DE961314C - Speicherelement aus ferroelektrischen Kondensatoren - Google Patents

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 P_a und in der entgegengesetzten Richtung durch P_b 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)

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