DE3134436C2 - Statischer Halbleiterspeicher mit einer Hilfsspannungsquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen statischen Halbleiterspeicher mit einer Hilfsspannungsquelle gemäß Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Aus der DE-AS 24 15 029 ist bereits ein gegen Spannungsaus­ fall gesichertes Speichersystem mit einer Schaltung zur Isolierung einer bistabilen Kippstufe bekannt, bei der die in der Kippstufe enthaltene Information bei einem Ausfall der Versorgungsspannung erhalten werden soll, ohne daß die Kippstufe Magnetkerne zur Informationspeicherung besitzt. Wenn bei der bekannten Schaltung die Versorgungsspannung der Speicherelemente unter einen vorgegebenen Wert abfällt, dann übernimmt eine Batterie die Stromversorgung der Speicherelemente. Ein weiterer Schutz der Speicherelemente ist jedoch nicht vorgesehen.

Aus der DE-OS 14 63 592 ist eine elektronische Überwachungs­ vorrichtung insbesondere für elektronische Rechenanlagen bekannt, mit welcher das Zerstören von Information im Speicher beim Ausfall der Versorgungsspannung verhindert werden soll. Hierzu dient eine Triggerschwellwertschaltung, welche die Hauptversorgungsspannung überwacht und eine Hilfsspannung anlegt, wenn die Hauptversorgungsspannung unter einen vorgegebenen Wert absinkt. Weitergehende Maß­ nahmen werden auch hier nicht getroffen.

Es ist zwar bereits bekannt, in Rechenanlagen Magnetkern­ speicher zu verwenden, bei denen eine große Anzahl von Magnetringen als Speicherelemente zum Einsatz kommt. Die in dem Ring gespeicherten Datenzustände hängen von der Magnetisierungsrichtung des Ringes ab. Ein Hauptvor­ teil dieser Speicher liegt darin, daß die gespeicherte Information nicht verlorengeht, wenn die Spannungsversor­ gung abgeschaltet wird. Die Ringe bleiben in den vorge­ wählten Zuständen selbst dann magnetisiert, wenn dem Speicher keine Spannung zugeführt wird. Ein Magnetkern­ speicher läßt sich unmittelbar nach Anlegen der elektri­ schen Spannung wieder reaktivieren und anschalten. Es brauchen keine Programme oder Daten wieder in den Speicher eingeladen zu werden, wenn die Spannungsversorgung abge­ schaltet wurde.

Bei großen Rechenanlagen werden die Programme und Daten häufig auf Plattenspeichern gespeichert, so daß die Anlage selbst nach einem Spannungsausfall von dem Plattenspeicher aus gestartet werden kann. Bei kleineren Rechenanlagen werden die Programme und Daten jedoch häufig von Hand eingegeben und nicht auf leicht zugreifbare Weise gespeichert. Ein Spannungsausfall löscht daher die im Speicher gespei­ cherte Information und stellt somit einen schwerwiegenden Fehler der Anlage dar, der sich nicht einfach durch Wiederanlegen der Versorgungsspannung beheben läßt.

Kürzlich haben Halbleiterspeicher mit wahlfreiem Zugriff immer weitere Verwendung gefunden, die deutliche Vorteile gegenüber den älteren Kernspeichern aufweisen. Insbesonde­ re sind die neuen Speicher schneller, haben einen geringe­ ren Leistungsbedarf und nehmen weniger Platz ein. Ein wesentlicher Nachteil der Halbleiterspeicher liegt jedoch darin, daß die Speicherelemente die in ihnen gespeicherte Informa­ tion verlieren, wenn die Spannungsversorgung von der Speicherschaltung getrennt wird. Bei einem derartigen Speicher gehen die gespeicherten Programme und Daten verloren, wenn die Spannungsversorgung unterbrochen ist. Obgleich die Spannungsunterbrechung nicht zu einer Beschädigung der Schaltung führt, bedeutet der Verlust an gespeicherter Information jedoch die Notwendigkeit des Neueinladens von Programmen und Daten, ehe der Betrieb fortgesetzt werden kann. Das erneute Eingeben von Programmen ist ein zeitraubender Prozeß, welcher den Wirkungsgrad eines Rechners wesentlich herabsetzt. Bei bestimmten Anlagen ist daher dafür Sorge getragen, daß der Speicherinhalt auf eine Platte übertragen wird, wenn ein Fehler angezeigt wird. Bei zahlreichen Rechen­ anlagen tritt ein Spannungsversorgungsfehler jedoch so schnell auf, daß nicht alle Speicherinhalte auf die Platte übertragbar sind. Dies gilt insbesondere für Prozeß­ steuerungen.

In Verbindung mit statischen Halbleiterspeichern ist es bereits bekannt, die Hilfsspannung der Speicher­ schaltung automatisch anzulegen, wenn ein Versagen der Hauptspannung erkannt wird. Wenn die Speicherschaltung die Hilfsspannung aufnimmt, dann können die Bit-Leitungen, die Daten in und aus den Speicherzellen übertragen, auf einen Niederspannungswert übergehen. In diesem niede­ ren Zustand ist es sehr gut möglich, daß sich die einzel­ nen Speicherzellen aufgrund von unterschwelliger Leitung entladen, wenn der Speicher über längere Zeiträume in Hilfsbetrieb steht. Wenn die Hauptspannung schließlich wiederhergestellt ist, so besteht eine wesentliche kapazi­ tive Kopplung des Speichersubstrats aufgrund der Kapazität zwischen den Bit-Leitungen, anderen internen Knoten und dem Substrat. Es ist wahrscheinlich, daß eine an das Substrat angelegte wesentliche Durchgangsspannung die Daten in den Speicherzellen beeinflußt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Halbleiterspeicher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dahingehend weiterzubilden, daß das in den Speicher­ zellen gespeicherte Bitmuster geschützt wird, wenn der Speicher selbst an eine Hilfsquelle angeschlossen ist, nachdem die Hauptversorgungsspannung versagt hat.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein statischer Halbleiterspeicher der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist im Unteranspruch genannt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung und ihrer Vorteile wird im folgenden eine Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gegeben, in denen

Fig. 1 ein Schemaschaltbild einer Hilfsschaltung zeigt, und

Fig. 2 ein Schemaschaltbild eines Hilfspumpgenerators darstellt, der mit einer Spannungsquellenauswahl­ schaltung versehen ist,

Fig. 3 stellt ein Schemaschaltbild einer statischen Speicherzelle dar, die in Verbindung mit der Erfindung verwendet wird.

Die meisten Rechenanlagen haben Spannungsquellen, die nicht nur eine Transformation und Gleichrichtung des Netzwechselstroms liefern, sondern die auch eine Schaltung zum Messen des Netzstromes für die Fehlererkennung auf­ weisen. Die Filter innerhalb derartiger Netzgeräte haben eine ausreichende Speicherkapazität, so daß ein Leitungs­ fehler erkannt und ein Warnbefehl an den Rechner gegeben werden kann, wobei für den Rechner hinreichend viel Zeit verbleibt, um Maßnahmen zur Verhinderung eines Datenverlusts sowie zur Verhinderung der Beschädigung vo peripheren Einheiten, beispielsweise des Platten-Treibers treffen zu können. Nachdem ein Wechselspannungs-Leitungs­ signal unterbrochen ist, kann das Netzgerät Spannung über einen Zeitraum von wenigen Millisekunden liefern. Nach dem Empfang eines Warnsignals, welches einen Strom­ leitungsfehler anzeigt, kann der Rechner auf eine Hilfs­ spannungsquelle umschalten, wodurch die im Speicher gespeicherten Daten gerettet werden.

Eine Hilfsspannungsquelle ist an eine multiplexierte Klemme für jede Speicherschaltung derart angeschlossen, daß die Speicheranordnung innerhalb der Schaltung weiter mit Spannung versorgt werden kann, um die darin gespeicherten Daten beizubehalten, bis die volle Versorgungsspannung wiederhergestellt ist. Die Schaltung liefert einen Übergang für die Versorgung der Speicheranordnung von der normalen Spannungsklemme zu einer ausgewählten Klemme beim Verlust der Hauptspannung. Die ausgewählte Klemme wird normaler­ weise dazu benutzt, um ein Steuersignal für die Speicher­ schaltung aufzunehmen. Die Schaltung sperrt ferner während des Hilfsbetriebs das Auslesen oder Einschreiben in die Speicheranordnung. Schließlich liefert die Schaltung einen glatten Übergang vom Hilfsbetrieb zum Normalbetrieb, wenn die Hauptspannung wieder hergestellt ist. Die Hilfs­ spannung wird lediglich an die Speicheranordnung angelegt und nicht an die peripheren Hilfsgeräte, die im Hilfsbe­ trieb keinesfalls verwendbar sind. Wenn in den Speicher­ zellen der Anordnung hochimpedante Lasten verwendet werden, läßt sich im Hilfsbetrieb ein äußerst geringer Leistungsverbrauch erreichen.

Fig. 1 zeigt ein Schemaschaltbild der Hilfsschaltung. Die Hauptspannung V _cc wird über einen bestimmten externen Anschluß an eine Hauptspannungs­ klemme der Speicherschaltung zugeführt. Die Hilfsspannung wird der Schaltung durch Multiplexieren einer bestimmten Klemme zugeführt, welche in der vorliegenden Ausführung die Schreibfreigabeklemme ist. Während des Routinebetriebs der Speicherschaltung steuert ein Schreibfreigabebefehl ob die Schaltung im Lese- oder Schreibbetrieb beschrieben wird. Beim Verlust der Hauptspannung trennt der Schreibfreigabebefehl jedoch die externe Schaltung und legt an die -Klemme eine Hilfs- oder Sekundärspan­ nungsquelle, und zwar im allgemeinen eine Batterie.

Ein Spannungsvergleicher 10 ist an die Hauptspannungs­ klemme, welche V _cc aufnimmt, und an die -Klemme, welche den -Befehl aufnimmt, angeschlossen. Der Spannungsvergleicher 10 liefert einen hohen Spannungs­ wert am Knoten 12, welches der Spannungsvergleicheraus­ gang ist, wenn V _cc größer als die Spannung an der -Klemme -ist. Der Knoten 12 wird auf einen niederen Spannungswert gesetzt, wenn V _cc kleiner als die Spannung an der -Klemme -ist. Der Spannungsvergleicher 10 kann ferner derart beschrieben werden, daß eine hohe Spannung am Knoten 12 erzeugt wird, wenn die Spannung an der -Klemme nicht größer als die Versorgungsspannung V _cc ist, und zwar durch eine vorgegebene Spannungsverschiebung, und es wird eine niedere Spannung am Knoten 12 erzeugt, wenn die Spannung an der -Klemme größer als die Versorgungs­ spannung V _cc durch die vorgewählte Spannungsverschie­ bung ist. Wird somit auf einem hohen Wert gehalten, dann geht der Ausgangsknoten 12 des Spannungsvergleichers 10 von einem hohen Wert auf einen niederen Wert über, wenn V _cc von seinem normalen Betriebsbereich abfällt.

Der Knoten 12 ist an die Steuerelektrode eines Transistors 14 angeschlossen, welcher aufgesteuert ist, sobald sich die Spannung am Knoten 12 auf hohem Wert befindet, der jedoch gesperrt ist, wenn die Spannung am Knoten 12 tief ist. Der Transistor 14 wird somit gesperrt, wenn V _cc kleiner als die Spannung an der -Klemme minus die vorgewählte Verschiebung ist. Die Senkenklemme des Transistors 14 ist an einen Knoten 16 angeschlossen, der einen hohen Spannungswert hat, wenn der Transistor 14 gesperrt ist. Ist der Transistor 14 jedoch leitfähig, dann wird der Knoten 16 auf einen niederen Spannungswert runtergezogen.

Der Knoten 16 ist sowohl an die Steuerelektroden- als auch Quellenklemmen eines Verarmungstyp-Feldeffekttran­ sistors 18 angeschlossen. Die Senkenklemme des Transistors 18 ist an V _cc angeschlossen. Der Transistor 18 dient als ohmsche Last zur Strombegrenzung des durch den Transis­ tor 14 fließenden Stroms.

Der Knoten 16 ist ferner an die Steuerelektrode eines Transistors 20 angeschlossen, dessen Senkenklemme an V _cc angeschlossen ist. Wenn der Knoten 16 von einem niederen Spannungswert auf einen hohen Wert übergeht, dann wird der Transistor 20 aufgesteuert und hebt somit einen Knoten 22 auf einen hohen Spannungswert, welcher V _cc minus der Schwellenspannung V _t des Transistors 20 ist. Der Knoten 22 ist sowohl an die Quellenklemme des Transistors 20 als auch an die Senkenklemme eines Transi­ stors 24 angeschlossen. Die Quellenklemme des Transistors 24 ist an eine gemeinsame Erde angeschlossen. Der Knoten 22 dient als Spannungszustandsknoten und ist an die Ausgangsklemme angeschlossen. Das Durch dargestell­ te Signal ist ein Zustandssignal, welches anzeigt, daß die Hauptspannung für die Schaltung sich innerhalb richti­ ger Betriebsgrenzen befindet. Dieses Signal ist ein aktives, tiefes Signal, was bedeutet, daß der akzeptable Status durch einen tiefen Spannungswert angezeigt wird, während ein unakzeptabler Status durch einen hohen Span­ nungswert angezeigt wird. Der Signalspannungswert am Knoten 22 wird durch Verbindungen zu einer Anzahl von Punkten innerhalb der Schaltung beeinflußt.

Der Knoten 12, welches der Ausgang des Spannungsverglei­ chers 10 ist, ist ferner an die Steuerelektrode eines Transistors 26 angeschlossen, welcher aufgesteuert ist, wenn sich der Knoten 12 auf hohem Spannungswert befindet. Die Senkenelektrode des Transistors 26 ist an einen Knoten 28 angeschlossen, welcher außerdem an die Steuer­ elektrode eines Transistors 30 angeschlossen ist. Ein Widerstand 32 liegt zwischen der -Klemme und der Steuer­ elektrode des Transistors 30. Die Senkenelektrode des Transistors 30 ist ferner an die -Klemme angeschlossen, während die Quellenelektrode des Transistors 30 an den Knoten 22 angeschlossen ist.

Ein Widerstand 34 ist zwischen die -Klemme und den Knoten 22 geschaltet. Ein Tranistor 36 ist mit seiner Steuerelektrode an den Knoten 22 angeschlossen, während die Senkenelektrode an die -Klemme angeschlossen ist und die Quellenklemme an einen Speicherschaltungs-V _cc -Kno­ ten 40 angeschlossen ist. Doe Anordnungs-V _cc ist die Versorgungsspannung für die Speicherzellen innerhalb der Speicherschaltung.

Wie zuvor beschrieben, wird die Hauptspannung für die gesamte Schaltung durch V _cc zur Verfügung gestellt. Diese Hauptspannungsquelle ist ferner an die Steuerelek­ trode und an die Senkenelektrode eines Transistors 38 angeschlossen, dessen Quellenelektrode für die Zufuhr der Anordnungsversorgungsspannung V _cc angeschlossen ist, welche als Knoten 40 bezeichnet wird.

Die -Klemme ist an einen Schalter 42 angeschlossen, der von einer Ausgabeleitung 43 von einem Netzgerät 44 gesteuert wird. Eine Versorgungsleitung 45 mit im allgemeinen 120 Volt und 60 Hz ist an das Netzgerät 44 gelegt und liefert die Spannung V _cc zur Versorgung der Speicherschaltung. Der Schalter 42 verbindet die -Klemme mit entweder einer Steuerschaltung 46, welche den Schreibfreigabebefehl erzeugt, oder mit einer Hilfs­ spannungsquelle 48, beispielsweise einer Batterie. Der Schreibfreigabebefehl wird von der Steuerschaltung 46 über eine Steuerleitung 47 übertragen, welche an eine Eingangsklemme des Schalters 42 angeschlossen ist. Das Netzgerät 44 weist eine Schaltung zum Messen der einlaufen­ den Netzspannung und zur Feststellung auf, wann diese Spannungs fehlerhaft ist. Wird ein Fehler erkannt, dann läßt das Netzgerät 44 über die Leitung 43 den Schalter 42 aus dem normalen Anschluß zur Steuer­ schaltung 46 auf die Hilfsspannungsquelle 48 umschalten. Die Filterkondensatoren innerhalb des Netzgerätes 44 sind hinreichend groß, um für das Netzgerät ausreichende Energie zum Eigenbetrieb und darüber hinaus so viel Strom zu liefern, daß die Spannung V _cc über einige Milli­ sekunden aufrechterhalten wird. Der Schalter 42 multi­ plexiert somit den Betrieb der -Klemme derart, daß im Falle eines Fehlers in der Hauptspannung die -Klemme so angeschlossen wird, daß sie Hilfsspannung zur Versor­ gung der Speicherschaltung aufnimmt. In der bevorzugten Ausführung ist die Hilfsspannungsquelle 48 eine Batterie oder ein batteriegetriebenes Netzgerät. Der Schalter 42 ist vorzugsweise ein logischer oder ein Festkörper­ schalter, und nicht ein mechanischer Schalter.

Der V _cc -Knoten 40 ist zur Versorgung der Speicherzellen 50 im Normalbetrieb sowie zum Datenschutz im Hilfsbetrieb angeschlossen. Die Schaltung für die Speicherzellen 50 ist beispielsweise in der US-PS 39 67 252 beschrieben. Die Speicherzellen 50 weisen eine Vielzahl von Bit-Leitun­ gen 52 auf, von denen jede an eine Vielzahl von einzelnen Speicherzellen innerhalb der Schaltung 50 angeschlossen ist. Jede der Bit-Leitungen ist an die Quellenelektrode eines zugehörigen Transistors 54 a, 54 b, . . . angeschlossen. Die Senkenelektroden der Transistoren 54 sind gemeinsam an die Anordnungsspannung V _cc am Knoten 40 angeschlossen. Die Steuerelektroden der Transistoren 54 sind zusammen an den Knoten 22 angeschlossen, der den Status der zur Speicherschaltung gelieferten Spannung anzeigt.

Im unteren Teil der Fig. 1 wird die Hauptversorgungs­ spannung V _cc an eine Vielzahl von Transistoren gelegt, die zur Erzeugung eines Sperrbefehls am Knoten 68 dient, welcher im aktivierten Zustand das Schreiben von Daten in die Speicherzellenanordnung sperrt, nachdem die Netz­ spannung abfiel und der Speicher im Hilfsbetrieb arbeitet. Der Knoten 68 ist für die Zufuhr des Sperrbefehls an periphere Schaltungen 70 angeschlossen, welche die Spei­ cherzellenanordnung 50 durch einen Kommunikationspfad 72 steuern und erreichen. Wenn die Schaltungen 70 gesperrt sind, lassen sich keine Daten in die Speicherzellenanord­ nung 50 einschreiben oder aus ihr auslesen, so daß die darin gespeicherte Bit-Information gesichert wird.

Eine Substratvorspannung V _BB wird über einen Knoten 78 an die Steuerelektrode eines Verarmungstyp-Transistors 80 gelegt. Die Quellenelektrode des Transistors 80 ist geerdet und seine Senkenelektrode ist an einen Knoten 82 angeschlossen, welcher als Substratvorspannungsmeß­ knoten arbeitet.

Ein Verarmungstyp-Transistor 84 ist mit seiner Senken­ elektrode an V _cc angeschlossen, während seine Steuer­ elektrode und seine Quellenelektrode an den Knoten 82 angeschlossen sind. Der Transistor 84 wirkt im wesent­ lichen als Lastimpedanz für den Transistor 80. Der Knoten 82 ist ferner an die Steuerelektrode eines Transistors 86 angeschlossen, dessen Quellenelektrode geerdet ist. Die Senkenelektrode des Transistors 86 ist an einen Knoten 88 angeschlossen, der außerdem an die Quellen­ elektrode eines Verarmungstyp-Transistors 90 gelegt ist. Sowohl die Steuerelektrode als auch die Senkenelek­ trode des Transistors 90 sind an V _cc gelegt, so daß der Transistor 90 für den Transistor 86 als Lastimpedanz wirkt.

Der Knoten 88 ist ferner an die Steuerelektrode eines Transistors 92 angeschlossen, dessen Quellenelektrode geerdet ist. Die Senkenelektrode des Transistors 92 ist an einen Knoten 94 angeschlossen, der wiederum an die Steuerelektrode und die Quellenelektrode eines Verar­ mungstyp-Transistors 96 angeschlossen ist. Die Senken­ elektrode eines Transistors 96 ist in ähnlicher Weise mit V _cc verbunden. Der Transistor 96 wirkt als Lastimpe­ danz für den Transistor 92.

Der Knoten 94 ist ferner mit der Steuerelektrode eines Transistors 98 verbunden, dessen Quellenelektrode geerdet ist. Die Senkenelektrode eines Transistors 98 ist an einen Knoten 100 angeschlossen. Sowohl die Steuerelek­ trode, als auch die Quellenelektrode eines Verarmungstyp- Transistors 102 sind mit einem Knoten 100 verbunden, während die Senkenelektrode des Transistors 102 in ähn­ licher Weise an V _cc angeschlossen ist. Der Transistor 102 wirkt als Lastimpedanz für den Transistor 98.

Der Knoten 100 erstreckt sich bis zur Steuerelektrode eines Transistors 104 , dessen Senkenelektrode mit dem Knoten 12 verbunden ist. Die Quellenelektrode des Transi­ stors 104 ist geerdet. Wenn der Knoten 100 hochgeht, wird der Transistor 104 aufgesteuert, wodurch der Knoten 12 runtergezogen wird.

Der Knoten 100 ist ferner an die Steuerelektrode eines Transistors 106 angeschlossen, dessen Quellenelektrode geerdet ist. Die Senkenelektrode des Transistors 106 ist an einen Knoten 108 angeschlossen, der mit der Steuer­ elektrode und der Quellenelektrode eines Verarmungstyp- Transistors 110 verbunden ist. Die Senkenelektrode des Transistors 110 ist an V _cc angeschlossen. Der Knoten 108 ist ferner mit der Steuerelektrode des Transistors 112 verbunden, dessen Quellenelektrode geerdet ist. Die Senkenelektrode des Transistors 112 ist an den Knoten 68 angeschlossen. Der Knoten 108 ist ferner mit der Senkenklemme eines Transistors 114 verbunden, dessen Steuerelektrode an den Knoten 22 angeschlossen und dessen Quellenelektrode geerdet ist.

Der Knoten 68, der die Sperrbefehle an die Schaltungen 70 überträgt, ist ferner mit der Steuerelektrode und der Quellenelektrode eines Transistors 116 verbunden, dessen Senkenelektrode an den Knoten 40 angeschlossen ist. Der Transistor 116 begrenzt den Stromfluß durch den Transistor 112.

Fig. 3 zeigt eine typische Speicherzelle, die zu der Speicherzellenanordnung 50 gehört. Eine statische Speicher­ zelle 150 weist Lastwiderstände 160, 162, Zugriffstransistoren 164, 168 und einen Transistor Flip-Flop 152, 154 auf. Die Quellenelektroden der Transistoren 152 und 154 sind geerdet. Der Transistor 152 ist mit seiner Senkenelektrode an einen Knoten 156 angeschlossen, der mit der Steuerelektrode des Transistors 154 verbunden ist. Die Senkenelektrode des Transistors 154 ist an einen Knoten 158 angeschlossen, der mit der Steuerelek­ trode des Transistors 152 verbunden ist. Ein Lastwider­ stand 160 ist zwischen den Speicherzellenanordnungs-Span­ nungsknoten 40 und einen Knoten 156 gelegt. Ein Lastwider­ stand 162 ist zwischen die Speicherzellenanordnung 40 und den Knoten 158 geschaltet. Die Zelle 150 ist mit einem ersten Zugriffstransistor 164 versehen, dessen Senken- und Quellenelektroden zwischen eine Bit-Leitung 166 und den Knoten 156 geschaltet sind. Ein zweiter Zugriffstransistor 168 ist mit seiner Senken- und Quellen­ elektrode zwischen eine Bit-Leitung 170 und den Knoten 158 geschaltet. Die Steuerelektroden der beiden Transisto­ ren 164 und 168 sind an eine Wortleitung 1 bzw. an eine Wortleitung 2 angeschlossen, die einen Wortleitungsbefehl aufnimmt, um den Knoten 156 an die Bit-Leitung 166 und den Knoten 158 an die Bit-Leitung 170 anzuschließen. Die Bit-Leitungen 166 und 170 sind zwei Beispiele für Bit-Leitungen, die zu der Gruppe 52 gemäß Fig. 1 gehören.

Zur Beschreibung des Betriebes der Hilfsschaltung wird auf Fig. 1 Bezug genommen, wobei der Zweck der Schaltung darin liegt, eine hinreichende Hilfsspannung an die Speicherzellen 50 der Speicherschal­ tung derart zu liefern, daß die in den Zellen gespeicher­ ten Bit-Informationen trotz eines Verlustes von Haupt­ spannung aufrechterhalten werden. Die Schaltung muß ferner die peripheren Schaltungen 70 sperren, um ein Einschreiben von möglicherweise fehlerhaften Daten in die Speicherzellen 50 zu verhindern, nachdem ein Fehler in der Hauptspannungsversorgung aufgetreten ist. Die Schaltung liefert ferner ein Signal, welches den Status der Hauptversorgungsspannung anzeigt, welches das - Signal am Knoten 22 ist.

Im Normalbetrieb ist tief, so daß der Transistor 36 gesperrt ist. V _cc befindet sich normalerweise auf 5 Volt plus oder minus 10%. Der Transistor 38 wirkt als Diode und ist derart angeschaltet, daß die Anordnungs­ spannung V _cc , nämlich der Knoten 40, sich auf der Spannung V _cc minus der Schwellenspannung V _t befindet.

Wenn die Hauptversorgungsspannung V _cc ausfällt, dann wird die Spannung am Knoten 22 in einer Reihe von Schrit­ ten hochgezogen. Wenn der Spannungsvergleicher 10 fest­ stellt, daß die Spannung an der -Klemme die Spannung V _cc übersteigt oder wenn sie die Spannung V _cc um mehr als einen vorgegebenen Spannungsschritt überschreitet, dann wird der Knoten 12 auf einen tiefen Spannungswert getrieben, welcher die Transistoren 14, 24 und 26 absper­ ren läßt. Wenn V _cc von 5 Volt abfällt, wird der Knoten 16 schnell auf V _cc -Spannung hochgezogen, und zwar etwa auf 4 Volt. Da der Knoten 16 an die Steuerelektrode des Transistors 20 angeschlossen ist, steuert die Spannung am Knoten 16 den Transistor 20 auf, wodurch die Spannung am Knoten 22 auf eine Spannung erhöht wird, die eine Schwellenspannung V _t unter V _cc liegt. In der dargestellten Ausführung ist V _t im allgemeinen 1 Volt. Wenn V _cc abzu­ fallen beginnt, wird der Knoten 22 schnell auf etwa 3 Volt hochgezogen. Wenn V _cc weiter abfällt, zieht der Transistor 20 die Spannung am Knoten 22 nicht nach Null. Wenn V _cc in den Bereich von 1-2 Volt abgefallen ist, gibt es keine ausreichende Vorspannung an der Steuerelek­ trode des Transistors 20, um diesen aufgesteuert zu halten. Der Transistor 20 sperrt somit und trennt den Knoten 22 von der V _cc -Klemme.

Wenn der Ausgangsknoten 12 des Vergleichers 10 sich von Hoch auf Tief verändert, dann springt der Knoten 22 auf V _cc -V _t hoch. Diese Spannung am Knoten 22 reicht aus, um den Transistor 114 durchzusteuern, der seinerseits den Transistor 112 sperrt und dadurch den Sperrbefehl an die Schaltungen 70 legt, um die Daten in den Speicher­ zellen 50 zu schützen.

Der nächste Schritt am Ladeknoten 22 wird von einem Transistor 30 ausgelöst, dessen Steuerelektrode schnell auf die Spannung an der -Klemme aufgeladen wird, wenn der Transistor 26 sperrt. Dies zieht den Knoten 22 auf die Spannung an der -Klemme minus einem Schwellenspan­ nungswert V _t , welche die Spannung vom Transistor 30 ist. Der abschließende Schritt am Ladeknoten 22 wird vom Widerstand 34 geliefert. Dieser Widerstand lädt den Knoten 22 auf die volle Spannung an der -Klemme. Somit wird der Knoten 22, der dem -Signal entspricht, von Tief auf Hoch gesetzt, wenn V _cc kleiner als die Spannung an der -Klemme wird, oder wird durch einen vorgegebenen Spannungssprung erhöht.

Wenn V _cc von Hoch auf Tief abfällt, wird der Transistor 38 gesperrt, während der Übergang des Knotens 22 von Tief auf Hoch den Transistor 36 durchsteuert, was die -Klemme an den Speicheranordnungs-V _cc -Knoten 40 anlegt. Im Hilfsbetrieb ist die Anordnungsspannung V _cc daher gleich der Spannung an der -Klemme minus einem Schwellen­ spannungsabfall, welcher über dem Transistor 36 auftritt.

Im normalen Versorgungsbetrieb ist die -Klemme an eine Schaltung mit sehr hoher Impedanz angeschlossen, welche wenig Strom zieht und das Steuersignal an dieser Klemme in seiner normalen Art arbeiten läßt, um einen Schreibbefehl an die Speicherschaltung zu legen. Im Hilfsbetrieb wird der Schreibbefehl jedoch nicht verwendet und die -Klemme ist angeschlossen, um Hilfsspannung an die Speicherzelle über den Anordnungs-V _cc -Knoten 40 zu liefern.

Der Sperrbefehl am Knoten 68 wird erzeugt, um die periphe­ ren Schaltungen 70 abzuhängen, damit Daten am Einschreiben in die Speicherzellen gehindert werden. Wenn der Knoten 22 von einem tiefen Wert auf einen Wert von mehreren Volt ansteigt, wird der Transistor 114 aufgesteuert und zieht dadurch den Knoten 108 runter. Eine tiefe Spannung am Knoten 108 läßt den Transistor 112 sperren, wodurch der Knoten 68 auf die Spannung des Anordnungs-V _cc - Knotens 40 erhöht wird.

Es wird darauf hingewiesen, daß beim Verlust von V _cc die peripheren Schaltungen keinen Strom von der sekundären Spannungsquelle 48 ziehen, da sie lediglich durch V _cc versorgt werden.

Jede Speicherzelle innerhalb der Speicherzellenanordnung 50 ist an ein Paar Bit-Leitungen 52, beispielsweise die Leitungen 166 und 170, angeschlossen. Die Bit-Leitungen dienen zum Übertragen von Datenzustandsinformation in und aus den einzelnen Zellen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die Transistoren 54 sind derart angeschlossen, daß jede Bit-Leitung mit der Anordnungsspannung V _cc minus der Schwellenspannung V _t versorgt wird. Es ist wesentlich, daß diese Spannung auf den Bit-Leitungen erhalten bleibt, da sich über einen längeren Zeitraum die Spannungszustände auf den Knoten 156 und 158 über die zugehörigen Zugriffstransistoren 164 und 168 aufgrund von Unterschwellenwertsleitung entladen können. Die Bit-Leitungen in einem Halbleiterspeicher werden durch jede Speicherzelle geführt und bilden somit ein äußerst aufwendiges Leitungsgebilde der integrierten Schaltung. Ein wesentlicher kapazitiver Effekt entsteht zwischen diesen Bit-Leitungen und dem Schaltungssubstrat aufgrund der Geometrie und der p-n-Übergangskanapzität.

Während des Hilfsbetriebs werden keine Signal extern an die Bit-Leitungen des Halbleiterspeichers angelegt.

Ohne extern angelegte Signale gehen diese Leitungen im wesentlichen auf Erdpotential über. Wenn die Hauptspan­ nung wieder an die Rechenanlage angelegt ist, befinden sich alle Bit-Leitungen unmittelbar wieder auf hohen Spannungswerten. Aufgrund der kapazitiven Kopplung der Bit-Leitungen mit dem Substrat erhöht sich die Spannung des Substrats plötzlich aufgrund dieser kapazitiven Kopplung. Wenn die Spannung des Substrats auf mehr als 0 Volt gezogen wird, ist es wahrscheinlich, daß die Funktion von zahlreichen einzelnen Speicherzellen abträg­ lich beeinflußt wird und die in diesen Zellen gespeicher­ ten Daten verlorengehen. Die Verwendung des zuvor beschrie­ benen, auf dem Substrat befindlichen Pumpgenerators besteht darin, das Substrat auf einer wesentlichen negati­ ven Spannung zu halten, um derartige Schwierigkeiten zu vermeiden. Während des Hilfsbetriebs kann die Hilfssub­ stratpumpe jedoch lediglich eine schwach negative Vor­ spannung für das Substrat liefern.

Die Erfindung schafft einen Halbleiterspeicher, bei dem ein Datenverlust aufgrund von sowohl unterschwelliger Leckage durch die Zugriffstransistoren als auch aufgrund von kapazitiver Kopplung des Substrats durch eine Über­ mäßige positive Spannung verhindert wird. Dies wird dadurch erreicht, indem die Bit-Leitungen für jede der einzelnen Speicher­ zellen auf eine hohe Spannung vorgespannt werden. Diese hohe Spannung wird durch die Transistoren 54 an die Bit-Leitungen 52 angelegt. In Fig. 3 wird die erhöhte Spannung an die einzelnen Bit-Leitungen 166 und 170 angelegt. Eine hohe Spannung liegt dann an einem der Knoten 156 und 158 und es ist dieser hohe Spannungs­ wert, der vor Unterschwellenwertleckage geschützt werden muß. Wenn beide Bit-Leitungen auf einem hohen Spannungs­ wert gehalten werden, dann tritt keine Leckage durch die Zugriffstransistoren auf, die an den hohen Knoten angeschlossen ist, da über diesen Transistor kein Span­ nungsunterschied besteht. Für den an den tiefen Knoten angeschlossenen Transistor läßt sich jede Leckage durch den Runterziehtransistor 152 oder 154 überwinden. Außerdem verkleinert die hohe Vorspannung auf den Bit-Leitungen die Größe des plötzlichen Aufwärtsspannungssprunges an dem Substrat, wenn die Hauptspannung wieder zur Gänze an die Speicherschaltung angelegt wird.

Anhand von Fig. 2 wird eine Substratvorspannung V _BB erläutert. In MOS(Metalldioxidhalbleiter)-Schaltungen ist es zweckmäßig, das Substrat auf einer negativen Vorspannung zu halten. Im Normalbetrieb liefert eine Hauptsubstratpumpe eine geregelte -4 Volt-Spannung an das Substrat, um eine optimale Wirkung der Schaltung zu erzielen. Diese Pumpe wird deaktiviert, wenn V _cc verlorengeht.

Die Substratvorspannung ist außerdem wichtig für den Übergang vom Hilfsbetrieb zum Hauptbetrieb. Die Hauptspan­ nungsklemme ist kapazitiv mit dem Substrat gekoppelt und neigt dazu, das Substrat positiv zu ziehen, wenn V _cc wieder angelegt wird. Wenn das Substrat von einer negativen Spannung auf 0 Volt gezogen oder positiv vorge­ spannt wird, wie dies zuvor beschrieben ist, besteht eine wesentliche Wahrscheinlichkeit, daß Daten verloren­ gehen. Die Versorgungsspannung V _BB muß daher hinreichend negativ sein, um zu verhindern, daß das Substrat durch die kapazitive Kopplung an die Hauptspannungsquelle auf eine positive Spannung gezogen wird.

Die Schaltung gemäß Fig. 2 stellt eine Hilfssubstratpumpe dar, welche eine hinreichend negative Vorspannung für das Substrat liefert, um das Datenmuster in den Speicher­ zellen aufrechtzuerhalten. Die Hilfssubstratpumpe 122 ist sowohl an die V _cc -Hauptspannungsquelle als auch an die -Klemme für die Hilfsspannung angeschlossen. V _cc und die die -Klemme sind so angeschlossen, daß sie die Substratpumpschaltung 122 durch eine Torschaltung der Transistoren 124, 126, 128 und 130 versorgen. Jeder dieser vier Transistoren ist mit seiner Steuerelektrode an seine Senkenelektrode derart angeschlossen, daß der Transistor tatsächlich als Diode wirkt. Wenn V _cc die Spannung an der -Klemme minus V _t überschreitet, dann werden die Transistoren 128 und 130 aufgesteuert und legen dadurch V _cc an einen Knoten 132, wobei ein Schwellen­ spannungsabfall auftritt. Unter diesen Bedingungen werden die Transistoren 124 und 126 aufgesteuert und isolieren dabei die -Klemme durch eine hohe Impedanz von V _cc und der Schaltung 122.

Wenn die Spannung an der -Klemme V _cc plus eine V _t überschreitet, werden die Transistoren 124 und 126 aufge­ steuert, während die Transistoren 128 und 130 gesperrt werden. Diese Anordnung verbindet die -Klemme mit dem Knoten 132 und trennt V _cc von der -Klemme und vom Knoten 132. Der Knoten 132 wird somit an die höhere Spannung von V _cc oder der Spannung an der -Klemme angeschlossen.

Der Knoten 132 liefert Spannung für einen leistungsarmen Oszillator 134 und einen Transistor 136. Der Oszillator 134 erzeugt ein phasengleiches Signal, das als Φ bezeich­ net ist, während sein Kehrwert mit Φ bezeichnet wird. Das Signal Φ wird an die Steuerelektrode des Transistors 136 gelegt, während das Φ-Signal der Steuerelektrode eines Transistors 138 eingegeben wird. Die Quellenelek­ trode des Transistors 136 ist an einen Knoten 140 ange­ schlossen, der wiederum an die Senkenklemme des Transis­ tors 138 angeschlossen ist. Die Quellenelektrode des Transistors 138 ist geerdet. Die phasenungleichen Signale, die an die Transistoren 136 und 138 gelegt werden, erzeu­ gen eine Rechteckschwingung am Knoten 140. Das Signal am Knoten 140 wird an die Steuerelektrode eines Transis­ tors 142 übertragen, der als Kondensator geschaltet ist. Die Quellen- und Senkenelektroden des Transistors 142 sind an einen Knoten 144 angeschlossen. Ein Transis­ tor 146 ist mit seinen Senken- und Steuerelektroden an den Knoten 144 angeschlossen, während seine Quellen­ elektrode derart geerdet ist, daß der Transistor 146 als gegen Erde gespannte Diode wirkt. Der Knoten 144 ist ferner an die Quellenelektrode eines Transistors 148 angeschlossen, dessen Steuerelektrode und dessen Senkenelektrode derart angeschlossen sind, daß der Transi­ stor 148 als gegen den Knoten 144 vorgespannte Diode wirkt.

In Fig. 2 erzeugt der Oszillator 134 Signale, die phasenun­ gleich sind und erzeugt dadurch eine Rechteckschwingung am Knoten 140. Die Rechteckschwingung wird von Knoten 140 an den Knoten 144 durch einen Transistor 142 über­ tragen, der als Kondensator wirkt und Gleichspannung blockiert. Wenn der Knoten 144 hochgeht, wird der Transi­ stor 146 aufgesteuert, so daß der Knoten 144 anschließend durch den Transistor 146 entladen wird. Wenn der Knoten 144 negativ wird, wird der Transistor 146 gesperrt und der Knoten 144 auf eine negative Spannung gezogen. Eine positive Spannung am Knoten 144 wird vom Transistor 148 abgeblockt, während eine negative Spannung am Knoten 144 durch den Transistor 148 zum Knoten 78 (siehe auch Fig. 1) übertragen wird. Der Knoten 78 liefert die Sub­ stratvorspannung V _BB an das I. S.-Substrat 149, welches alle Schaltungen gemäß den Fig. 1 und 2 enthält.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung mißt auch die Sub­ stratvorspannung V _BB , so daß das -Signal auf einen hohen Wert getrieben wird, wenn eine unzureichende Sub­ stratvorspannung vorliegt. Wenn V _BB hinreichend negativ ist, und zwar etwa -2 bis -3 Volt, dann wird der Verar­ mungstyp-Transistor 80 gesperrt. Dadurch steigt der Knoten 82 auf hohe Spannung an, was den Transistor 86 aufsteuert und dadurch den Knoten 88 absenkt. Die niedere Spannung am Knoten 88 sperrt den Transistor 92 und hebt den Knoten 94 auf einen hohen Wert. Der hohe Wert am Knoten 94 steuert den Transistor 98 durch und zieht dadurch den Knoten 100 auf einen tiefen Spannungswert, wobei gleichzeitig der Transistor 104 gesperrt wird. Wenn der Transistor 104 gesperrt wird, wird der Knoten 12 auf einen hohen Wert gezogen, um anzuzeigen, daß V _cc die Spannung an der -Klemme übersteigt. Wenn der Knoten 12 hoch ist, wird der Knoten 22 tief und zeigt durch das Signal an, daß die Hauptspannung V _cc und die Versor­ gungsspannung V _BB ausreichend sind.

Wenn V _BB nicht hinreichend negativ ist und daher etwa 0 Volt hat, ist der Transistor 80 aufgesteuert und zieht dadurch den Knoten 82 auf tiefe Spannung. Durch diese Wirkung wird der Transistor 86 gesperrt und der Knoten 88 auf einen hohen Wert angehoben. Ein hoher Wert am Knoten 88 steuert den Transistor 92 durch und zieht den Knoten 94 auf einen tiefen Wert. Der tiefe Wert am Knoten 94 sperrt den Transistor 98 und hebt dadurch den Knoten 100 auf einen hohen Wert und steuert außerdem den Transistor 104 durch, der den Knoten 12 auf einen tiefen Wert zieht, wodurch die gleiche Schrittfolge ausgelöst wird, die auftritt, wenn V _cc kleiner als die Spannung an der - Klemme ist. Als Resultat einer unzureichend negativen Spannung V _BB wird ein hohes -Signal erzeugt, welches einen Spannungsverlust anzeigt und es wird ein Sperrbefehl erzeugt, der das Einschreiben von Daten in die Speicher­ zellen aus peripheren Schaltungen verhindert. Außerdem werden die peripheren Schaltungen gesperrt gehalten, um den Leistungsverbrauch zu reduzieren und Leitungsvorrangs­ probleme auszuschalten.

Zusammenfassend gesagt besitzt der Halbleiterspeicher eine Möglichkeit zum Vorspannen der Bit-Leitun­ gen der Zellen eines statischen Halbleiterspeichers. Dadurch wird das Bitmuster in den Zellen vor einer Lö­ schung geschützt, wenn die Zellen mit Hilfsspannung versorgt werden. Eine Datenlöschung kann auf Entladung eines hohen Knotens aufgrund von Unterschwellenwerts­ leitung oder auf Hochziehen des Substrats auf eine posi­ tive Spannung aufgrund von kapazitiver Kopplung zwischen den Bit-Leitungen und dem Substrat zurückführbar sein.

Claims (2)

1. Statischer Halbleiterspeicher mit einer Hilfsspannungsquelle zur Verhinderung des Verlustes von in den Speicherzellen beim Versagen der Hauptspannungsquelle gespeicherten Bits; wobei der Speicher eine Anzahl von Steuerklemmen für die Aufnahme von Steuersignalen besitzt und die Speicherzellen Flip-Flops aus Transistoren sind; mit einem Paar von Zugriffstransistoren, welche jeweils die Flip-Flop-Knotenpunkte an eine von zwei Bit-Leitungen anschließen, die zur Infor­ mationsübertragung in Form von Spannungszuständen zu und von den Speicherzellen während des Normalbetriebs dienen; mit einer Schaltung zur Erkennung eines Fehlers in der Haupt­ versorgungsspannung für die Speicherschaltung; mit Mitteln zum Anschließen der Hilfsspannungsquelle an die Spannungs­ quelle für die Speicherzellen und zum Sperren der Zugriffs­ transistoren der Flip-Flop-Speicherzellen bei der Erkennung eines Hauptspannungsfehlers; gekennzeichnet durch eine Vor­ spannungsschaltung (34, 54) zum Anlegen einer vorgegebenen Spannung an jede der Bit-Leitungen (52) bei der Erkennung eines Fehlers in der Hauptspannung (V _cc ).

2. Statischer Halbleiterspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Spannung über eine ausgewählte Steuerklemme von der Hilfsspannungsquelle (48) abgegriffen wird.