DE961314C - Speicherelement aus ferroelektrischen Kondensatoren - Google Patents
Speicherelement aus ferroelektrischen KondensatorenInfo
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Description
AUSGEGEBEN AM 4. APRIL 1957
19182 IX142 m
Sindelfingen (Württ.)
Ferroelektrische Kondensatoren enthalten dielektrische Materialien, bei denen die Ladungsspeicherung
von der inneren Polarisation anstatt von der Oberflächenaufladung abhängig ist.. Mehrere
solcher Materialien sind bekannt, z.B. Bari umtitanat, Seignettesalz, Kaliumniobat u. a. Diese
Materialien können in Form von Einkristallen oder Keramiken vorliegen, auf welche die leitenden
Überzüge aufgedampft werden, um die Belegungen des Kondensators zu bilden. Ferroelektrieche Kondensatoren
haben zwei stabile Polarisationszustände, die den stabilen Remanenzzuständen magnetischer
Materialien entsprechen und eignen sich daher gut zur Verwendung als binäre Speicherelemente.
Weiterhin wird ihre piezoelektrische Eigenschaft ausgenutzt, wodurch die Dimensionen
in Abhängigkeit von den angelegten Potentialen verändert werden und umgekehrt, so daß eine
Spannung zwischen den Anschlüssen auftritt, wenn das ferroelektrische Material mechanisch gedrückt
wird.
Die Erfindung betrifft ein Speicher- oder Zählerelement für elektrische Rechenmaschinen, welches
ferroelektrische Kondensatoren mit zwei stabilen Polarisationszuständen enthält. Erfindungsgemäß
sind zwei ferroelektrische Kondensatoren derart miteinander verbunden, daß die an einem derselben
auftretenden Ladungen eine mechanische Deformation erzeugen (Piezoefrekt), welche die Polarisationszustände
des anderen Kondensators umkehrt. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß bei Entnahme keine Löschung der entnommenen
Angaben stattfindet.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung und sind in
den Zeichnungen veranschaulicht.
Die Zeichnungen haben folgende Bedeutung: Fig. ι a ist eine Darstellung der Hysteresiskurve
für einen ferroelektrischen Kondensator, wie er in der hier beschriebenen Erfindung verwendet wird;
Fig. ι b ist eine Kurve, die das elektromechanische Verhalten eines Bariumtitanatkristalls zeigt;
Fig. 2 zeigt die Schaltung für die piezoelektrische Abführung eines ferroelektrischen Speicherkondensators
;
ίο Fig. 3 a und 3 b zeigen mechanische Einzelheiten
der Ferroelektrika und ein Gerät, mit welchem sie in Kontakt miteinander und unter Druck montiert
werden können.
Für die in Speichersystemen verwendeten ferroelektrischen Kondensatoren sind Materialien mit
etwa rechteckigen Hysteresiskurven und geringer Koerzitivkraft erwünscht. Die Hysteresiskurve für
einen Bariumtitanatkristall dieser Art ist in Fig. ι a gezeigt, und zwar stellt die senkrechte
Achse die elektrische Verschiebung oder den Grad der Polarisation P und die waagerechte Achse das
angelegte elektrische Feld E dar, welches proportional zu der an die Anschlüsse des Kondensators
angelegten Spannung ist.
Wenn der ferroelektri-sche Kondensator durch
ein elektrisches Feld in der einen oder der anderen Richtung polarisiert ist, bleibt er bei Wegnahme
des Feldes in dem einen oder dem anderen stabilen Polarisationszustand α oder b. Bei der Speicherung
von dualen Angaben ist der Remanenzzustand der Polarisation, der mit b bezeichnet ist, willkürlich
als Darstellung für eine duale Null gewählt worden, und der Remanenzzustand α stellt dann
eine duale Eins dar. Wenn der Kondensator im Zustand b ist, bewirkt ein positives Potential an
einem der Anschlüsse ein Durchlaufen der Hysteresiskurve von Punkt b zu Punkt c. dem
Sättigungszustand, und bei Wegnahme des angelegten elektrischen Feldes wird der Punkt α eingenommen,
in welchem Zustand er bleibt und eine gespeicherte Eins darstellt. Ein an denselben Anschluß
des ferroelektrischen Kondensators angelegter negativer Impuls bewirkt ein Durchlaufen
der Kurve von Punkt α zu Punkt d und schließlich
zu Punkt b, in welchem stabilen Zustand eine Null dargestellt wird.
Wenn ein ferroelektrischer Kondensator anfangs im Zustand b ist, bewirkt ein negativer Impuls eine
Verschiebung von Punkt b zu Punkt d und eine Rückkehr zu Punkt b nach Aufhören des Impulses.
Die Punkte α und b sind stabile Polarisationszustände, und die so dargestellten Angaben bleiben
für eine beträchtliche Zeitdauer gespeichert. In diesen Zuständen besteht kein Feld innerhalb oder
außerhalb des ferroelektrischen Kondensators, und die Polarisationsaufladung ist entgegengesetzt
gleich der Oberflächenaufladung. Daher verändert ein Ladungsfluß durch das Dielektrikum den Polarisationszustand
nicht, und die Klemmen können sogar kurzgeschlossen werden, ohne daß die gespeicherten
Angaben verlorengehen.
Zur Feststellung, in welchem der beiden Zustände α oder b ein Kondensator ist, d. h. welche
der dualen Darstellungen Eins oder Null gespeichert ist, werden in bekannter Weise negative Impulse
angelegt, die den Kondensator veranlassen, von Punkt α zu Punkt d oder von Punkt b zu Punkt ei
zu gehen. Die Neigung der Hysteresiskurve bei der Verschiebung von diesen beiden Zuständen zu
Punkt d ist verschieden, und da die Neigung proportional zu der in dem Ferroelektrikum wirksamen
Kapazität ist, können die beiden Zustände durch Vergleich mit einem Festwertkondensator
unterschieden werden. Die bekannte Abfühlung zerstört jedoch die gespeicherten Angaben, da in
jedem Fall der Kondensator veranlaßt wird, zu Punkt d und schließlich zu b zu gehen, wenn der
negative Entnahmeimpuls beendet ist.
Das Wesen der Erfindung besteht in dem elektromechanischen Verhalten ferroelektrischer Kondensatoren,
da dieses Merkmal die nichtlöschende Bestimmung der Polarisationsrichtung oder der darin
für Angabenspeicherzwecke errichteten dualen Darstellung ermöglicht. Die Anlegung von Potentialen
an die Klemmen eines Bariumtit natkondeusators,
um eine Polarisationsänderung ζ bewirken, verändert auch gleichzeitig die Abmessungen, und
umgekehrt wird bei mechanischer Einwirkung auf das Element eine Spannung zwischen den Anschlußklemmen
erzeugt, deren Polarität durch die 9» Richtung der Polarisation bestimmt ist.
Man kann sagen, daß die einzelnen kristallinen Strukturen eine Vorzugsachse für ihre Polarisationsrichtung
haben, die unter anderem durch die Ionen oder Atome des Kristallgitters erzeugt werden. Ein elektrisches Feld von bestimmter Richtung
kann diese Kräfte so weit verändern, daß die stabile Polarisationsrichtung umgekehrt wird, wie
Fig. ι a zeigt, und zwar von Zustand b in Zustand a
oder umgekehrt.
Bei Materialien geringer kristalliner Anisotropie sind diese Kräfte von verhältnismäßig geringer
Größe und können außerdem durch äußere mechanische Kräfte verändert werden, die auf die Oberflächen
des Kristalls einwirken, um eine Veränderung der Polarisationskomponente P zu erzeugen.
Es hat sich gezeigt, daß die Deformation proportional zum Quadrat der Polarisation ist. Fig. ib
veranschaulicht diese Kurve, und zwar stellt die senkrechte Achse Zz die Deformationskomponente
in der Z-Richtung des Kristalls und die waagerechte Achse den Grad der Polarisation P dar. Die
Polarisation in der einen Richtung ist durch Pa und in der entgegengesetzten Richtung durch Pb
gekennzeichnet, und man sieht aus dieser Abbildung, daß eine Änderung des Polarisationsgrades eine entsprechende Änderung der Dicke des
Kristalls erzeugt. Außerdem kann durch mechanische Einwirkung entweder eine Vergrößerung
oder eine Verkleinerung des Polarisationsgrades erzielt werden, und zwar in Abhängigkeit von der'
Richtung der mechanischen Einwirkung. Nach Aufhören der mechanischen Kräfte kehrt die Polarisation
zu Punkt α oder b zurück, und wegen der rechteckigen Hysteresiskurve werden die dualen
Angaben nicht zerstört.
Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung zeigt ein Anwendungsbeispiel dieses Grundprinzips. Der
Speicherkondensator ist mit F1 und der Abfühlkondensator
mit F2 bezeichnet. Eine Klemme 10 des Kondensators F1 ist durch die Leitung 11 geerdet,
und die andere Klemme 12 ist durch die Leitung 13 mit einer Quelle 14 positiver oder negativer
Schreibimpulse verbunden. Außerdem ist die Klemme 12 mit einem Gatekreis 15 verbunden, der
eine Ausgangsleitung 16 hat. Die Klemme 10 des Speicherkondensators F1 wird in engem Kontakt
mit der Klemme 17 des zweiten Kondensators F2
gehalten durch eine mechanische Druckanordnung, die noch beschrieben wird. 'Eine Klemme 18 ist
über eine Leitung 20 und, den üblichen Kopplungskondensator 21 mit einer Quelle 19 von Abfühlimpulsen
gekoppelt. Die Klemme 18 wird normalerweise auf einem positiven Potential gehalten durch
Verbindung der Leitung 20 über einen Widerstand 22 mit einer Potentialquelle 23, deren negative
Klemme geerdet ist. Der Abfühlimpuls wird außerdem durch eine Leitung 24 an das Gate 15 angelegt,
um dieses zur Entnahmezeit vorzubereiten. Die Einzelheiten der Kondensatoren F1 und F2
und eine Anordnung für ihre Montage in einem Halter sind in Fig. 3 a und 3 b gezeigt. Ein leitender
Überzug 25 aus Aluminium oder einem anderen Metall ist auf jede Oberfläche eines Kristalls aus
Bariumtitanat durch Aufdampfung oder andere geeignete
Verfahren aufgebracht. Die Kristalle sind in einem Halter montiert (Fig. 3 b), wo sie zwischen
Isolierblocks 26 festgehalten und in gegenseitigem Kontakt gehalten werden durch einen von
einer Wendelfeder 27 ausgeübten Druck. Diese Feder wird durch eine Schraube 28 verstellt. Die
Klemmen der Kondensatoren sind mit den Zuleitungen durch Federkontakte, die entsprechend
bezeichnet sind, verbunden.
Gemäß Fig. 2 wird eine duale Null oder Eins im Kondensator F1 gespeichert durch Polarisierung
des Dielektrikums entweder mit einem positiven oder mit einem negativen Sdhreibimpuls E1 von
der Quelle 14, so daß der Kondensator entweder in Punkt b oder in Punkt α seiner Hysteresiskurve
4-5 ist. Der Kondensator F2 wird in seinem Polarisationszustand
α ζ. B. durch das Potential gehalten, das an Klemme 18 durch die konstante Spannungsquelle 23 angelegt ist. Bei der Abfühlung des Kondensators
F1 zur Feststellung, welcher der dualen Zustände gespeichert ist, wird eine Spannung F2
von der Impulsquelle 19 angelegt, und der Kondensator F2 verschiebt seinen Polarisationszustand
von Punkt α zu Punkt b. Die hierdurch erzeugten mechanischen Änderungen wirken jetzt auf den
Kondensator F1 ein, und eine Spannung wird an Klemme 12 erzeugt, die als F3 auf der Ausgangsleitung
16 des Gates 15 erscheint. Dieses ist so vorbereitet,
daß es jetzt den Ausgangsimpuls durchläßt. Wenn Kondensator F1 eine duale Null
speichert, d. h. im Punkt b ist, wird er durch den ausgeübten Druck zum Sättigungspunkt d getrieben,
und es wird eine Spannung—E erzeugt. Wenn er eine binäre Eins speichert, d. ti. im
Punkt α ist, wird er zum Sättigungspunkt c getrieben,
und es wird eine Spannung + E erzeugt. Die Polarität des Ausgangsimpulses hängt daher
von der Richtung der stabilen Polarisation des Kondensators F1 ab, die wiederum von der Polarität
des vorher angelegten Schreibimpulses F1 abhängt. Bei Beendigung des Abfühlimpulses E2
kehrt der Kondensator F2 infolge der von Quelle 23 angelegten Spannung in seinen früheren Zustand
α zurück.
Es ist selbstverständlich, daß der Kondensator F2
seine Hysteresiskurve nicht vollständig zu durchlaufen braucht, sondern daß die Spannung F2 geringer
sein kann als die Spannung der Quelle 23. Die Größe des Ausgangspotentials F3 hängt jedoch
von den relativen Größen der Spannung Eg und der
Spannung von Quelle 23 sowie von der Leistungsfähigkeit der akustischen Kopplung, der piezoelektrischen
Umwandlung und den ferroelektrischen Eigenschaften des verwendeten Bariumtitanats ab.
Weiter sei beachtet, daß die Polarität oder Phase des Ausgangssignals umgekehrt werden kann durch
Verringerung des an den Speicherkondensator F1 angelegten Druckes und durch Veränderung der
Richtung der Sättigung des Polarisationszustandes. In jedem Fall kehren jedoch nach dem Ende des
Abfühlimpulses die Abmessungen der Konden- go satoren F1 und F2 auf dieselben Werte wie vor dem
Abfühlimpuls zurück, und die gespeicherten Angaben werden durch die Entnahme nicht gelöscht.
Außerdem sei bemerkt, daß elementare Bereiche eines großen ferroelektrischen Kristalls für die
Speicherung einer Mehrzahl von dualen Darstellungen verwendet werden können, und jedes Element
einer solchen Matrix kann gleichzeitig abgefühlt werden durch einen auf den Kristall als
Ganzes ausgeübten mechanischen Druck, wird jedoch nur an wahlweisen Adressen abgefühlt, die
so programmgesteuert sind, daß sie gemäß einem vorherbestimmten System zur Erregung einzelner
Gates 15 arbeiten, z. B. des mit dem einzelnen veranschaulichten Speicherelement gezeigten.
Claims (1)
- PATENTANSPRUCH:Speicher- oder Zählerelement für elektrische Rechenmaschinen, bestehend aus ferroelek- no irischen Kondensatoren mit zwei stabilen Polarisationszuständen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei ferroelektrische Kondensatoren (F1 und F2) miteinander verbunden sind und daß die auf einem derselben auftretenden Ladungen eine mechanische Deformation (Piezoeffekt) erzeugen, welche die^ Polarisationszustände des anderen Kondensators umkehrt.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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