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Die
Erfindung betrifft einen dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM)
und insbesondere ein Betriebsverfahren, das zu einer Verringerung
des Verbrauchs an elektrischer Leistung im Bereitschaftsmodus führt.
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Der
Arbeitsspeicher eines Computers, der als Direktzugriffsspeicher
(RAM) bezeichnet wird, ermöglicht
das Speichern von Programmen, die für den Systemprozessor gegenwärtig verfügbar sind,
und das Speichern von zu verarbeitenden Daten. Auch ermöglicht der
RAM die Speicherung von Informationen, die dem Benutzer angezeigt
werden. Typischerweise umfasst der Arbeitsspeicher DRAM-ICs aufgrund
ihrer relativ geringen Kosten und ihrer hohen Leistungsfähigkeit.
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DRAMs
erfordern eine ständige
Auffrischung ihrer Zellen, um die in ihnen gespeicherten Daten zu behalten.
Derartige Auffrischungen finden unter der Kontrolle der Speichersteuerung
statt. Es sind verschiedene Techniken zum Auffrischen der Speicherzellen
bekannt.
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Aufgrund
des Bedarfs der DRAM-Zellen nach Auffrischung wird eine relativ
große
Energiemenge verbraucht. Ein solch hoher Energieverbrauch stellt
insbesondere im Zusammenhang mit tragbaren Computern ein Problem
dar, da hierdurch eine größere Batteriekapazität erforderlich
ist. Eine Technik des Reduzierens des Leistungsverbrauchs liegt
darin, einen "Bereitschaftsmodus" des Computerbetriebs
zu schaffen. Im Bereitschaftsmodus werden die Computerdaten in den
DRAMs nicht aufgefrischt, wodurch die vom System benötigte Leistung verringert
wird. Der Bereitschaftsmodus kann durch verschiedene Techniken aktiviert
werden, bspw. durch aktiven, inaktiven oder automatischen Eintritt.
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Eine
Art von DRAM-Zellen umfasst einen Grabenkondensator, der elektrisch
mit einem Transistor gekoppelt ist. DRAM-Zellen mit Grabenkondensatoren sind
bspw. in, Wolf, "Silicon
Processing for the VLSI Era",
Band 2, Lattice Press (1995) beschrieben.
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Bei
einer Graben-DRAM-Zelle des NMOSFET-Typs ist die p-Senke des n-Kanaltransistors
normalerweise unter negative Vorspannung gesetzt, um die Empfindlichkeit
des Substrats und die Diffusionskapazität zu verringern. Darüber hinaus
ist eine n-Senke, die vorhanden ist, um die eingebetteten Platten
der Kondensatoren elektrisch zu verbinden, typischerweise mit einer
Spannung von etwa VDD/2 vorgespannt. Jedoch
verursachen solche DRAM-Zellen eine Zunahme des Flusses von Leckstrom
während
des Bereitschaftsmodus. Der erhöhte
Leckstromfluss führt
zu einem höheren
Energieverbrauch, was unerwünscht
und in einigen Fällen
inakzeptabel ist.
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Ein
DRAM, bei dem der Stromverbrauch durch Betreiben einer Speicheranordnung
in einem Datenhaltemodus, in dem das Potential eines Senkenbereichs
auf einem ersten Wert ist, und in einem normalen Modus, in dem das
Potential des Senkenbereichs auf einem zweiten Wert ist, reduziert
wird, ist in der
JP 09231751 und
der
US 5805508 (
35,
36) offenbart.
Bei diesem DRAM sind die Speicherzellen-Kondensatoren gestapelt.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verringern
des Stromes im Bereitschaftsmodus bei einem DRAM mit Speicherzellen
offenbart, umfassend einen Grabenkondensator, der sich durch eine
p-Senke und eine n-Senke in ein p-Substrat erstreckt, wobei das
Verfahren Folgendes aufweist:
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Bestimmen,
ob sich der DRAM im Bereitschaftsmodus oder im normalen Betriebsmodus
befindet; Halten einer ersten Spannungsquelle an der n-Senke, wenn
sich der DRAM im Normalmodus befindet, wobei das Verfahren des Weiteren
das Abschalten der ersten Spannungsquelle an der n-Senke im DRAM
umfasst, wenn sich der DRAM im Bereitschaftsmodus befindet; und
Detektieren des Bereitschaftsmodus durch Ausgeben erster und zweiter
Signale aus einem NOR-Glied, um die erste Spannungsquelle ein- bzw.
auszuschalten, wobei Eingaben in das NOR-Glied ein CAS- vor einem
RAS-Signal und ein Reihenadressimpuls-Zählersignal umfassen, wobei
das letztgenannte Signal anzeigt, dass innerhalb einer vorgegebenen
Zeit keine Auffrischungsaktivität
vorgenommen wurde.
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Die
Erfindung betrifft das Verringern des Stromes im Bereitschaftsmodus
in einem DRAM. Gemäß einer
Ausführungsform
wird, wenn detektiert wird, dass sich der DRAM im Bereitschaftsmodus
befindet, eine erste Energiequelle an der Speicheranordnung des
DRAM abgeschaltet. Die erste Energiequelle ist bspw. an die n-Senke
der Anordnung gekoppelt. Durch Ausschalten der Energiequelle an
der n-Senke wird
während
des Bereitschaftsmodus ein verringerter Stromverbrauch erreicht.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein DRAM angegeben,
welcher Speicherzellen aufweist, von denen jede einen Grabenkondensator
aufweist, der sich durch eine p-Senke und eine n-Senke in ein p-Substrat
erstreckt, wobei der DRAM einen Bereitschaftsmodus und einen Normalmodus
aufweist, umfassend: eine Logikschaltung zum Überwachen von Auffrischungssignalen,
um zu bestimmen, ob sich der Speicher im Bereitschaftsmodus oder
dem Normalmodus des Betriebes befindet; wobei der Speicher darüber hinaus eine
Regulierungsschaltung zum Ausschalten einer ersten Spannungsquelle
und einer zweiten Spannungsquelle an der n-Senke im DRAM umfasst, wenn
sich der DRAM im Bereitschaftsmodus befindet, und wobei die erste
Spannungsquelle eingeschaltet wird und die zweite Spannungsquelle
ausgeschaltet wird, wenn sich der DRAM im Normalmodus befindet.
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Für ein besseres
Verständnis
der Erfindung und um zu zeigen, wie sie ausgeführt werden kann, wird beispielhaft
auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine bekannte Graben-DRAM-Zelle;
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2 den Leckmechanismus während des Bereitschaftsmodus;
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3 einen Bereitschaftsmodus
des Betriebes gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine Überwachungsschaltung zum Bestimmen
des Bereitschaftsmodus; und
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5 eine Regulierungsschaltung
zum Regeln der Spannungen an der Anordnung.
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Die
Erfindung betrifft DRAMs mit einem Bereitschaftsmodus des Betriebes
mit verringertem Stromverbrauch. Es gibt verschiedene Arten von
Bereitschaftsmodi. Einige Arten können es erforderlich machen,
dass Daten im nichtflüchtigen
Speicher gespeichert werden und in ihrem Zustand vor dem Bereitschaftsmodus
zurückgestellt
werden, wenn der Normalbetrieb aufgenommen wird, während dies
bei anderen nicht der Fall ist. Bei jeder Art werden die DRAMs nicht
aufgefrischt. Die Erfindung wird im Zusammenhang mit einer integrierten
Schaltung (IC) eines DRAMs beschrieben, wobei in den Speicherzellen
Grabenkondensatoren eingesetzt sind. Um das Verständnis der
Erfindung zu erleichtern, wird eine bekannte Graben-DRAM-Zelle angegeben.
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Mit
Bezug auf 1 ist eine
herkömmliche DRAM-Zelle 100 mit
Grabenkondensator gezeigt. Eine derartige herkömmliche DRAM-Zelle mit Grabenkondensator
ist bspw. durch Nesbit et al., "A
0,6 μm2 256 Mb Trench DRAM Cell With Self-Aligned
Buried Strap (BEST)",
IEDM 93-627 beschrieben. Typischerweise ist eine Anordnung von Zellen
durch Wortleitungen und Bitleitungen miteinander verknüpft, um
einen DRAM-Chip zu bilden.
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Die
DRAM-Zelle 100 umfasst einen Grabenkondensator 160,
der in einem Substrat 101 ausgebildet ist. Das Substrat
ist geringfügig
mit Dotierungsmitteln des p-Typs (p–)
dotiert, wie bspw. Bor (B). Der Graben ist typischerweise mit Polysilikon
(Poly) 161 gefüllt,
das stark mit n-Dotierungsmitteln
(n+) dotiert ist, bspw. Arsen (As) oder
Phosphor (P). Das Poly, das als eine Platte des Kondensators dient,
wird als "Speicherknoten" bezeichnet. Eine
eingebettete Platte 165, die bspw. mit As dotiert ist, ist
im Substrat vorhanden, das den unteren Abschnitt des Grabens umgibt.
Das As wird in das Silikonsubstrat aus einer Dotierungsmittelquelle
eindifundiert. Die Dotierungsmittelquelle kann ein mit As dotiertes
Silikatglas (ASG) sein, das auf den Seitenwänden des Grabens ausgebildet
ist.
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Die
DRAM-Zelle umfasst auch einen Transistor 110. Der Transistor
umfasst einen Gate-Anschluss 112, einen Source-Anschluss 113 und
einen Drain-Anschluss 114. Das Gate des Transistors stellt eine
Wortleitung dar. Da der Transistor mit dem Kondensator verbunden
ist, wird er als "aktive
Wortleitung" bezeichnet.
Der Drain-Anschluss und der Source-Anschluss werden durch Implantieren
von Dotierungsmitteln des n-Typs, bspw. Phosphor (P), ausgebildet.
Die Verbindung des Transistors mit dem Kondensator wird über einen
Diffusionsbereich 125 erreicht. Der Diffusionsbereich,
der als "Knotendiffusion" bezeichnet wird,
wird durch Diffundieren von Dotierungsmitteln aus dem Graben-Poly
durch ein eingebettetes Band ausgebildet. Das Band wird erzeugt, indem
As- oder P-Dotierungsmittel bereitgestellt werden, die aus dem As-
oder P-dotierten Poly im Graben ausdiffundiert sind.
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Ein
Kragen 168 ist an einem oberen Teil des Grabens ausgebildet.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der obere Teil des Grabens auf
den Abschnitt, der den Kragen umfasst, und der untere Teil umfasst den
Abschnitt unterhalb des Kragens. Der Kragen verhindert ein Lecken
der Knotenverbindung zu der eingebetteten Platte. Das Lecken ist
unerwünscht,
da es die Speicherzeit der Zelle verringert.
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Wie
gezeigt, verbindet der Kragen den Boden des eingebetteten Bandes
und die Oberseite der eingebetteten Platte.
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Eine
eingebettete Senke 170, welche Dotierungsmittel des n-Typs umfasst, bspw.
P oder As, ist unterhalb der Oberfläche des Substrats vorhanden. Die
Spitzenkonzentration des Dotierungsmittels in der eingebetteten
n-Senke ist geringfügig
unterhalb des Bodens des Kragens. Die eingebettete Senke, die auch
als "n-Band" bezeichnet wird,
dient dazu, die eingebetteten Platten der DRAM-Zellen in der Anordnung
zu verbinden.
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Eine
flache Grabenisolation (STI) 180 ist vorhanden, um die
DRAM-Zelle gegen andere Zellen und Vorrichtungen zu isolieren. Wie
dies gezeigt ist, ist eine Wortleitung 120 über dem
Graben ausgebildet und gegenüber
diesem durch die STI isoliert. Die Wortleitung 120 wird
als "Durchgangs-Wortleitung" bezeichnet. Eine
solche Konfiguration wird als gefaltete Bitleitungsarchitektur bezeichnet.
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Eine
dielektrische Zwischenschicht 189 ist über den Wortleitungen ausgebildet.
Die dielektrische Zwischenschicht umfasst bspw. dotiertes Silikatglas,
bspw. Borphosphorsilikatglas (BPSG). Andere dotierte Silikatgläser, bspw.
Phosphorsilikatglas (PSG) oder Borsilikatglas (BSG), sind ebenfalls
einsetzbar. Alternativ dazu kann ein undotiertes Silikatglas, bspw.
TEOS, verwendet werden. Eine Leitungsschicht ist über der
dielektrischen Zwischenschicht ausgebildet, welche die Bitleitungen
bildet. Eine Bitleitungs-Kontaktöffnung 186 ist
in der dielektrischen Zwischenschicht vorhanden, um die Source 113 mit der
Bitleitung zu verbinden.
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Die
Aktivierung des Transistors durch Schaffen der geeigneten Spannungen
an der Source und am Gateanschluss ermöglicht es, dass Daten auf den Grabenkondensator
geschrieben oder von diesem ausgelesen werden. Die Source und der
Drain-Anschluss variieren zwischen der Bitleitung und der Kontendiffusion,
in Abhängigkeit
davon, ob eine Auslesung oder ein Beschreiben durchgeführt wurde, und
dem Status der Daten.
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Wie
vorstehend erörtert,
zeigen derartige DRAM-Zellen eine Zunahme des Flusses von Leckstrom
während
des Bereitschaftsmodus. Es wurde entdeckt, dass eine solche Zunahme
des Leckstromes durch die große
Differenz zwischen der p-Senke in Bezug auf die n-Senke der DRAM-Zellen
hervorgerufen wird.
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2 ist eine Darstellung eines
Teiles einer Grabenkondensator-DRAM-Zelle, die den Mechanismus veranschaulicht,
der während
des Bereitschaftsmodus ein Lecken hervorruft. Wie gezeigt ist, umfasst
die Zelle einen Grabenkondensator, der stark dotierte Dotierungsmittel
des n-Typs enthält,
um den Speicherknoten auszubilden und um die Knotendiffusion gegenüber der
eingebetteten Platte zu isolieren. Ein Kragen 268 ist im
oberen Teil des Grabens vorhanden, um die p-Senke gegen den Speicherknoten zu
isolieren. Unterhalb der p-Senke ist eine n-Senke oder ein n-Bandbereich,
der eine eingebettete Platte 265 des Kondensators mit eingebetteten
Platten anderer DRAM-Zellen in der Anordnung verbindet. Zur Veranschaulichung
ist die p-Senke mit –1,0
Volt vorgespannt und die n-Senke ist mit 0,75 Volt vorgespannt.
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Während des
Bereitschaftsmodus, wenn die Zellen nicht aufgefrischt werden, leckt
das dotierte Poly im Graben gegebenenfalls bis hinunter auf das Potential
der p-Senke, das etwa –1,0
Volt beträgt.
Da das n-Band bei etwa 0,75 Volt vorgespannt ist, beträgt somit
das Potential zwischen dem Speicherknoten in Bezug auf das n-Band
etwa 1,75 Volt. Ein solch großes
Differenzial führt
zur schnellen Erzeugung von Eletronen-Lochpaaren im Oberflächen-Verarmungsbereich 291,
was eine Zunahme des Bereitschaftsmodusstromes verursacht.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird ein Bereitschaftsmodus des Betriebes mit verringertem
Stromverbrauch angegeben. Die Verringerung des Stromverbrauchs im
Bereitschaftsmodus wird durch das Ausschalten des Spannungsgenerators
oder der Pumpe, welche(r) die geeignete Spannung für die n-Senke
während
des Bereitschaftsmodus bereitstellt, erreicht. Dies verringert die Spannungsdifferenz
zwischen der p-Senke und der n-Senke.
Für den
vorstehend genannten Fall senkt das Ausschalten des Spannungsgenerators
des n-Bandes die Differenz von 1,75 Volt auf 1,0 Volt ab. Eine solche
Abnahme der Spannungsdifferenz zwischen der p-Senke und dem n-Band
verringert den Leckstrom. Typischerweise wird der Leckstrom um ein
bis zwei Größenordnungen
verringert, in Abhängigkeit
von der Oberflächenzustandsdichte.
Sobald der normale Betriebsmodus wieder aufgenommen wird, wird der
Generator des n-Bandes wieder eingeschaltet.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
wird die Reduzierung des Leckstromes im Betriebsmodus durch Ausschalten
des Generators der p-Senke erreicht, welcher die geeignete Spannung
an die p-Senken anlegt. Auch kann eine weitere Reduktion des Leckstromes
im Bereitschaftsmodus erreicht werden, indem sowohl der Generator
der n-Senke als auch derjenige der p-Senke ausgeschaltet werden.
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Eine Überwachungsschaltung
ist vorhanden, um zu detektieren, ob der Speicher im Bereitschaftsmodus
oder dem normalen Betriebsmodus arbeitet. Wenn sich der Speicher
im Bereitschaftsmodus befindet, wird die Spannungspumpe des n-Bandes an die DRAM-Anordnung
ausgeschaltet. wenn sich der Speicher nicht im Bereitschaftsmodus
befindet, bleibt die Spannungspumpe des n-Bandes eingeschaltet.
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Gemäß einer
Ausführungsform
wird die Bestimmung des Betriebsmodus erreicht, indem die Auffrischungsaktivitäten des
Speichers überwacht werden.
Wie im Stand der Technik bekannt, erfolgt die Auffrischung über verschiedene
Techniken. Bspw. kann eine Auffrischung ausgelöst werden, indem das Reihenadressimpulssignal
(RAS-Signal) in seinen aktiven Zustand gesetzt wird (welcher aktiv niedrig
ist). Andere Auslöser
für die
Auffrischung umfassen ein aktives Spaltenadressimpulssignal (CAS-Signal)
(welches ebenfalls aktiv niedrig ist) vor einer aktiven RAS- oder
CBR-Auffrischung,
welches das Spaltenadressimpulssignal in einen aktiv niedrigen Zustand
setzt, bevor das RAS-Signal in den niedrigen aktiven Zustand übergeht,
und kippt dann das RAS-Signal, damit die Adresse jeder Reihe aufgefrischt
wird. Bei diesen verschiedenen Techniken wird ein aktives RAS-Signal
verwendet, und zwar alleine oder in Kombination mit anderen Signalen,
um die Auffrischung auszulösen.
Bei einer Ausführungsform
der Erfindung wird das RAS-Signal als solches überwacht, um zu bestimmen,
ob sich das System in einmn Bereitschaftsmodus befindet.
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Mit
Bezug auf 3 ist ein
Verfahren zum Betreiben des Speichers gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. In Schritt 310 wird die Auffrischungsaktivität überwacht.
In einer Ausführungsform
wird die Auffrischungsaktivität
unter Verwendung des RAS-Signals überwacht. Wenn keine Auffrischungsaktivität nach einer
vorgegebenen Zeit detektiert wird, wird der Generator des n-Bandes
an der DRAM-Anordnung bei Schritt 320 ausgeschaltet. In
einer Ausführungsform
ist die vorgegebene Zeit größer oder
gleich etwa der maximal zulässigen
Zeit zwischen Auffrischungen. Bei einer anderen Ausführungsform
ist die vorgegebene Zeit größer oder gleich
etwa dem 1,5-fachen der maximal zulässigen Zeit zwischen Auffrischungen.
Wenn innerhalb der vorgegebenen Zeit eine Auffrischung detektiert
wird, wird der Generator des n-Bandes in Schritt 330 in
seinem Normalbetriebszustand gehalten.
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Mit
Bezug auf 4 ist eine Überwachungsschaltung 401 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung angegeben, welche detektiert, ob sich das System im
Bereitschaftsmodus befindet oder nicht. Die Art des Zustandes wird
bestimmt, ja nachdem, ob eine Auffrischung notwendig ist. Wenn eine
Auffrischung notwendig ist, befindet sich der Speicher nicht im
Bereitschaftsmodus und wenn keine Auffrischung notwendig ist, befindet
sich der Speicher im Bereitschaftsmodus. Gemäß einer Ausführungsform wird
die Frage, ob eine Auffrischung nötig ist, durch ein CAS- vor
einem RAS-Signal (CBR-Signal) und einem RAS-Zählersignal (RAS-Zähler) bestimmt.
Ein aktives RAS-Zählersignal
zeigt an, dass keine Auffrischungsaktivität innerhalb der vorgegebenen
Zeit aufgetreten ist.
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Wie
in 4 gezeigt, umfasst
die Überwachungsschaltung 101 ein
NOR-Glied, das CBR- und RAS-Zählersignale
als Eingänge
aufnimmt. Wie gezeigt ist, ist das CBR-Signal ein aktives Hoch-Signal und
das RAS-Zählersignal
ist ein aktives Tief-Signal. Nur ein inaktives CBR-Signal und ein
aktives RAS-Zählersignal
zeigen an, dass der Speicher im Bereitschaftsmodus ist. Als Antwort
auf ein aktives CBR-Signal
und ein inaktives RAS-Zählersignal
erzeugt das NOR-Glied
ein aktives (hoch) Durchlasssignal.
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Das
Durchlasssignal wird in eine Regulierungsschaltung eingespeist.
Die Regulierungsschaltung regelt den Spannungsgenerator an der n-Senke.
Wenn das Durchlasssignal aktiv ist, schaltet die Regulierungsschaltung
den Spannungsgenerator für das
n-Band aus. Wenn andererseits das Durchlasssignal inaktiv ist, wird
der Spannungsgenerator des n-Bandes
gehalten.
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5 zeigt eine veranschaulichende
Darstellung einer Regulierungsschaltung 501. Wie gezeigt
ist, umfasst die Regulierungsschaltung einen ersten Schalter 510,
der den Generator des n-Bandes an der n-Senke der Speicheranordnung 550 regelt,
und einen zweiten Schalter 530, welcher die Erdung (0 Volt)
an der n-Senke der Speicheranordnung regelt. Die ersten und zweiten
Schalter umfassen bspw. Durchlasstransistoren. Ein Inverter ist
mit dem ersten Schalter 520 verbunden. Das Durchlasssignal ist
mit dem Eingang des Inverters und dem Schalter 530 verbunden.
Ein aktives Durchlasssignal entkoppelt den Generator des n- Bandes von der Speicheranordnung
und verbindet die n-Senke mit der Erde. Ein inaktives Durchlasssignal
verbindet den Generator des n-Bandes und mit der Anordnung und entkoppelt
die Erde von der Anordnung.
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Obwohl
die Erfindung insbesondere mit Bezug auf verschiedene Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich,
dass Modifikationen und Änderungen
an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne
den Schutzbereich zu verlassen. Der Schutzbereich der Erfindung
ist deshalb nicht in Bezug auf die obige Beschreibung festzulegen,
sondern in Bezug auf die beigefügten
Ansprüche
zusammen mit dem vollen Schutzbereich ihrer Äquivalente.