische Schwellenstrom

i,, ist dann
tn

<⁶>

Andererseits ist aber der Schaltstrom i bei konstanter Spannung eine Funktion der Grosse des in Reihe liegenden Widerstandes. Der Wert des Reihenwiderstandes, für den die Gleichung (6) gilt, nämlich der kritische Schwellenwiderstand R., der vollständigen Umschaltung, ist

tau

wobei ν , für tau gleich Unendlich die niedrigste Gleichspannung ist, die zur Umschaltung der Polarisation des Bauelementes erforderlich ist.

Wenn dementsprechend für den Reihenwiderstand R R > R_th (8)

gilt, erfolgt im Bauelement nur eine partielle Umschaltung der Polarisation.

Für die Beziehung zwischen der Grosse des Rexhenwiderstandes R und den Grad bzw. das Verhältnis der partiellen PoIarisationsumschaltung des Bauelementes gilt folgendes:

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Es sei angenommen, dass R > R,, und t ^ tau ist. Mit

P-A

ist der Mittelwert P der Polarisation des gesamten Bauelementes

Mit Gleichung (6.) ist

Pi
s th

Aus einer Kombination der Gleichungen (9) und (10) erhält man weiterhin

P _ tau

P t (12)

ss

Der durch den Widerstand R verursachte Spannungsabfall ist

iR=v-v (13)

el S

wobei ν der beim Umschalten der Polarisation des Bau— s

elementes auftretende Spannungsabfall ist. Es ist also

ν - ν
i = -~ (14)

Waan die Breite tau des auf das Bauelement aufgeprägten Spannungsimpulses gleich der Umschaltdauer t des PoIa-

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risationsbereiches des Bauelementes ist, gilt

_ P ·Α
^xth ⁼ tau

Führt man diesen Ausdruck in Gleichung (7) ein, so folgt

R«, = ^Va " ^Vth = ^va - ^vth

^Xth

tau

	damit	H-I	V — a	- vth	Rth
		H-I 4		Rth	R
und
		va	- V S
		a	- vth

(15)

(16)

Aus Gleichung (11) erhält man entsprechend

v-v P

R = R.. — - . _s ( τ 7)

^{th V}a - ^Vth P

Zum partiellen Umschalten der Bereiche des Bauelementes entsprechend einem gewünschten vorgegebenen Verhältnis p/P kann der Widerstand R unter Zugrundelegung von Gleichung (17) bestimmt und eingestellt werden. Da in der Praxis ν sehr gross gegenüber ν und ν , ist, gilt in ausreichend guter Näherung (v -v)/(v - ^v4--u) ⁼ 1

a s a *cn

Gleichung (17) wird damit zu

R = R., -^ (1B)

th -

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Unter Berücksichtigung von Gleichung (16) folgt daraus schliesslich

P
P

Wenn also der Umschaltstrom i .durch eine Veränderung des zum Speicherelement in Reihe liegenden Widerstandes
verändert wird, kann die Ladungsmenge P für eine teilweise Umschaltung des Elementes durch den Strom i gesteuert
werden. .

Die vorstehende Beschreibung erläutert das Prinzip des Ladungssteuerungssystems zur Durchführung einer partiellen Umschaltung, wie sie für einen einwandfrei arbeitenden Analogspeicher in Form und auf Basis eines ferroelektrischen Bauelementes erforderlich ist. Die Umschaltladung kann also proportional zu einem Eingangssignal gesteuert werden, solange für eine bestimmte vorgegebene Zeitspanne auf das Speicherbauelement eine Spannung aufgeprägt wird, die ausreichend grosser als die für eine vollständige
Umschaltung erforderliche Spannung ist.

Trotz der Bestimmung der Ladungssteuerung kann-in der
Praxis der Wert des in Reihe zum Speicherelement geschalteten Widerstandes proportional zum Spannungswert eines Eingangs-Analogssignals verändert werden. Dieser Widerstand kann beispielsweise ein von Hand stellbarer veränderlicher Widerstand oder auch ein Transistor für eine elektrische Ansteuerung sein.

Alternativ kann der Spannungswert des Eingangs-Analogsignals jedoch auch in einen bestimmten Zeitwert, also in eine Zeitspanne einer bestimmten Breite, umgesetzt

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werden. Der Stromkreis wird dann für eine Dauer geschlossen, die der Grosse des Eingangssignals proportional ist. Dadurch wird ebenfalls bewirkt, dass in den Speicher eine Ladung fliesst, die der Grosse des Eingangssignals proportional ist. Auch diese Steuerung kann durch manuell bedienbare mechanische Schalter oder durch einen elektrisch ansteuerbaren Transistor bewirkt werden.

Beispiel 1

PbO₁ La_?0_, TiOp und ZrO~ werden als Pulver nach Massgabe der Sollzusammensetzung Pb_ _noLa„ _nQ(Zr. cc^i-n, oc)n no^o (im folgenden PLZT-8/65/35) eingewogen und homogen miteinander vermischt. Nach dem Brennen wird das erhaltene Reaktionsgemisch erneut in der Kugelmühle homogenisiert. Das nass vermahlene Pulver wird getrocknet und noch einmal gut vermischt. Aus diesem pulverförmigen Ausgangsmaterial wird eine durchsichtige PLZT-8/65/35-Keramik in der Ttfeise hergestellt, dass man das Ausgangsmaterial 20 Stunden lang bei 1200 C unter einem Druck von 141 kp/cm heisspresst.

Nach dem Heisspressen wird eine etwas grössere Scheibe mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 10 mm erhalten. Diese wird in kleinere Scheiben mit einer Dicke von 0,5 mm geschnitten. Nach dem optischen Polieren der geschnittenen Oberflächen haben die fertigen durchsichtigen Keramikscheibchen eine Dicke von 0,2 mm. In diesen Keramikscheibchen sind bei Raumtemperatur die antiferroelektrische Phase und die ferroelektrische Phase koexistent. Diese Scheiben weisen weiterhin die Eigenschaft auf, dass beim Anlegen einer äusseren Spannung die ferroelektrische Phase induziert wird, was dazu führt, dass das Keramikscheibchen seine Durchsichtigkeit verliert und sichtbares Licht stark streut. Die optische Streu-

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intensität ist durch das Volumenverhältnis der antiferroelektrischen Phase zur ferroelektrxschen Phase im Keramikscheibchen bestimmt. Da die Polarisation P in der antiferroelektrisehen Phase Null ist, ist die durch das Aufprägen des äusseren elektrischen Feldes verursachte Änderung des Grades der Polarisation proportional der Fläche der in dem Keramikscheibchen induzierten ferroelektrxschen Phase. .

Auf die beiden Hauptoberflächen des durchsichtigen Keramikscheibchens mit den vorgenannten Abmessungen wird anschlxessend durch Kathodenzerstäubung eine feste Lösung aus In₂O₃ und SnO₂ aufgebracht. Die In₃O -SnO₂-Schicht auf der Vorderseite des Scheibchens wird dann durch Photo— ätzen selektiv in der Weise entfernt, dass die in den Figuren 4a und 4b gezeigten durchsichtigen Elektroden 2 , 2y, ..... 2g gebildet werden, von denen jede eine Fläche von 2 mm · 2 mm hat. Diese 16 Elektroden sind in Form einer quadratischen 4 χ 4-Ma.trix angeordnet.

Die so erhaltene durchsichtige Keramikscheibe 1 (Figuren 4a und 4b), die an ihrer Unterseite die In₂O₃-SnO₂-

Elektrode 9 aufweist, wird mit dieser Elektrodenfläche auf eine Glasplatte 6 als Träger aufgebracht (Figuren 4a und 4b). Die einzelnen Elektroden 2 sind über Zuleitungen 7-, 7₂, ...., 7g und in Reihe geschaltete Widerstände

3₁, 3j, ......3g an eine Hauptspexselextung 8 angeschlossen.

Die Widerstände 3 weisen einen von Widerstand zu Widerstand um 2 kOhm höheren Widerstand auf, und zwar in der Weise, dass die Widerstände 3^, 3₂, , 3^_& Widerstände von 20 kOhm, 22 kOhm, .... bzw. 50 kOhm haben.

Zwischen der Hauptleitung 8 und der Elektrode 9 auf der

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Rückseite des Sch eibchens wird für die Dauer von 1 ms eine Gleichspannung von 200 V angelegt. In den unter den durchsichtigen Elektroden 2 liegenden Bereichen des durchsichtigen Keramikscheibchens 1 werden dadurch ferro-.elektrische Phasen in einem Äusmass erzeugt, das den jeweiligen Widerständen 3 , 3₂, ...» 3 , umgekehrt proportional ist. Entsprechend der Ausbildung der ferroelektrischen Phase wird unter den Elektroden eine optische Streuung beobachtet. Die Intensität des gestreuten Lichtes ist in jenem Bereich am stärksten, an den der 20 kOhm-Widerstand angeschlossen ist. Die Intensität des gestreuten Lichtes ist in jenem Bereich am kleinsten, der mit dem 50 kOhm-Widerstand verbunden ist. Auf diese Weise wird die Menge des durch die in der zuvor beschriebenen Weise aufgebauten Keramik durchgelassenen Lichtes in 16 Stufen (4 bit) unterteilt, und zwar umgekehrt proportional zur Grosse der jeweils in Reihe mit der Keramikscheibe geschalteten Widerstände. Mit der beschriebenen Vorrichtung können also mit anderen Worten 16 Abstufungen verarbeitet werden.

In der zuvor beschriebenen Weise kann also unter Verwendung von 16 Widerständen, die in Reihe mit der vorgefertigten Keramikplatte verbunden sind, ein analoges Informationssignal mit Dichtegradationen, hier 16 Abstufungen, analog in Übereinstimmung mit den Werten der Widerstände aufgezeichnet werden. Die ferroelektrische Phase kann partiell innerhalb der antiferroelektrischen Phase geschaltet werden,, und das aufzuzeichnende analoge Informationssignal kann ebenfalls analog abgerufen werden. Das abrufbare schattierte Muster ist auch nach dem Abschalten des

Spannungsimpulses stabil im Speicher festgehalten. Die beschriebene Struktur erfüllt also alle Funktionen, die für einen Analogspeicher erforderlich sind. Der vorstehend

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beschriebene Speicher kann in der Weise gelöscht werden, dass auf die Hauptleitung 8 einfach eine Spannung aufgeprägt wird, deren Polarität der Polarität der Schreibspannung entgegengesetzt ist.

Zur Aufzeichnung einer Bildinformation wird ein Analogspeicher grosser Kapazität erforderlich. Zur Erfüllung dieser Aufgabe wird ein ferroelektrischer Speicher mit einer Matrixschaltung gerecht.

Beim analogen Schreiben einer Bildinformation in einen ferroelektrischen 14atrixspeicher wird das Verfahren der Spannungskoinzidenz verwendet, nach dem eine Zeilen— spannung + V/2 auf der Vorderseite des ferroelektrischen Scheibchens und eine Spaltenspannung -V/2 auf der Rückseite des Ferroelektrikums aufgeprägt werden. Die gesamte Spannung liegt dann an dem Matrixelement, das an der Stelle des entsprechenden angesteuerten Bildsignals liegt. Dementsprechend ist die SchreibxmpuIsspannung für die Information halb so gross wie die vorgegebene Spannung Und weist eine konstante Amplitude ν auf.

a "

Die in herkömmlichen ferroelektrischen Matrixbauelementen verwendeten Ferroelektrika, wie beispielsweise BaTiO^ und TGS (Triglyzinsulfat) sind für die beabsichtigten-Speichereffekte aufgrund der nur massigen Nichtlinearität ihrer · SchaItCharakteristiken wenig geeignet. Betrachtet man beispielsweise die Feldabhängigkeit der Schaltdauer,so

gilt t = a«E , wobei a eine Konstante und E die elektrische s

Feldstärke sind, η ist der Index der Nichtlinearität. Für BaTiO₃ ist η = 2 und für TGS ist η = 1,5. Aus diesem Grund ist es bisher nicht möglich gewesen, ferroelektrische Matrixbauelemente grosser Kapazität herzustellen, die praktische Bedeutung erlangt hätten. Im Gegensatz dazu

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weist PLZT einen Index der Nichtlinearität von etwa 10 auf, so dass mit diesem Ferroelektrikum Matrixbauelemente hoher Kapazität herstellbar sind. Die Schaltkennlinie eines mit Lanthan modifizierten Blexzxrkonattitanats (PLZT) ist in der Fig. 5 durch die Kurve D dargestellt. Auf der Ordinate des Diagramms ist die Schaltdauer t aufgetragen, während auf der Abszisse die Stärke des dem Matrixbaueleraent aufgeprägten äusseren elektrischen Feldes V aufgetragen ist. Die Schaltdauer ist der zehnten Potenz der Feldstärke V umgekehrt proportional, entsprechend der empirischen Gleichung

f = V¹⁰ (,9)

wobei t in MikroSekunden und V in Volt pro Mikrometer s

ausgedrückt sind.

Da die Halbspannungs-Impulsfestigkeit 2 = 1024 beträgt, können nach dem. System der zeilenweisen und zeilensimultanen Verarbeitung Kapazitäten bis zu 1000 * 1000 bits eingeschrieben werden.

Wenn die Bildinformation bitweise in ein ferroelektrisches Matrixbauelement eingeschrieben wird, das M Zeilen und N Spalten hat, beträgt die zum Einschreiben eines bits erforderliche Schreibdauer t(B)

t(B) = (M χ N χ f)"¹ (20)

wobei f die Anzahl der Matrixschreibzeiten je Zeiteinheit bedeutet. Die Grosse f gibt also die Anzahl der Rahmen oder Felder bzw. der Bildpunkte an, die beispielsweise je Sekunde beschrieben werden. Der aus den Gleichungen (6) und (20) zum Schreiben eines bits erforderliche Strom

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i,, ist also
tn

i., = P -A (M χ N χ f) (21)

tn s

Da dieser zum Schreiben von einem bit erforderliche Strom direkt proportional zu N wächst, ist zum Schreiben einer Matrix mit grosser Kapazität ein relativ grosser Strom erforderlich. Gleichzeitig tritt an den Elektroden nicht nur ein stärkerer Spannungsabfall auf, sondern wird auch das Problem der Zuleitungen erheblich schwieriger. Zur Vermeidung dieser Nachteile wird das an sich bekannte Schreibverfahren verwendet, nach dem einerseits zeilenweise, andererseits jedoch jede Zeile simultan geschrieben werden. Bei diesem Zeilenschreiben wird die Information Zeile für Zeile eingeschrieben, wobei der Schreibstrom T₀₁ je bit "

= Pg-A (M x f) (22)

ist. Dieser Wert kann gegenüber dem für das bitweise Schreiben erforderlichen Strom um den Faktor 1/N erniedrigt werden. Andererseits kann die je bit erforderliche Schreibdauer um den Faktor N verlängert werden.

Aus den genannten Gründen ist also das zeilenweise Schreiben für die Aufzeichnung von Analoginformation in ein ferroelektrisches Matrixbauelement das bevorzugte Verfahren. Hierbei müssen die einer Zeile der Matrix entsprechenden Eingangssignale einmal zwischengespeichert werden, wozu ein Zeilenspeicher dient. Anschliessend wird diese im Zeilenspeicher gespeicherte Information simultan in eine bestimmte Zeile der Matrix geschrieben. Auch dieser Zeilenspeicher kann aus ferroelektrisehern Material aufgebaut werden und zur Aufzeichnung der Analoginformation nach

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dem Stromsteuerverfahren betrieben werden. Dieses Verfahren ist im folgenden Beispiel beschrieben.

Beispiel 2 ■

Ein in der c-Fläche geschnittener Bariumtitanatkristall wird genau justiert in der c-Fläche plangeschliffen. Das erhaltene Bariumtitanatplättchen ist 100 ,um dick und mindestens 10 mm lang. Dieses c-Plättchen wird dann in 150 C heisser Phosphorsäure auf die Sollstärke von 20 ,um abgeätzt. Das Plättchen weist zwei zueinander genau parallele plane Hauptflächen auf.

Eine rahmenförmige Elektrode, deren Seiten parallel zu den Richtungen <100> liegen, ist auf der rückwärtigen Hauptoberfläche des BaTiO₃~Plättchens aufgebracht. Die Breite der Elektrodenleisten beträgt 100 /um. Diese Rahmenelektrode wird als Goldaufdampfschicht, auf einer Grundschicht aus Chrom hergestellt (im folgenden Cr-Au-Aufdampfschicht). Auf der vorderen c-Fläche des Plättchens werden in der in Fig. 6a gezeigten Weise streifenförmige Cr-Au-Auf dampf elektroden 2 , 2₂,..., 2_{2 4} hergestellt. Jede dieser Auf dampf elektroden hat eine Breite von 100 /um. Diese Elektroden sind entlang den Seiten der auf der gegenüberliegenden Seite des Plättchens angebrachten Rahmenelektrode in der Weise angeordnet, dass über jeder Seite der Rahmenelektrode 66 dieser Elektroden aufgebracht sind. * ■■■"'-■-■·-.

In der Fig. 7 ist der mit jeder dieser Elektroden, hier mit der i-ten Dünnschicht-Streifenelektrode 2i, verbundene elektrische Schaltkreis dargestellt. Ein hoch spannungsfester Transistor 10. mit einem Widerstand 3' auf der negativen Anschlusseite und ein hoch spannungsfester Transistor

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11. sowie eine Diode 12. sind mit jeder der streifenförmigen Cr-Au-Aufdampfelektroden verbunden. Die Rahmenelektrode auf der rückwärtigen c-Oberflache ist über einen Widerstand geerdet und mit einem stromfesten Spannungstransistor verbunden. Die Transistoren 11. und 13. sind mit einer 24 V-Spannungsquelle 14_i verbunden. In der in Fig. 7 gezeigten Schaltung sind der Transistor 11. und die Diode 12. in einen Schreibkreis geschaltet, während das Lesesignal am Widerstand 3'. auftritt.

Da die Elemente des Treibers unter Einschluss der Stromsteuerungselemente 11. in allen bits gleich sind, ist in der Fig. 7 beispielhaft lediglich die Auslegung des Schaltkreises für ein bit dargestellt. Die zu verarbeitenden Videosignale treten an den Anschlüssen der Transistoren 11. auf. In ZeitIntervallen von 240 ns werden sie durch fortschreitendes Abtasten auf die Basis der Transistoren der Stromsteuerelemente 11-, 11 ~ , ...., t1_oc„ gegeben, die mit den Streifenelektroden auf der vorderen c-Oberf lache verbunden sind.

Das Stromsteuerungselement ist sozusagen ein analoges Stromverknüpfungsglied, das für eine bestimmte Zeitdauer aktiviert ist. Auf diese Weise werden die Bildsignale der Reihe nach und vorlagegetreu im Speicher 1 eingeschrieben. Nach dem Einschreiben der einer Tastzeile entsprechenden Information werden die stromfesten Transistoren 13. und die spannungsfesten Transistoren 10. * während der Rücklaufzeit geöffnet, während der die Eingangsglieder gesperrt bleiben. Die im Speicher stehenden Bildsignale treten an den zugeordneten Widerständen als Ausgangsspannungen auf. Sie treten also an den 264 Widerständen 3', 3¹^. ··./ 3" _2g. gleichzeitig auf* Während dieser Zeit werden die den entsprechenden Spalten der

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Speichermatrix zugeordneten Verknüpfungsglieder durch die Spannungen geöffnet, so dass die Videosignale in die entsprechenden Spalten der Matrix eingeschrieben werden. Zu diesem Zeitpunkt ist der Zeilenspeicher zur Speicherung der einer Tastzeile entsprechenden Information des Bildsignals wieder gelöscht, so dass die Eingabe der der nächsten Tastzeile entsprechenden Bildsignale erfolgen kann. Bei Verwendung des Zeilenspeichers dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung können die Bildsignale jeder zweiten Tastzeile gespeichert werden. Es werden also nur die Hälfte der den üblichen 525 Tastzeilen entsprechenden Videosignale aufgezeichnet. Wenn die gesamte Information aufgezeichnet werden soll, können selbstverständlich zwei Zeilenspeicher der genannten Art eingesetzt und alternierend mit einer bistabilen Kippschaltung angesteuert werden.

Das vorstehende Beispiel zeigt den weiten und vorteilhaften Einsatzbereich der mit den Stromsteuerungseleraenten gekoppelten Zeilenspeicher unter Verwendung von Ferroelektrika als Speichermedium. Ein dem Zeilenspeicher äquivalentes Schaltbild ist in der Fig. 8a gezeigt. Der Speicher ist mit Elektroden 2 versehen. Das Bauelement enthält weiterhin Verknüpfungsglieder 15,16 und 17 sowie das Stromsteuerelement 11.

Wenn statt des parallel zur c-Fläche geschnittenen Bariumtitanatkristallplättchens ein PLZT-Plättchen verwendet wird, spielt die für das Bariumtitanat-Einkristallplättchen wichtige Frage der kristallographxschen Orientierung selbstverständlich keine Rolle mehr, da das PLZT-Material als Keramik vorliegt.

Beispiel 3

In der im Beispiel 1 beschriebenen Weise wird eine grössere

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Scheibe einer durchsichtigen Keramik der Zusammensetzung

^Pb0,92^Ia0,078^{Zr0,7^Ti0_l3⁾0_/83⁰3 ^{(im fo}lgenden PLZT-7,8/70/30) durch Heisspressen hergestellt. Die Hauptoberflächen des ausgeschnittenen Scheibchens werden optisch poliert, so dass das Scheibchen schliesslich eine Abmessung von 20 mm χ 20 mm χ 0,2 mm hat.

Sowohl auf der vorderen als auch auf der rückwärtigen, Hauptoberfläche des durchsichtigen Keramxkscheibchens wird ein In~0 -SnO^-Überzug aufgebracht und durch Photoätzen zu 35 streifenförmigen Elektroden ausgebildet. Die Elektroden sind in einer Folge von 0,5 mm angeordnet, wobei jede der Elektroden eine Breite von 0,4 mm hat. Die Elektroden der Vorderseite und der Rückseite sind nach Art von Zeilenelektroden und Spaltenelektroden senkrecht zueinander an- geordnet. ·

Jede der Elektroden ist in der in Fig. 9 gezeigten Weise mit Anschlüssen 7 versehen. Sie sind über eine Glimmerschicht auf ein Glassubstrat 6 aufgebracht, das mit einer durchsichtigen Heizelektrode 18 beschichtet ist.

Jede der horizontalen Zeilenelektroden ist in Reihenschaltung mit einem Widerstand 3 und einem Verknüpfungsglied 15 versehen und geerdet. Jede der Elektroden ist über das Verknüpfungsglied 17 mit einer Spannungsquelle von +50 V sowie über eine Spannungsquelle von -180 V über einen Widerstand 3^J verbunden. Jede der Spaltenelektroden (vertikalen Zeilenelektroden)·ist in Reihenschaltung mit einem Stromsteuerelement 16 verbunden.

Die als als analoge Eingangssignale auftretenden Videosignale werden über das Stromsteuereleinent 16 aufgegeben und zeilenweise sowie zeilensimultan eingeschrieben.

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Die im zuvor beschriebenen Beispiel verwendete PLZT-7,8/70/30-Keramik ist antiferroelektrisch und weist bei Raumtemperatur keinen Speichereffekt auf.

Wenn in dem in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiel die Verknüpfungsglieder 15 und 17 einer vorgewählten und anzusteuernden Zeilenelektrode geöffnet sind, wird das Potential der Zeilenelektrode 180 V und werden die Ströme nach Massgabe der Eingangssignale durch die Stromsteuerungselemente gesteuert. Diese Ströme fliessen in der jeweils erforderlichen Menge in sämtliche Elemente einer angesteuerten Zeile. In den entsprechenden Elementen werden den Stromwerten in ihrer Grosse proportionale ferroelektrische Zustände in den angesteuerten Elementen induziert, so dass einfallendes Licht gestreut wird. Die den Eingangssignalen entsprechenden Ströme fliessen in jede Zeile der Elemente gleichzeitig und schreiben so gleichzeitig die Information einer Zeile. Anschliessend wird auf das Schreiben der nächsten Zeile umgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt sind die Verknupfungsglxeder 15 geschlossen und wird das Potential der eingeschriebenen Zeile auf 120 V gehalten. Auf diese Weise wird das den Eingangssignale konforme Matrixmuster allmählich in die Elemente der entsprechenden Zeilen geschrieben. Entsprechend dem eingeschriebenen Matrixmuster kann eine optische Streuung erhalten werden.

Die in ,die jeweilige Zeile geschriebene Information, die in Form ferroelektrischer Zustände vorliegt, kann in den Elementen in Gegenwart einer Vorspannung von 120 V stabil gehalten werden.

Die Zeit bis zum Verlöschen eines Bildes wird gleich derjenigen Zeit eingestellt, die zum Aufbau'des Bildes erfor-

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derlieh ist. Vor dem Einschreiben des nächsten Bildes werden die Verknüpfungsglieder 17 der Zeilen geschlossen und wird das Potential der Zeilenelektroden auf +50 V für eine horizontale Tastzeit 1H gehalten. Gleichzeitig damit werden die Verknüpfungsglieder 16 aller Spaltenelektroden geschlossen und wird eine Spannung entgegengesetzter Polarität an alle Zeilenelemente angelegt. Dabei wird die vom vorhergehenden Bild eingeschriebene Zeileninformation rasch gelöscht. Da die Videosignale zu dieser Zeit in den Zeilenspeicher geschrieben werden, wiederholen die Zeilen der Matrix das Löschen, Schreiben und Löschen, Schreiben zu jeder Zeilentastzeit. Die Videosignale werden also in jeder zweiten Zeile dargestellt. Wenn eine neue Bi]dinforraation in ein-und dieselbe Zeile des Elementes geschrieben werden soll, ist das vorausgehende Bild der Zeile bereits vollständig gelöscht.

Ein dem vorstehend beschriebenen Treiber gleichwertiges Schaltnetz für-jeweils ein bit ist in der Fig. 8b gezeigt.

Da die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Speichermatrix eine nur geringe Kapazität von 10. χ 10 bit hat, kann sie kein vollständiges heute übliches Fernsehbild wiedergeben. Durch eine Kombination mit dem in Beispiel 2 beschriebenen Zeilenspeicher vermag sie jedoch einen Ausschnitt des vollständigen Fernsehbildes scharf und kontrastreich wiederzugeben, der bei einer Unterteilung des gesamten Bildes in 8 χ 8 Teilfelder erhalten wird. Der Bildrahmenfaktor f hat dabei einen Wert von 10.

Der in diesem Beispiel eingesetzte Stromsteuertransistor wird als Stromsättigungselement betrieben. Auf die Basis des Transistors wird eine so grosse Spannung gegeben, dass der Transistor im Sättigungsbereich arbeitet und nur einen konstanten Strom durchlässt. Die Dauer der

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Aufprägung wird durch Ausgangsspannungen gesteuert, die durch Analog-Digital-Umsetzung der Videosignale in 16 Impulsbreiten erhalten werden.

Die vorstehend beschriebenen Versuchsbeispxele zeigen, dass Fernsehempfänger mit einem Bildschirm aus ferroeleTctrischem Material in der aufgezeigten Weise realisierbar sind. Der Betrieb eines Analogspeichers nach dem Stromsteuerverfahren der Erfindung ist von weitreichender technischer Bedeutung.

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   / 1J Verfahren zum Aufzeichnen eines Analogsignals in ferroelektrisch em Material, dadurch gekennzeichnet, dass man an ein Scheibchen eines Ferroelektrikums eine elektrische Spannung als Synchronisierungssignal anlegt, deren Amplitude mindestens gleich der Schwellenspannung für die Polarisationsumschaltung im ferroelektrischen Scheibehen und deren Dauer langer als die der Amplitude entsprechende Schaltdauer für die Polarisationsumschaltung sind, und dass man proportional zur Gradation des analogen Informationssignals eine SchaItladungsmenge moduliert, die in einem zum Ferroelektrikum in Reihe geschalteten externen Schaltnetz fliesst.
2. 2. Ferroelektrischer Analogspeicher mit einem Scheibchen eines Ferroelektrikums, das auf seinen beiden·Hauptoberflächen Elektroden mit vorgewählten geometrischen Abmessungen trägt, gekennzeichnet durch ein über die Elektroden zum Ferroelektrikum in Reihe geschaltetes Ladungssteuerelement, das einen einem Eingangsspannungssignal proportionalen Ladungsfluss auslösen kann, und durch Mittel zum Aufprägen einer elektrischen Spannung auf das Ferroelektrikum während des Aufzeichnens des analogen Informationssignals.

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