KR101674872B1 - 저항성 스위칭 슈미트 트리거들 및 비교기들 - Google Patents

Abstract

저항성 스위칭 엘리먼트는 비휘발성 디지털 슈미트 트리거 회로 또는 비교기 회로에 이용될 수 있다. 슈미트 트리거 회로는 저항성 스위칭 회로 및 리세트 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로는 슈미트 트리거 동작에 적합한 히스테리시스 거동을 제공할 수 있다. 리세트 회로는 저항성 스위칭 회로를 고저항 상태로 리세팅하도록 동작가능할 수 있다. 비교기 회로는 저항성 스위칭 회로, 리세트 회로, 및 임계치 세팅 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트를 포함할 수 있고, 입력 전압을 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 또는 리세트 임계 전압과 비교하는 신호를 제공하도록 동작가능할 수 있다. 임계치 세팅 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 또는 리세트 임계치를 수정하여, 비교기 회로에 대한 기준 전압을 효과적으로 변화시키도록 동작가능할 수 있다.

Description

저항성 스위칭 슈미트 트리거들 및 비교기들{RESISTIVE SWITCHING SCHMITT TRIGGERS AND COMPARATORS}

본 발명은 일반적으로 저항성 스위칭 엘리먼트들에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 저항성 스위칭 엘리먼트들을 갖는 로직 회로들을 형성하기 위한 방법들, 및 이 방법들로부터 발생된 회로들에 관한 것이다.

슈미트 트리거 (Schmitt trigger) 는 히스테리시스 (hysteresis) 를 갖는 비교기 회로이다. 이 회로는 입력이 임계 전압보다 높은 쪽을 통과하여 변화를 트리거링할 때까지 출력이 그의 값을 유지하기 때문에 "트리거" 라고 명명된다. 이 회로는 입력이 보다 낮은 임계 전압을 통과할 때까지 스위칭 백 (switching back) 을 방지하기 위해 네거티브 피드백을 이용하기 때문에 히스테리시스 회로이다.

슈미트 트리거 디바이스들은, 예를 들어, 기계적 스위치 바운스 (mechanical switch bounce) 에 의해 야기되는 신호 노이즈를 없애기 위해, 디지털 회로들에서 이용되는 신호들로부터 노이즈를 제거하도록 개방 루프 구성들에서 이용될 수 있다. 폐쇄 루프 구성들은 또한, 함수 발생기들 및 스위칭 파워 서플라이들에서 이용되는, 오실레이터들과 같은 슈미트 트리거 디바이스들을 이용할 수 있다.

슈미트 트리거들은 비반전 (non-inverting) 하거나 또는 반전할 수 있다. 비반전 슈미트 트리거들에서, 입력이 임계 전압을 넘어서 증가할 때 출력은 보다 높은 값으로 천이 (transition) 한다. 반전 슈미트 트리거들에서, 입력이 임계 전압을 넘어서 증가할 때 출력은 보다 낮은 값으로 천이한다.

도 1a 및 도 1b 는 종래 기술의 비반전 슈미트 트리거 회로의 개략적 거동을 예시한다. 도 1a 는 연산 증폭기 (110) 및 저항기들 (R1 및 R2) 을 포함하는 슈미트 트리거 회로 (100) 를 도시한다. 이들 저항기들에 의해 제공되는 포지티브 피드백은 R1 과 R2 사이의 비례 (proportion) 에 의해 제어되는 히스테리시스를 생성한다. 연산 증폭기 (110) 가 차동 입력을 가지므로, 반전 입력은 기준 포인트 제로 볼트를 이루도록 접지된다.

도 1b 는, 출력 전압 (Vout) 을 입력 전압 (Vin) 의 함수로서 도시한, 비반전 슈미트 트리거 회로 (100) 의 응답 함수를 도시한다. 입력 전압 (Vin) 이 높은 임계치 (T) 를 상회하거나 또는 낮은 임계치 (-T) 를 하회할 때, 출력 전압은 회로 입력 전압과 동일한 부호를 갖는다, 예를 들어, 출력 전압은 각각 M 또는 -M 이다. 회로 입력 전압이 임계치들 (-T 및 T) 사이에 있을 때, 출력 전압 (Vout) 은 마지막 상태에 의존한다, 예를 들어, Vout 은 이전에 Vin > T 인 경우에는 M 이고, Vout 은 이전에 Vin < -T 인 경우에는 -M 이다. 반전 슈미트 트리거들의 경우, 거동은 역으로 된다.

비교기 회로는 2 개의 입력 전압들 또는 전류들을 비교할 수 있고, 어떤 것이 더 큰지를 나타내는 디지털 신호를 출력한다. 따라서, 비교기 회로는 2 개의 아날로그 입력들, 예를 들어, Vin 및 Vref, 및 하나의 바이너리 디지털 출력 (Vout) 을 포함할 수 있다. Vin 이 Vref 보다 더 큰 경우, Vout 은 포지티브이다. Vin 이 Vref 보다 더 작은 경우, Vout 은 제로이다. 비교기 회로는 아날로그-디지털 컨버터 (analog-to-digital converter; ADC) 들 및 오실레이터들에서 이용될 수 있다.

도 9a 및 도 9b 는 종래 기술의 비교기 회로의 개략적 거동을 예시한다. 도 9a 는 연산 증폭기 (910) 및 옵션적 저항기 (R) 를 포함하는 비교기 회로 (900) 를 도시한다. 연산 증폭기 (910) 의 차동 입력은 입력 전압 (Vin) 과 기준 전압 (Vref) 사이의 비교를 제공하는데 이용될 수 있다.

도 9b 는, 출력 전압 (Vout) 을 입력 전압 (Vin) 의 함수로서 도시한, 비교기 회로 (900) 의 응답 함수를 도시한다. 입력 전압 (Vin) 이 기준 전압 (Vref) 보다 더 클 때, 출력 전압은 M 이다. 회로 입력 전압이 기준 전압 (Vref) 보다 더 작을 때, 출력 전압 (Vout) 은 제로이다.

슈미트 트리거 회로 및 비교기 회로는 트랜지스터 디바이스들에 관련된 이슈들을 가질 수 있는 트랜지스터 기반 로직 컴포넌트들을 이용하여 구현된다. 그에 따라, 진보된 디바이스들에 대한 설계 기준들을 충족시킬 수 있는 슈미트 트리거 및 비교기 회로들에 대한 필요성이 존재한다.

일부 실시형태들에서, 슈미트 트리거 회로들을 형성하기 위한 방법들 및 회로들이 제공된다. 슈미트 트리거 회로들은 저항성 스위칭 엘리먼트를 포함할 수 있고, 그의 저항은, 슈미트 트리거의 것과 유사한, 비휘발성 히스테리시스 거동을 가질 수 있다. 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항은 입력 전압이 증가하고 감소할 때 세팅 및 리세팅될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 슈미트 트리거 회로는 저항성 스위칭 회로 및 컨버터 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트 및 전류 제어 디바이스를 포함할 수 있다. 전류 제어 디바이스는 저항성 스위칭 엘리먼트를 통한 전류를 제어하기 위해 이용될 수 있다. 입력 전압이 저항성 스위칭 엘리먼트의 하나의 단자에 인가되어 저항 히스테리시스 곡선을 발생시킬 수 있다. 출력 전압이 저항성 스위칭 엘리먼트의 다른 단자로부터 발생되어, 저항 히스테리시스 곡선을 전압 히스테리시스 곡선으로 컨버팅할 수 있다.

일부 실시형태들에서, 컨버터 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 값을 원하는 출력 신호로 컨버팅하도록 동작가능할 수 있다. 예를 들어, 컨버터 회로는, 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항에 대응되는 출력 전압을 발생시키기 위해 저항성 스위칭 엘리먼트를 통과할 수 있는 전류 소스를 포함할 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 저항성 스위칭 회로와 컨버터 회로 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 스위칭하도록 옵션적 토글 회로가 포함될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 세트 (set) 동작에 기초하여 비교기 회로들을 형성하기 위한 방법들 및 회로들이 제공된다. 비교기 회로들은, 인가된 전압, 예를 들어, 입력 전압이 세트 임계 전압, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항을 낮은 상태로 천이시킬 수 있는 전압보다 크기에 있어서 더 클 때 저항을 변화시킬 수 있는 저항성 스위칭 엘리먼트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항은 입력 전압 (저항성 스위칭 엘리먼트에 인가된 전압) 이 기준 전압 (저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 임계 전압) 보다 더 클 때 낮은 값으로 변화할 수 있다.

일부 실시형태들에서, 비교기 회로는 저항성 스위칭 회로, 리세트 (reset) 회로, 및 임계치 세팅 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트 및 전류 제어 디바이스를 포함할 수 있다. 전류 제어 디바이스는 저항성 스위칭 엘리먼트를 통한 전류를 제어하기 위해 이용될 수 있다. 입력 전압이 저항성 스위칭 엘리먼트의 하나의 단자에 인가되어 저항 스위칭 특성을 발생시킬 수 있다. 출력 전압이 저항성 스위칭 엘리먼트의 다른 단자로부터 발생되어, 저항 스위칭 거동 곡선을 전압 스위칭 곡선으로 컨버팅할 수 있다.

일부 실시형태들에서, 리세트 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 값을 고저항 상태로 리세팅하도록 동작가능할 수 있다. 고저항 상태는, 예를 들어, 인가된 전압이 세트 임계 전압보다 더 클 때 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항을 저저항 상태로 천이하게 하는, 저항 스위칭 거동에 대한 베이스 라인으로서 기능할 수 있다.

일부 실시형태들에서, 임계치 세팅 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 임계 전압을 세팅하도록 동작가능할 수 있다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 임계 전압은, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트의 제조 프로세스들 및 재료들에 따른, 저항성 스위칭 엘리먼트의 속성들의 함수일 수 있다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 임계 전압은 또한 이전 리세트 동작에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 임계치 세팅 회로는, 본질적으로 비교기의 기준 전압인, 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 임계 전압을 변조하도록 구성될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 저항성 스위칭 회로, 리세트 회로, 및 임계치 세팅 회로 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 스위칭하도록 옵션적 토글 회로가 포함될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 리세트 동작에 기초하여 비교기 회로들을 형성하기 위한 방법들 및 회로들이 제공된다. 비교기 회로들은, 인가된 전압, 예를 들어, 입력 전압이 리세트 임계 전압, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항을 높은 상태로 천이시킬 수 있는 전압보다 크기에 있어서 더 클 때 저항을 변화시킬 수 있는 저항성 스위칭 엘리먼트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항은 입력 전압 (저항성 스위칭 엘리먼트에 인가된 전압) 이 기준 전압 (저항성 스위칭 엘리먼트의 리세트 임계 전압) 보다 더 클 때 높은 값으로 변화할 수 있다.

일부 실시형태들에서, 비교기 회로는 저항성 스위칭 회로, 리세트 회로, 컨버터 회로, 및 임계치 세팅 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트 및 전류 제어 디바이스를 포함할 수 있다. 전류 제어 디바이스는 저항성 스위칭 엘리먼트를 통한 전류를 제어하기 위해 이용될 수 있다. 입력 전압이 저항성 스위칭 엘리먼트의 하나의 단자에 인가되어 저항 스위칭 특성을 발생시킬 수 있다.

일부 실시형태들에서, 컨버터 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 값을 원하는 출력 신호로 컨버팅하도록 동작가능할 수 있다. 예를 들어, 컨버터 회로는, 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항에 대응되는 출력 전압을 발생시키기 위해 저항성 스위칭 엘리먼트를 통과할 수 있는 전류 소스를 포함할 수도 있다. 따라서, 출력 전압이 발생되어, 저항 스위칭 거동 곡선을 전압 스위칭 곡선으로 컨버팅할 수 있다.

일부 실시형태들에서, 리세트 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 값을 저저항 상태로 리세팅하도록 동작가능할 수 있다. 저저항 상태는, 예를 들어, 인가된 전압이 리세트 임계 전압보다 더 클 때 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항을 고저항 상태로 천이하게 하는, 저항 스위칭 거동에 대한 베이스 라인으로서 기능할 수 있다.

일부 실시형태들에서, 임계치 세팅 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 리세트 임계 전압을 세팅하도록 동작가능할 수 있다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 리세트 임계 전압은, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트의 제조 프로세스들 및 재료들에 따른, 저항성 스위칭 엘리먼트의 속성들의 함수일 수 있다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 리세트 임계 전압은 또한 이전 세트 동작에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 임계치 세팅 회로는, 본질적으로 비교기의 기준 전압인, 저항성 스위칭 엘리먼트의 리세트 임계 전압을 변조하도록 구성될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 저항성 스위칭 회로, 리세트 회로, 컨버터 회로, 및 임계치 세팅 회로 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 스위칭하도록 옵션적 토글 회로가 포함될 수 있다.

이해를 용이하게 하기 위해, 도면들에서 공통적인 동일한 엘리먼트들을 지정하기 위해 가능한 곳에 동일한 참조 부호들이 사용되었다. 도면들은 일정한 비율이 아니고, 도면들에서 다양한 엘리먼트들의 상대적인 치수들이 개략적으로 도시되며 반드시 일정한 비율이어야 하는 것은 아니다.
본 발명의 기법들은 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 고려함으로써 쉽게 이해될 수 있다.
도 1a 및 도 1b 는 종래 기술의 비반전 슈미트 트리거 회로의 개략적 거동을 예시한다.
도 2 는 일부 실시형태들에 따른 ReRAM 셀에 인가되는 전압의 함수로서 바이폴라 ReRAM 셀을 통과하는 전류의 플롯 (plot) 을 예시한다.
도 3a 내지 도 3c 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트의 히스테리시스 거동들을 예시한다.
도 4(a) 내지 도 4(c) 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 슈미트 트리거 회로의 개략적 다이어그램들을 예시한다.
도 5a 및 도 5b 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 슈미트 트리거 회로를 형성하고 동작시키기 위한 플로우차트들을 예시한다.
도 6a 내지 도 6c 는 일부 실시형태들에 따른 컨버터 회로들을 갖는 비휘발성 슈미트 트리거 회로의 개략적 다이어그램들을 예시한다.
도 7a 및 도 7b 는 일부 실시형태들에 따른 비휘발성 슈미트 트리거 회로의 응답들을 예시한다.
도 8a 및 도 8b 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 슈미트 트리거 회로를 형성하고 동작시키기 위한 플로우차트들을 예시한다.
도 9a 및 도 9b 는 종래 기술의 비교기 회로의 개략적 거동을 예시한다.
도 10 은 일부 실시형태들에 따른 ReRAM 셀에 인가되는 전압의 함수로서 유니폴라 ReRAM 셀을 통과하는 전류의 플롯을 예시한다.
도 11a 및 도 11b 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트의 비교기 거동들을 예시한다.
도 12(a) 내지 도 12(c) 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비교기 회로의 개략적 다이어그램들을 예시한다.
도 13(a) 내지 도 13(c) 는 일부 실시형태들에 따른 리세트 회로들을 갖는 비휘발성 비교기 회로의 개략적 다이어그램들을 예시한다.
도 14a 및 도 14b 는 일부 실시형태들에 따른 비휘발성 비교기 회로의 응답들을 예시한다.
도 15a 및 도 15b 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 비교기 회로를 형성하고 동작시키기 위한 플로우차트들을 예시한다.
도 16a 및 도 16b 는 일부 실시형태들에 따른 리세트 및 임계치 세팅 회로들을 갖는 비휘발성 비교기 회로의 개략적 다이어그램들을 예시한다.
도 17 은 일부 실시형태들에 따른 비휘발성 비교기 회로의 응답들을 예시한다.
도 18a 및 도 18b 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 비교기 회로를 형성하고 동작시키기 위한 플로우차트들을 예시한다.
도 19a 및 도 19b 는 일부 실시형태들에 따른 비휘발성 비교기 회로의 응답들을 예시한다.
도 20a 및 도 20b 는 일부 실시형태들에 따른 리세트 및 컨버터 회로들을 갖는 비휘발성 비교기 회로의 개략적 다이어그램들을 예시한다.
도 21a 및 도 21b 는 일부 실시형태들에 따른 비휘발성 비교기 회로의 응답들을 예시한다.
도 22a 및 도 22b 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 비교기 회로를 형성하고 동작시키기 위한 플로우차트들을 예시한다.
도 23a 및 도 23b 는 일부 실시형태들에 따른 리세트, 컨버터, 및 임계치 세팅 회로들을 갖는 비휘발성 비교기 회로의 개략적 다이어그램들을 예시한다.
도 24 는 일부 실시형태들에 따른 비휘발성 비교기 회로의 응답들을 예시한다.
도 25a 및 도 25b 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 비교기 회로를 형성하고 동작시키기 위한 플로우차트들을 예시한다.

하나 이상의 실시형태들의 상세한 설명이 첨부 도면들과 함께 아래에 제공된다. 상세한 설명은 그러한 실시형태들과 관련되어 제공되지만, 임의의 특정 예로 제한되지 않는다. 그 범위는 오직 청구항들에 의해서만 제한되고 수많은 대안들, 수정들, 및 등가물들이 포함된다. 완전한 이해를 제공하기 위해 수많은 특정 상세들이 다음의 설명에 제시된다. 이들 상세들은 예시를 목적으로 제공되고, 설명된 기법들은 이들 특정 상세들의 일부 또는 전부 없이 청구항들에 따라 실시될 수도 있다. 명확성을 목적으로, 실시형태들에 관련된 기술 분야들에 알려진 기술 자료는 그 설명을 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 상세히 설명되지 않았다.

일부 실시형태들에서, 저항성 스위칭 엘리먼트가 신호에 대한 히스테리시스 (hysteresis) 컴포넌트로서 동작가능할 수 있는 슈미트 트리거 (Schmitt trigger) 회로들을 형성하기 위한 방법들, 이 방법들로부터 발생된 슈미트 트리거 회로들이 제공된다. 예를 들어, 슈미트 트리거 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항을 세팅하기 위해 입력 신호를 이용할 수 있다. 저항성 스위칭 엘리먼트가 세트 (set) 및 리세트 (reset) 전압들에서 상태들을 스위칭하므로, 저항-전압 곡선은 종래의 슈미트 트리거 회로의 히스테리시스 곡선과 유사한 히스테리시스 곡선을 나타낸다.

일부 실시형태들에서, 슈미트 트리거 회로는 저항성 스위칭 회로 및 컨버터 회로를 포함할 수 있다. 컨버터 회로는 저항성 스위칭 회로의 저항 히스테리시스 곡선을 전압 (또는 전류) 히스테리시스 곡선으로 컨버팅하도록 동작가능할 수 있다. 예를 들어, 컨버터 회로는, 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항에 대응되는 출력 전압을 발생시키기 위해 저항성 스위칭 엘리먼트를 통과할 수 있는 전류 소스를 포함할 수도 있다. 컨버터 회로는 비반전 (non-inverting) 또는 반전 슈미트 트리거 회로를 발생시키도록 구성될 수 있다.

저항성 스위칭 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트 및 옵션적 전류 제어 디바이스를 포함할 수 있다. 전류 제어 디바이스는 저항기, 트랜지스터, 또는 다른 회로 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 전류 제어 디바이스는 저항성 스위칭 엘리먼트를 통한 전류를 제어하도록 동작가능할 수 있다. 예를 들어, 전류 제어 디바이스는 저항성 스위칭 엘리먼트와 직렬로 연결될 수 있어서, 그에 따라 전류 제어 디바이스를 통한 전류를 제어함으로써, 저항성 스위칭 엘리먼트를 통한 전류가 규제된다. 일부 실시형태들에서, 전류 제어 디바이스는, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트를 통한 전류가 저항성 스위칭 엘리먼트의 내부 저항에 의해 제한될 수 있는 경우, 생략될 수 있다.

통상적인 동작에서, 입력 전압이 저항성 스위칭 엘리먼트에 인가되어 저항 히스테리시스 곡선을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 저항 히스테리시스 곡선을 전압 히스테리시스 곡선으로 컨버팅하는 컨버터 회로에 의해, 출력 전압이 저항성 스위칭 엘리먼트로부터 발생될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 저항성 스위칭 회로 (예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트를 입력 전압에 커플링하여 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항을 세팅하기 위함) 와 컨버터 회로 (예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항으로부터 출력 전압과 같은 원하는 출력 신호를 발생시키기 위함) 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 스위칭하기 위해 토글 회로가 포함될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 토글 동작은 저항성 스위칭 회로와 컨버터 회로 사이에서 순환적일 수 있다, 예를 들어, 주기적으로 스위칭하고 있을 수 있다. 예를 들어, 토글 회로는 입력 전압에 대한 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 유발하기 위해 제 1 포지션으로 토글링할 수 있다. 제 1 입력 전압은 저항성 스위칭 엘리먼트에 인가되어, 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항을 세팅할 수 있다. 예를 들어, 입력 전압이 세트 전압 미만인 경우, 저항성 스위칭 엘리먼트는 그의 고저항 상태로 남아있는다. 입력 전압이 세트 전압보다 더 높은 경우, 저항성 스위칭 엘리먼트는 그의 고저항 상태로 스위칭한다.

토글 회로는 컨버터 회로에 대한 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 유발하기 위해 제 2 포지션으로 토글링할 수 있다. 컨버터 회로로부터의 전압 또는 전류는 저항성 스위칭 엘리먼트에 인가되어, 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항 값에 대응되는 전류 또는 전압을 발생시킬 수 있다.

토글 회로는 새로운 입력 전압에 따라 저항성 스위칭 엘리먼트를 세팅하기 위해, 제 1 포지션으로 다시 토글링할 수 있다. 토글 동작은, 입력 전압에 대한 슈미트 트리거 전달 함수를 갖는 출력 전압을 발생시키기 위해 반복될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 본 발명은 저항성 스위칭 재료들의 이용을 비휘발성 메모리 디바이스들에의 잘 알려진 적용을 넘어서 확장시키고, 저항성 스위칭 재료들을 하이브리드 트랜지스터-저항성 스위칭 로직 회로들의 구현에 적용한다. 실제 하이브리드 트랜지스터-저항성 스위칭 전자장치의 구현을 향한 기본적인 빌딩 블록을 표현할 수 있는 저항성 스위칭 슈미트 트리거 회로들을 형성하기 위한 방법들이 제공된다.

일부 실시형태들에서, 본 슈미트 트리거 회로는 (아날로그의 종래의 슈미트 트리거와는 대조적으로) 디지털 디바이스이고, 이는 디지털 방식으로 저항 곡선 또는 출력 전압 곡선을 발생시킨다. 다시 말해, 저항을 세팅하기 위한 입력 값을 얻고 출력 전압을 발생시키는 순환 동작으로부터 출력 저항 또는 전압이 펄싱된다 (pulsed), 예를 들어, 토글링된다. 입력 전압은 디지털로서, 예를 들어, 펄싱될 수 있고, 또는 아날로그로서, 예를 들어, 연속적일 수 있다.

본 슈미트 트리거 회로는 외부 기준 전압에 대한 필요성을 없앨 수 있는데, 이는 저항성 스위칭 엘리먼트의 저-저항-상태 (low-resistance-state; LRS) 및 고-저항-상태 (high-resistance-state; HRS) 에 대한 임계치가 그 트리거 회로의 임계치들이기 때문이다. 본 슈미트 트리거 회로는 종래의 슈미트 트리거에 비하면 콤팩트한 구조를 가질 수 있다. 본 슈미트 트리거 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트에 대한 극성을 변화시키는 것에 의해, 또는 컨버터 회로의 극성을 변화시키는 것에 의해 반전 또는 비반전이도록 설계될 수 있다. 본 슈미트 트리거 회로는 비휘발성일 수 있다, 예를 들어, 비휘발성인 저항 변화들에서 정보가 저장된다.

저항성 스위칭 엘리먼트의 비휘발성 거동은 비휘발성 디지털 슈미트 트리거 회로들, 예를 들어, 히스테리시스 컴포넌트들로서 저항성 스위칭 엘리먼트들을 이용하는 슈미트 트리거 회로들의 구현을 가능하게 할 수 있다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 거동을 설명하기 위해, 그리고 샘플 및 홀드 회로에의 저항성 스위칭 엘리먼트의 포함의 이해를 가능하게 하기 위해, 저항성 메모리 디바이스의 맥락에서, 저항성 스위칭 엘리먼트의 설명이 아래에 제공된다.

저항성 스위칭 특성들을 나타내는 저항성 스위칭 랜덤 액세스 메모리 (ReRAM) 셀은 일반적으로 스택 내에 형성된 다수의 층들을 포함한다. 이 스택의 구조는 때때로 금속-절연체-금속 (Metal-Insulator-Metal; MIM) 구조로서 설명된다. 구체적으로는, 스택은 전극들로서 동작하는 2 개의 전도성 층들을 포함한다. 이들 층들은 금속들 및/또는 다른 전도성 재료들을 포함할 수도 있다. 스택은 또한 전극들 사이에 배치된 절연체 층을 포함한다. 절연체 층은 이 층을 형성하는 재료의 상이한 저항성 상태들에 의해 특성화되는 저항성 스위칭 속성들을 나타낸다. 이와 같이, 이 절연체 층은 종종 저항성 스위칭 층이라고 지칭된다. 이들 저항성 상태들은 정보의 하나 이상의 비트들을 표현하기 위해 이용될 수도 있다. 절연체 층의 저항 스위칭 속성들은 이 층 내측의 다양한 디펙트 (defect) 들의 존재 및 분포에 의존하는 것으로 여겨진다. 예를 들어, 이 층에서의 산소 공공 (oxygen vacancy) 들의 상이한 분포는 이 층의 상이한 저항 상태들을 반영할 수도 있고, 이들 상태들은 메모리 애플리케이션에 대해 충분히 안정적일 수도 있다.

저항 스위칭 층에서의 디펙트들의 소정 농도를 달성하기 위해, 이 층은 디펙트들이 층에 이미 존재하는 채로, 즉, 디펙트들이 수행된 채로 관습적으로 퇴적되었다. 다시 말해, 디펙트들은 층 내에 그의 형성 동안 도입된다. 예를 들어, 엄격하게 제어되는 원자 층 퇴적 (Atomic Layer Deposition; ALD), 물리 기상 증착 (Physical Vapor Deposition; PVD), 또는 백 엔드 오브 라인 (Back End of Line; BEOL) 열적 버짓 (thermal budget) 내에 남아있게 하기 위한 일부 다른 저온 프로세스는 스택의 절연체 층을 퇴적시키기 위해 이용될 수도 있다. 특히 매우 얇은 저항 스위칭 층들 (예를 들어, 100 옹스트롬 미만) 에서 이들 디펙트들의 형성을 정밀하게 그리고 반복적으로 제어하는 것이 어려울 수도 있다. 예를 들어, ALD 가 저항 스위칭 층들을 형성하는데 이용될 때, 일부의 반응하지 않는 전구체들은 퇴적 층들의 저항 특성들에 영향을 주는 탄소-함유 잔류물들을 남길 수도 있다. 더욱이, 조금이라도 가능하다면 정밀한 부분 포화를 반복적으로 달성하는 것은 매우 어려울 수도 있다. PVD 의 경우, 스퍼터링 타깃들이 마모되기 쉬워서 퇴적 레이트들에 영향을 미치고 결과적인 저항 스위칭 층들에 변동을 일으킨다.

비휘발성 메모리 엘리먼트들을 형성하는 방법들은 스택들의 어닐링 동안 산소를 (저항 스위칭 층들을 형성하는데 이용되거나 또는, 더 구체적으로는, 저항 스위칭 층들로 컨버팅되는) 전구체 층들로부터 전극들로 전달하는 것을 수반할 수 있다. 어닐링 환경은 어닐링된 구조 내의 산소의 분포를 제어하기 위해 얼마간의 수소를 포함할 수도 있다.

위에서 진술된 바와 같이, 전구체 층으로부터 전극으로의 산소 확산은 전구체 층을 저항 스위칭 층으로 컨버팅한다. 전구체 층은 산소 공공들 또는 일부 다른 디펙트들이 그 층 내에 형성될 때까지 저항 스위칭 층으로서 기능할 수 없는 화학량적 산화물 또는 근사-화학량론적 산화물을 포함할 수도 있다. 이 산화물의 금속은 전구체 레벨 밖으로 확산되는 산소를 트래핑하는데 이용되는 전극의 금속보다 더 음전성 (electronegative) 일 수도 있다. 전극은 적어도 산소 전달에 앞서 실질적으로 어떠한 산소도 갖고 있지 않을 수도 있지만 어닐링 동안 산화물을 형성할 수도 있다.

스택은 어닐링 동안 얼마간의 산소를 수용하는 반응성 (reactive) 전극, 및 일반적으로 산소 전달에 관여하지 않는 비활성 (inert) 전극을 가질 수도 있다. 비활성 전극은 내산소성 (oxygen-resistant) 전극이라고 지칭될 수도 있고, 타이타늄 나이트라이드, 탄탈룸 나이트라이드, 백금, 금 등으로 이루어질 수 있다. 비활성 전극들에 대한 다른 적합한 재료들은 이리듐 산화물 및 루테늄 산화물과 같은 다양한 전도성 산화물을 포함한다. 일부 실시형태들에서, 비활성 전극은 저항 스위칭 층에 대면하는 산화물 서브-층을 포함한다. 전극의 나머지는 이 산화물의 금속에 의해 형성될 수도 있고 일반적으로 산소가 없을 수도 있다. 예를 들어, 초기 구조는 금속으로 제조되고 그 후에 전처리되어 산화물 층을 형성하여 비활성 전극을 발생시킬 수도 있다. 이 전극은 그 후에 전구체 층 및 그 전구체 층 위에 형성되는 다른 반응성 전극을 수용한다. 후속 어닐링 동안, 비활성 전극은 어떠한 상당한 산소 전달도 경험하지 못하지만, 반응성 전극은 전구체 층으로부터의 산소를 수용하여 이 전구체 층이 산소를 유실 (lose) 함에 따라 저항성 스위칭 산화물 층으로 컨버팅된다.

보호 산화물 층을 갖는 비활성 전극이 스택에서 첫 번째로 형성된 전극 (즉, 하부 전극) 이라면, 그 비활성 전극은 금속 층으로서 첫 번째로 퇴적될 수 있고 그 다음에 산소에서의 짧은 저온 어닐이 후속한다. 한편, 비활성 전극이 스택에서 형성된 마지막 전극 (즉, 상부 전극) 이라면, 그의 퇴적은 산소 환경 (예를 들어, 산소-함유 플라즈마에서의 스퍼터링) 에서 개시되어 초기 산화물 서브-층을 형성하고 그 다음에 비활성 환경에서의 퇴적이 후속하여 전극의 나머지 금속 (그리고 산소가 없는) 부분을 형성할 수 있다.

반응성 전극은 산소와 반응하여 비전도성 산화물을 형성하는 재료로 이루어질 수 있다. 적합한 재료들의 일부 예들로는 알루미늄, 티타늄, 탄탈룸, 크로뮴, 프라세오디뮴, 몰리브덴, 텅스텐, 및 니오븀을 포함한다.

전구체 층은 탄탈룸 산화물 (Ta2O5), 니오븀 산화물 (Nb2O5), 티타늄 산화물 (TiO2), 하프늄 산화물 (HfO2), 스트론튬 티타네이트 (SrTiO3), 또는 다른 적합한 천이 (transition) 금속 산화물들, 페로브스카이트 망가나이트들, 또는 희토류 산화물들과 같은 재료들로 이루어질 수도 있다. 전구체 층은 화학량론적 산화물 또는 근사-화학량론적 산화물을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 전구체 층에서의 산소 공공들은 그의 어닐링에 앞서 0.1 원자 퍼센트 미만의 농도를 가질 수도 있다.

하나의 전극만을 포함하는 부분적으로 형성된 스택 (제 2 전극은 어닐링 후에 형성됨) 또는 전구체 층 및 2 개의 전극들을 포함하는 완전히 형성된 스택 상에서 어닐링이 수행될 수도 있다. 다른 타입들의 층들이 또한 이들 스택들에 존재할 수도 있다. 위에서 진술된 바와 같이, 하나 이상의 반응성 층들과 전구체 층 사이의 산소 확산을 통해 더 나은 제어를 달성하기 위해 비교적 온화한 조건들에서 어닐링이 수행되었다. 어닐링은 전구체 층에서의 산소 공공들의 그레이딩된 (graded) 조성을 형성할 수도 있다.

저항성 스위칭 층은 아래에 추가로 설명되는 바와 같이 소정의 스위칭 전압 (예를 들어, 세트 전압 또는 리세트 전압) 이 이 층에 인가될 때 그의 저항성 상태를 변화시킨다. 인가된 전압은 층 내에서 및/또는 다른 컴포넌트들과의 그의 계면들 중 하나 또는 양쪽에서 국소화된 가열을 야기시킨다. 임의의 특정 이론으로 한정되는 일 없이, 전기장과 국소화된 가열 (이들 양쪽이 인가된 전압에 의해 생성됨) 의 조합이 저항성 스위칭 층 내에서 및/또는 그의 계면들에서 다양한 전도성 경로들의 형성 및 파단 (breakage) 을 야기시키는 것으로 여겨진다. 저항성 스위칭 층 내에서 그리고 저항성 스위칭 층이 인접한 층들과 형성하는 하나 이상의 계면들을 통해 디펙트들 (예를 들어, 산소 공공들) 을 이동시키는 것에 의해 이들 전도성 경로들이 확립 및 파단될 수도 있다.

계면들은 비활성 계면들 또는 반응성 계면들일 수 있다. 비활성 계면은 일반적으로 이 계면을 통한 어떠한 실질적인 디펙트 전달도 갖지 않는다. 디펙트들이 이 계면을 형성하는 하나의 또는 양쪽의 층들 내에 존재할 수도 있지만, 이들 디펙트들은 스위칭할 때, 판독할 때, 또는 다른 타입들의 전압들이 ReRAM 셀에 인가될 때 비활성 계면을 통해 교환되지 않는다. 반응성 계면은 일반적으로 이 계면을 통한 디펙트들의 전달을 경험한다. 저항성 스위칭 층이 금속 산화물들과 같은 산소 함유 재료를 포함할 때, 반응성 계면은 티타늄과 같은 산소 반응성 재료에 의해 형성된다. 비활성 계면은, 확산 배리어 층 또는 전극의 일 부분일 수도 있는, 산소 반응성이 없는 재료에 의해 형성될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 반응성 계면을 통한 디펙트들의 플럭스 (flux) 는 비활성 계면을 통한 디펙트들의 플럭스보다 2 이상의 자릿수가 더 크다. 이와 같이, "비활성" 및 "반응성" 명명 규칙은 상대적이다.

비활성 계면은 저항성 스위칭 층에 대한 제어를 제공하지만 디펙트들은 반응성 계면을 통해 저항성 스위칭 층 내로 그리고 그 밖으로 이동된다. 예를 들어, 스위칭 전압이 저항성 스위칭 층에 인가되어 그의 저항을 감소시킬 때, 반응성 계면은 디펙트들이 그 층 내로 유동하게 한다. 디펙트들은 통상적으로, 층에 인가된 전기 전위에 의해 드라이빙되고, 층을 통해 전도성 경로들을 형성한다. 이 유동의 방향은 스위칭 전압의 극성에 의해 및/또는 디펙트들 (예를 들어, 포지티브 하전된 산소 공공들) 의 전기 전하에 의해 결정될 수도 있다. 동시에, 제 2 비활성 계면은 드라이빙 전위에도 불구하고 디펙트들이 층을 탈출하는 것을 막는다. 양쪽 계면들이 반응성이고 디펙트들을 통과하게 한다면, 저항성 스위칭 층은 하나의 계면에서 디펙트들을 얻고 다른 계면에서 잃을 수도 있다. 이 상황에서, 이 층은 전도성 경로들을 형성하기에 충분한 디펙트들을 얻는 것이 전혀 가능하지 않을 수도 있다.

위의 시나리오는 저항성 스위칭 층이 그의 고저항 상태로 오게 하는 리세팅 동작과 매우 유사한 방식으로 적용가능하다. 스위칭 전압이 층에 인가되어 층의 저항을 증가시킬 때, 반응성 계면은 디펙트들을 층 밖으로 유동하게 한다. 디펙트들은 또한 상술된 바와 같이 층에 인가된 전기 전위에 의해 드라이빙될 수도 있다. 디펙트들의 유실은 층에서의 전도성 경로들을 결국 파단시킬 수도 있다. 동시에, 제 2 비활성 계면은 드라이빙 전위에도 불구하고 디펙트들이 층에 진입하는 것을 막는다. 양쪽 계면들이 반응성이고 리세팅 동작 동안 디펙트들을 통과하게 한다면, 저항성 스위칭 층은 하나의 계면에서 디펙트들을 얻고 다른 계면에서 잃을 수도 있다. 이 상황에서, 이 층은 전도성 경로들을 파단시키기 위해 충분한 디펙트들을 유실하는 것이 전혀 가능하지 않을 수도 있다.

(비활성 계면에서처럼) 디펙트들을 차단하거나 또는 (반응성 계면에서처럼) 디펙트들을 계면을 통해 확산하게 하는 계면의 능력은 저항성 스위칭 층과 함께 이 계면을 형성하는 층의 속성들에 의존한다. 종종 전도성 전극들은 반응성 및 비활성 계면들 양쪽을 형성하는데 이용된다. 이들 전극들은 반응성 및 비활성 전극들이라고 지칭될 수도 있고 이들 전극들을 형성하는데 이용되는 재료들은 반응성 및 비활성 재료들이라고 지칭될 수도 있다. 이 전문용어 (즉, 반응성 및 비활성) 는 계면들의 디펙트 이동성 속성들을 주로 지칭한다는 것에 주목되어야 한다. 비활성 전극 재료들의 일부 예들로는 도핑된 폴리실리콘, 백금, 루테늄, 루테늄 산화물, 금, 이리듐, 구리들, 은, 및 텅스텐을 포함한다. 반응성 전극 재료들의 예들로는 티타늄을 포함한다. 더욱이, 일부 재료들은 탄탈룸 나이트라이드, 탄탈룸 실리콘 나이트라이드, 및 텅스텐 실리콘 나이트라이드를 포함하는 반-비활성 (semi-inert) 으로서 정의될 수도 있다. 금속 산화물들과 같은 산소 함유 저항성 스위칭 재료들의 맥락에서, 산소 또는 산소 공공들이 반응성 계면을 통해 교환되기 때문에 반응성 재료들은 또한 산소 반응 재료들이라고 지칭될 수도 있다. 티타늄은 산소 반응성 재료들의 하나의 예이지만, 다른 예들이 또한 사용될 수도 있다.

아래에 추가로 설명되는 비휘발성 메모리 엘리먼트들을 형성하는 방법들과 연관된 다양한 피처들 및 구조들의 더 나은 이해를 위해 ReRAM 셀들 및 이들의 스위칭 메커니즘들의 간략한 설명이 제공된다. ReRAM 은 저항성 스위칭 특성들을 나타내는 유전체 재료를 포함하는 비휘발성 메모리 타입이다. 보통은 절연체인 유전체는, 충분히 높은 전압의 인가 후에 형성되는 하나 이상의 필라멘트들 또는 전도 경로들을 통해 전도하도록 이루어질 수 있다. 전도 경로 형성은 디펙트들, 금속 이동을 포함하는 상이한 메커니즘들, 및 아래에 추가로 설명되는 다른 메커니즘들로부터 일어날 수 있다. 일단 하나 이상의 필라멘트들 또는 전도 경로들이 메모리 디바이스의 유전체 컴포넌트에 형성된다면, 이들 필라멘트들 또는 전도 경로들은 소정 전압들을 인가하는 것에 의해 리세팅 (또는 파단되어 고저항을 발생시킴) 또는 세팅 (또는 재형성되어 보다 낮은 저항을 발생시킴) 될 수도 있다. 임의의 특정 이론으로 한정되는 일 없이, 저항성 스위칭은 저항성 스위칭 층 내의, 그리고, 일부 실시형태들에서는, 스위칭 전압이 그 층에 인가될 때, 저항성 스위칭 전압에 의해 형성된 하나의 계면에 걸친, 디펙트들의 이동에 대응하는 것으로 여겨진다.

도 2 는 일부 실시형태들에 따른 ReRAM 셀에 인가되는 전압의 함수로서 바이폴라 ReRAM 셀을 통과하는 전류의 플롯 (plot) 을 예시한다. 금속-절연체-금속 (MIM) 구조는 상당한 양의 디펙트들이 절연체 층에 내장된 채로 우선 제조될 수 있다. 전압이 MIM 구조에 인가되어, 예를 들어, 절연체 층이 스위칭 층으로 되게 함으로써, MIM 구조로부터 저항성 메모리 디바이스를 형성할 수 있다. 형성 전압 Vform 을 인가하는 것에 의해, 랜덤하게 분포된 디펙트들은, 보다 낮은 저항 구성들로, 예를 들어, 필라멘트들의 형태로 천이될 수 있다.

보다 낮은 저항 구성 (230) 은 저항성 메모리 디바이스에 대한 저저항 상태 (LRS; 224) 로서 특성화될 수 있고, 이 저저항 상태는 전압이 감소될 때에도 지속된다. LRS 는, 로직 제로 ("0") 와 같은, 메모리 디바이스의 로직 상태를 표현할 수 있다.

LRS 에서, 다른 전압, 예를 들어, Vreset 가 인가될 때, 저항은 226 으로부터 고저항 구성 (250) 을 갖는 고저항 상태 (HRS; 212) 로 천이될 수 있고, 이 고저항 상태는 전압이 감소될 때에도 지속된다. HRS 는, 로직 일 ("1") 과 같은, 메모리 디바이스의 다른 로직 상태를 표현할 수 있다. 리세트 전압 (Vreset) 은 형성 전압 Vform 보다 더 작다.

HRS 에서, 다른 전압, 예를 들어, Vset 가 인가될 때, 저항은 228 로부터 저저항 상태 (LRS; 224) 로 다시 천이될 수 있고, 이 저저항 상태는 전압이 감소될 때에도 지속된다. 세트 전압 (Vset) 도 또한 형성 전압 Vform 보다 더 작다.

전체적으로, ReRAM 셀은 그의 LRS 와 HRS 사이에서 수회 스위칭 백 및 스위칭 포스 (forth) 될 수도 있다. 예를 들어, 셀을 턴 "온 (ON)" 시켜서, 예를 들어, LRS 를 갖기를 원할 때, 세트 동작은 전극들에의 세트 전압 (Vset) 의 인가를 통해 수행될 수 있다. 세트 전압을 인가하는 것은 저항 스위칭 층에 하나 이상의 전도성 경로들을 형성한다. ReRAM 셀을 턴 "오프 (OFF)" 시켜서, 예를 들어, HRS 로 변화시키기를 원하는 경우, 리세트 동작은 전극들에의 리세트 전압 (Vreset) 의 인가를 통해 수행될 수 있다. 리세트 전압을 인가하는 것은 저항 스위칭 층에서의 전도성 경로들을 파괴시킬 수 있다.

리세트 전압 및 세트 전압의 극성은 유니폴라 메모리 디바이스들 (미도시) 에서 동일할 수도 있고, 또는 바이폴라 디바이스들에서 상이할 수도 있다. 임의의 특정 이론으로 한정되는 일 없이, 전기장의 인가에 의해 야기되는 필라멘트 형성 및 파괴로 인해 저항성 스위칭이 발생하는 것으로 여겨진다.

판독 동작들은 (스위칭 동작들 사이의) 이들 상태들 각각에서 1 회 이상 수행될 수도 있고 또는 전혀 수행되지 않을 수도 있다. 판독 동작 동안, ReRAM 셀의 상태 또는, 더 구체적으로는, 저항 스위칭 층의 그의 저항의 저항성 상태는, 감지 전압을 그의 전극들에 인가하는 것에 의해 감지될 수 있다. 감지 전압은 때때로 판독 전압 (Vread) 이라고 지칭된다.

일부 실시형태들에서, 세트 전압 (Vset) 은 약 100 mV 와 10V 사이에 있거나 또는, 더 구체적으로는, 약 500 mV 와 5V 사이에 있다. 세트 전압 펄스들의 길이는 약 100 밀리초 미만이거나 또는, 더 구체적으로는, 약 5 밀리초 미만 그리고 심지어는 약 100 나노초 미만일 수도 있다. 판독 전압 (Vread) 은 세트 전압 (Vset) 의 약 0.1 과 0.5 사이에 있을 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 판독 전류들 (ION 및 IOFF) 은 약 1mA 보다 더 크거나 또는, 더 구체적으로는, 약 5 mA 보다 더 커서 상당히 작은 감지 증폭기들에 의한 상태의 빠른 검출을 가능하게 한다. 판독 전압 펄스의 길이는 대응하는 세트 전압 펄스의 길이와 비교가능할 수도 있고 또는 기입 전압 펄스보다 더 짧을 수도 있다. ReRAM 셀들은 LRS 와 HRS 사이에서 적어도 약 103 회 간을 순환하거나 또는, 더 구체적으로는, 실패 없이 적어도 약 107 회를 순환하는 것이 가능해야 한다. 데이터 보유 시간은 적어도 약 5 년이거나 또는, 더 구체적으로는, 최대 85℃ 까지의 열적 스트레스 및 판독 전압의 일정한 인가와 같은 작은 전기적 스트레스 (electrical stress) 에서 적어도 약 10 년이어야 한다. 다른 고려들로는, 예컨대 HRS 에서 20Å 의 산화물 두께 당 0.5 V 에서 측정된 약 40 A/cm2 미만인, 낮은 전류 누설을 포함할 수도 있다.

일부 실시형태들에서, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트가 2 개의 전극들 사이에 배치되게 하는 저항성 메모리 디바이스를 포함하여, 저항성 스위칭 엘리먼트는 슈미트 트리거 회로에 이용될 수 있다. 저항성 스위칭 엘리먼트 (또는 저항성 메모리 디바이스) 의 비휘발성 히스테리시스 특성은 슈미트 트리거 회로의 히스테리시스 전달 함수를 발생시키는데 이용될 수 있다.

도 3a 내지 도 3c 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트의 히스테리시스 거동들을 예시한다. 도 3a 는 2 개의 전극들 (320 및 430) 사이에 배치된 유전체 층 (330) 을 포함하는 저항성 스위칭 디바이스의 개략도를 도시한다. 유전체 층 (330) 은, 예를 들어, 전도성 필라멘트들을 형성하고 분리하여 저항을 변화시키는 저항성 스위칭 엘리먼트로서 동작가능할 수 있다. 도 3b 및 도 3c 는 전극들 (320 및 340) 에 인가된 입력 전압의 함수로서 저항성 스위칭 디바이스의 저항 응답들을 도시한다. 저항성 스위칭 디바이스는 바이폴라 저항성 스위칭 디바이스인데, 이는 세트 전압 및 리세트 전압이 반대 극성들로 된다는 것을 의미한다. 도 3b 에서, 세트 전압 (Vset) 은 네거티브이고 리세트 전압 (Vreset) 은 포지티브이다. 입력 전압 (Vin) 이 리세트 전압 (Vreset) 보다 더 클 때, 저항은 낮은 값 (LRS) 으로부터 높은 값 (HRS) 으로 스위칭한다. 입력 전압 (Vin) 이 세트 전압 (Vset) 보다 크기에 있어서 더 클 때, 예를 들어, 더 네거티브일 때, 저항은 높은 값 (HRS) 으로부터 낮은 값 (LRS) 으로 스위칭한다. 저항 응답은 비반전 히스테리시스 곡선을 형성한다.

도 3c 에서, 세트 전압 (Vset) 은 포지티브이고 리세트 전압 (Vreset) 은 네거티브이다. 입력 전압 (Vin) 이 세트 전압 (Vset) 보다 더 클 때, 저항은 높은 값 (HRS) 으로부터 낮은 값 (LRS) 으로 스위칭한다. 입력 전압 (Vin) 이 리세트 전압 (Vreset) 보다 크기에 있어서 더 클 때, 예를 들어, 더 네거티브일 때, 저항은 낮은 값 (LRS) 으로부터 높은 값 (HRS) 으로 스위칭한다. 저항 응답은 반전 히스테리시스 곡선을 형성한다. 따라서, 저항성 스위칭 디바이스의 극성들을 변화시키는 것에 의해 비반전 또는 반전 응답이 달성될 수 있다.

도 4(a) 내지 도 4(c) 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 슈미트 트리거 회로의 개략적 다이어그램들을 예시한다. 도 4(a) 는 저항성 스위칭 엘리먼트 (420) 및 전류 제어 회로 (410) 를 포함하는 슈미트 트리거 회로 (400) 의 개략적 블록을 도시한다. 도시된 바와 같이, 슈미트 트리거 회로 (400) 는, 예를 들어, 입력 전압 (Vin) 및 출력 저항 (Rrs) 을 갖는 히스테리시스 저항-전압 전달 특성을 갖는다. 일부 실시형태들에서, 전류 제어 회로 (410) 는 생략될 수 있다.

도 4(b) 는 저항기 (415) 에 커플링된 (2 개의 전극들 사이에 배치되는) 저항성 스위칭 엘리먼트 (425) 를 포함하는 슈미트 트리거 회로 (400) 의 예를 도시한다. 저항성 스위칭 엘리먼트 (425) 는, 저항성 스위칭 엘리먼트를 통한 전류에 의해 세팅될 수 있는 가변 저항 (Rrs) 을 가질 수 있다. 저항성 스위칭 엘리먼트 (410) 를 통한 전류는 저항기 (415) 에 의해 제어될 수 있다. 출력 전압 (Vout) 은 저항기 (415) 로부터 취득될 수 있다.

도 4(c) 는 제어 트랜지스터 (416) 에 커플링된 (2 개의 전극들 사이에 배치되는) 저항성 스위칭 엘리먼트 (425) 를 포함하는 슈미트 트리거 회로 (400) 의 예를 도시한다. 저항성 스위칭 엘리먼트 (425) 는, 저항성 스위칭 엘리먼트를 통한 전류에 의해 세팅될 수 있는 가변 저항 (Rrs) 을 가질 수 있다. 이 회로는 트랜지스터 (416) 에 대한 게이트 전압 (Vg) 및 입력 전압 (Vin) 에 연결될 수 있다. 저항성 스위칭 엘리먼트 (410) 를 통한 전류는 제어 트랜지스터 (416) 의 게이트 전압 (Vg) 에 의해 제어될 수 있다. 출력 전압 (Vout) 은 제어 트랜지스터 (416) 로부터 취득될 수 있다.

도 5a 및 도 5b 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 슈미트 트리거 회로를 형성하고 동작시키기 위한 플로우차트들을 예시한다. 저항성 스위칭 엘리먼트는 2 개의 전극들 사이에 배치된 절연체 또는 유전체 층일 수 있다. 설명된 플로우차트는 상술된 메모리 디바이스들을 형성하는데 이용되는 기법들의 일반적 설명이다. 플로우차트는 저항성 스위칭 엘리먼트 및 다른 지원 회로부들, 예컨대 전류 제어 디바이스를 일반적으로 포함하는 샘플 및 홀드 회로를 형성하기 위한 기법들을 설명한다. 소정의 프로세싱 기법들 및 명세들이 설명되지만, 다양한 다른 기법들 및 본 명세서에서 설명된 기법들의 수정들이 또한 이용될 수도 있다는 것을 이해한다.

도 5a 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 슈미트 트리거 회로의 형성을 도시한다. 슈미트 트리거 회로는 입력 전압을 샘플링하고, 입력 전압에 대응되는 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항을 세팅할 수 있다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 응답 시간은 짧을 수 있는데, 예를 들어, 대략 피코초 범위에 있을 수 있고, 샘플링 동작은 순간적인 것으로서 고려될 수 있다.

동작 500 은 비휘발성 슈미트 트리거 회로를 형성한다. 비휘발성 슈미트 트리거 회로는 저항성 스위칭 디바이스 및 전류 제어 디바이스를 포함할 수 있는데, 그 저항성 스위칭 디바이스는 입력 전압을 수용하도록 구성된다. 전류 제어 디바이스는 출력 전압을 발생시키도록 구성될 수 있다.

저항성 스위칭 엘리먼트는 TiO2, HfO2, ZnO2, Al2O3, 스트론튬 티타네이트 (STO), 인듐 갈륨 아연 산화물 (IGZO), 또는 SnO2 의 금속 산화물 층과 같은 절연체 층을 포함할 수 있다. 절연체 층은 천이 금속 산화물을 포함할 수 있다. 절연체 층의 두께는 3 nm 와 30 nm 사이에 있을 수 있다. 일부 실시형태들에서, 절연체 층은 금속 및 금속 산화물, 칼코게나이트 및 페로브스카이트 층들의 임의의 조합들을 포함할 수 있다.

절연체 층을 형성한 후에 옵션적 처리가 수행될 수 있다. 이 처리는 플라즈마 처리 또는 고온 처리를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이 처리는 산소 분위기에서 300C 에서의 급속 열적 산화를 포함할 수 있다. 이 처리는 제 1 전극 층의 퇴적 후에 인-시츄 (in-situ) 로 수행될 수 있다. 이 처리는 산소 라디칼 어닐, 예를 들어, 산소 분위기에서의 플라즈마 어닐을 포함할 수 있다.

일부 실시형태들에서, 절연체 층은 PVD 또는 ALD 프로세스에 의해 퇴적될 수 있다. 예를 들어, ALD 프로세스는, 약 250 내지 300C 퇴적 온도에서, 테트라키스 (에틸메틸아미노) 지르코늄 (TEMAZ), 트리스 (디메틸아미노) 시클로펜타디엔일 지르코늄, 테트라키스 (에틸메틸아미노) 하프늄 (TEMAHf), 테트라키스 (디메틸아미도) 하프늄 (TDMAHf) 전구체들을 이용하는, O3 옥시던트를 포함할 수 있다.

절연체는 2 개의 전극들 사이에 형성될 수 있다. 이 전극들은 폴리실리콘 층 또는 금속 함유 층일 수 있다. 예를 들어, 전극들은 종래의 화학 기상 증착 (CVD) 또는 원자 층 퇴적 (ALD) 타입 폴리실리콘 퇴적 기법을 이용하여 형성되는 고도로 도핑된 폴리실리콘 층일 수 있다. 대안적으로, 전극들은 TiN, TaN, Ni, Pt, 또는 Ru 를 포함할 수 있다. PVD 또는 다른 프로세스들을 이용하여 형성될 수 있는, Ti, Al, MoO2, W, poly-Si, TiSiN, TaSiN, 또는 이들의 임의의 조합, 혼합 또는 합금과 같은 다른 엘리먼트들이 또한 이용될 수 있다. ALD, 펄싱된 층 퇴적 (pulsed layer deposition; PLD), 물리 기상 증착 (PVD), CVD, 증발 등과 같은 다른 프로세싱 기법들이 또한 전극들을 퇴적시키기 위해 이용될 수 있다. 전극들은, 임의의 두께, 예를 들어 약 5 nm 와 약 500 nm 사이의 두께를 가질 수 있다.

도 5b 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 슈미트 트리거 회로의 동작을 도시한다. 입력 전압이 슈미트 트리거 회로에 인가된 후에, 저항 응답이 제공될 수 있다.

동작 530 은 저항성 스위칭 디바이스 및 전류 제어 디바이스를 갖는 회로를 제공한다. 이 회로는 비휘발성 슈미트 트리거 회로일 수 있다. 동작 540 은 입력 전압을 회로에 인가하여 슈미트 트리거 기능 (Schmitt trigger function) 을 달성하고, 여기서 회로는 저항-전압 곡선의 전달 함수를 갖는다.

일부 실시형태들에서, 비휘발성 슈미트 트리거 회로는, 예를 들어, 저항 출력 (Rrs) 으로부터 전압 출력 (Vout) 을 발생시키기 위해, 저항성 스위칭 회로의 저항 응답을 컨버팅하도록 동작가능한 컨버터 회로를 포함할 수 있다. 따라서, 입력 전압과 같은 입력 신호에 의해, 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 저항으로부터 출력 전압이 발생될 수 있고, 이 세트 저항은 입력 신호에 대응되는 저항을 갖도록 세팅되었다. 위에서 논의된 바와 같이 저항성 스위칭 엘리먼트의 통상적인 응답이 비선형적이므로 출력 전압 응답은 비선형적일 수 있다. 적절한 보상 응답을 갖는 부가적인 회로로 선형 응답이 달성될 수 있다.

컨버터 회로는 전압 소스 (연속적 또는 펄싱됨), 전류 소스 (연속적 또는 펄싱됨), 또는 임의의 다른 회로부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저항성 메모리 디바이스의 판독 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항을 전압 또는 전류로 컨버팅하는데 이용될 수 있다. 샘플링 주기 후에, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트가 샘플링된 신호에 응답한 후에, 컨버터 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트에 제공될 수 있다.

도 6a 내지 도 6c 는 일부 실시형태들에 따른 컨버터 회로들을 갖는 비휘발성 슈미트 트리거 회로의 개략적 다이어그램들을 예시한다. 도 6a 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 이용하여 비휘발성 슈미트 트리거 기능을 제공할 수 있는 회로 (600) 의 단순화된 블록 다이어그램을 도시한다. 회로 (600) 는 저항성 스위칭 회로 (610), 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (610) 는 또한 저항성 스위칭 엘리먼트를 통과하는 전류를 제어하기 위한 전류 제어 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (610) 는 입력 전압 (Vin) 을 수용하고, 입력 신호 (Vin) 에 대응하는 저항 응답 (Rrs) 을 제공하도록 동작가능할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (610) 는 위에서 논의된 저항-전압 전달 함수를 갖는 회로와 유사할 수 있다.

회로 (600) 는, 저항성 스위칭 회로 (610) 를 컨버팅하여, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항을 출력 전압 또는 출력 전류와 같은 원하는 응답으로 컨버팅하도록 동작가능할 수 있는 컨버터 회로 (630) 를 포함할 수 있다. 컨버터 회로 (630) 는 전압 또는 전류 소스를 포함할 수 있는데, 이 전압 또는 전류 소스는 연속적이거나 또는 펄싱되고, 신호를 저항성 스위칭 엘리먼트에 제공하여 전압 또는 전류를 발생시킬 수 있으며, 이 전압 또는 전류는 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항의 값에 대응된다. 예를 들어, 컨버터 회로가 선형 전류 소스를 포함하는 경우, 저항에 선형적으로 비례하는 전압이 발생될 수 있다. 컨버터 회로가 비선형 소스를 포함하는 경우, 저항에 대한 비선형 신호가 발생될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 입력 전압 (Vin) 의 인가시, 저항성 스위칭 회로 (610) 는 입력 신호 (Vin) 에 대응하는 저항 값을 갖는 저항 응답 (Rrs) 을 발생시킬 수 있다. 컨버터 회로 (630) 는 저항 (Rrs) 을 출력 전압 (Vout) 과 같은 원하는 신호로 컨버팅할 수 있다.

도 6b 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 이용하여 비휘발성 슈미트 트리거 기능을 제공할 수 있는 회로 (605) 의 단순화된 회로 다이어그램을 도시한다. 회로 (605) 는, 저항성 스위칭 회로, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트 (615) 및 그 저항성 스위칭 엘리먼트 (615) 를 통과하는 전류를 제어하기 위한 전류 제어 회로로서 작용하는 트랜지스터 (617) 를 갖는 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로는 입력 전압 (Vin) 을 수용하여 입력 신호 (Vin) 에 대응되도록, 예를 들어, 입력 신호 (Vin) 의 함수로서, 저항성 스위칭 엘리먼트 (615) 의 저항을 세팅하도록 동작가능할 수 있다.

회로 (605) 는 저항성 스위칭 엘리먼트 (615) 의 저항 값을 원하는 출력 신호로 컨버팅할 수 있는 컨버터 회로 (635) 를 포함할 수 있다. 컨버터 회로 (635) 는 저항성 스위칭 엘리먼트 (615) 로부터 원하는 신호를 발생시키기 위한 신호를 제공할 수 있는 전압 소스 (637 또는 638) 를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (Vin 및 트랜지스터 (617) 를 포함함) 와 컨버터 회로 (635) 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트 (615) 를 토글링하기 위해 스위치들의 세트 (680A 및 680B) 가 포함될 수 있다. 하나의 토글 포지션에서, 컨버터 회로 (635) 는, 예를 들어, 전압 또는 전류를 저항성 스위칭 엘리먼트 (615) 에 인가하기 위해, 저항성 스위칭 엘리먼트 (615) 를 제어하도록 구성된다. 다른 토글 포지션에서, 저항성 스위칭 회로는, 예를 들어, 입력 전압 (Vin) 에 대응되는 저항을 갖도록 저항성 스위칭 엘리먼트를 세팅하기 위해, 저항성 스위칭 엘리먼트 (615) 를 제어하도록 구성된다.

일부 실시형태들에서, 동작에서, 입력 전압 (Vin) 의 인가시, 저항성 스위칭 엘리먼트 (615) 의 저항은 전압 (Vin) 에 상관되는 저항 (Rrs) 으로 세팅된다. 컨버터 회로 (635) 는 그 후에 세트 저항을 출력 전압과 같은 원하는 출력으로 컨버팅할 수 있다.

도 6c 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 이용하여 비휘발성 슈미트 트리거 기능을 제공할 수 있는 회로 (605) 의 단순화된 회로 다이어그램을 도시한다. 회로 (606) 는, 저항성 스위칭 회로, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트 (615) 및 그 저항성 스위칭 엘리먼트 (615) 를 통과하는 전류를 제어하기 위한 전류 제어 회로로서 작용할 수 있는 저항기 (618) 를 갖는 회로를 포함할 수 있다. 회로 (606) 의 동작은 이전 회로 (605) 와 유사할 수 있다.

도 7a 및 도 7b 는 일부 실시형태들에 따른 비휘발성 슈미트 트리거 회로의 응답들을 예시한다. 출력 전압 (Vout) 은 입력 전압 (Vin) 의 함수로서 도시된다. 응답 곡선은, 입력 전압의 세트 및 리세트 전압들에서, 출력 전압의 HRS 및 LRS 값들 사이를 스위칭하는 히스테리시스 형태를 갖는다. 비반전 (도 7a) 및 반전 (도 7b) 히스테리시스 응답들은 저항성 스위칭 디바이스의 극성들에 따라 발생될 수 있다.

도 8a 및 도 8b 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 슈미트 트리거 회로를 형성하고 동작시키기 위한 플로우차트들을 예시한다. 도 8a 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 슈미트 트리거 회로의 형성을 도시한다. 슈미트 트리거 회로는 입력 전압을 수용하고, 히스테리시스 곡선을 갖는 출력 전압을 발생시키는 것을 위해 동작가능할 수 있다.

동작 800 은 비휘발성 슈미트 트리거 회로를 형성한다. 비휘발성 슈미트 트리거 회로는 저항성 스위칭 회로 및 컨버터 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로는 입력 전압 (Vin) 에 응답하여 저항 (Rrs) 을 발생시키도록 동작가능할 수 있다. 컨버터 회로는 저항성 스위칭 회로의 저항을 출력 전압으로 컨버팅하도록 동작가능할 수 있다. 또한, 컨버터 회로와 저항성 스위칭 회로 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 토글링하기 위해 토글 회로가 포함될 수 있다.

비휘발성 슈미트 트리거 회로는, 예를 들어, 입력 전압을 샘플링하고 슈미트 트리거 응답 곡선을 갖는 출력 전압을 발생시키는 함수를 포함하는 슈미트 트리거 회로로서 동작가능하다.

도 8b 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 슈미트 트리거 회로의 동작을 도시한다. 입력 전압이 슈미트 트리거 회로에 인가되고, 이 슈미트 트리거 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항을 세팅하는데 이용될 수 있다.

동작 830 은 저항성 스위칭 회로 및 컨버터 회로를 갖는 회로를 제공한다. 이 회로는 비휘발성 슈미트 트리거 회로일 수 있다. 동작 840 은 입력 전압을 저항성 스위칭 엘리먼트에 인가하여 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항을 세팅한다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 저항성 스위칭 회로로 스위칭하기 위해, 옵션적 토글링 동작이 수행될 수 있다.

동작 850 은, 예를 들어, 전류 또는 전압을 저항성 스위칭 엘리먼트에 인가하여 저항성 스위칭 엘리먼트를 판독하는 것에 의해, 저항성 스위칭 회로의 저항을 출력 전압으로 컨버팅한다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 컨버터 회로로 스위칭하기 위해, 옵션적 토글링 동작이 수행될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 토글 동작은 저항성 스위칭 회로와 컨버터 회로 사이에서 순환적일 수 있다, 예를 들어, 주기적으로 스위칭하고 있을 수 있다. 토글링 동작은 디지털 슈미트 트리거 출력, 토글링 동작으로 인해 펄싱된 출력을 발생시킬 수 있다. 입력 전압을 아날로그 또는 디지털일 수 있다.

일부 실시형태들에서, 저항성 스위칭 엘리먼트의 속성들, 예를 들어, 세트 또는 리세트 임계 전압이 기준 신호로서 이용될 수 있는 비교기 회로들을 형성하기 위한 방법들, 및 이 방법들로부터 발생된 비교기 회로들이 제공된다. 예를 들어, 비교기 회로는 입력 신호를 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 또는 리세트 임계 전압과 비교할 수 있다. 게다가, 세트 또는 리세트 임계 전압은 이전 리세트 또는 세트 동작 각각에 의해 수정되어, 안정적인 기준 전압을 갖는 비교기 회로를 발생시킬 수 있다.

일부 실시형태들에서, 비교기 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항 상태를 세팅 또는 리세팅하도록 동작가능할 수 있는 리세트 회로를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트를 세팅하여, 예를 들어, 비교기 동작을 수행하기 전에 저항성 스위칭 엘리먼트가 저저항 상태 (고전도성 상태) 에 놓이도록 리세트 회로가 포함될 수 있다. 저항성 스위칭 엘리먼트는 초기 상태로서 저저항 상태에 놓인다. 입력 전압은 저항성 스위칭 엘리먼트로부터 응답을 발생시킬 수 있는 리세트 임계 전압에 도달할 때까지 (크기에 있어서, 포지티브 값보다 더 높게 또는 네거티브 값보다 더 낮게) 증가하기 시작할 수 있다. 대안적으로, 저항성 스위칭 엘리먼트를 리세팅하여, 예를 들어, 비교기 동작을 수행하기 전에 저항성 스위칭 엘리먼트가 고저항 상태 (저전도성 상태) 에 놓이도록 리세트 회로가 포함될 수 있다. 저항성 스위칭 엘리먼트는 초기 상태로서 고저항 상태에 놓인다. 입력 전압은 저항성 스위칭 엘리먼트로부터 응답을 발생시킬 수 있는 세트 임계 전압에 도달할 때까지 (크기에 있어서, 포지티브 값보다 더 높게 또는 네거티브 값보다 더 낮게) 증가하기 시작할 수 있다.

저항성 스위칭 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트 및 옵션적 전류 제어 디바이스를 포함할 수 있다. 전류 제어 디바이스는 저항기, 트랜지스터, 또는 다른 회로 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 전류 제어 디바이스는 저항성 스위칭 엘리먼트를 통한 전류를 제어하도록 동작가능할 수 있다. 예를 들어, 전류 제어 디바이스는 저항성 스위칭 엘리먼트와 직렬로 연결될 수 있어서, 그에 따라 전류 제어 디바이스를 통한 전류를 제어함으로써, 저항성 스위칭 엘리먼트를 통한 전류가 규제된다. 일부 실시형태들에서, 전류 제어 디바이스는, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트를 통한 전류가 저항성 스위칭 엘리먼트의 내부 저항에 의해 제한될 수 있는 경우, 생략될 수 있다.

통상적인 동작에서, 입력 전압이 저항성 스위칭 엘리먼트에 인가될 수 있다. 예를 들어, 입력 전압이 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 또는 리세트 임계 전압을 (크기에 있어서) 초과할 때, 출력 응답은 저항성 스위칭 엘리먼트로부터 발생될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 저항성 스위칭 회로 (예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트를 입력 전압에 커플링하여 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항을 세팅하기 위함) 와 리세트 회로 (예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트를 원하는 초기 상태로 세팅하기 위함) 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 스위칭하기 위해 토글 회로가 포함될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 토글 동작은 1 회 수행되어, 예를 들어, 리세트 회로로 우선 토글링하여 저항성 스위칭 엘리먼트에 대한 초기 값을 세팅하고, 그 후에 저항성 스위칭 회로로 토글링하여 비교기 기능 (comparator function) 을 수행할 수 있다.

일부 실시형태들에서, 토글 동작은 순환적이어서, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트에 대한 초기 값을 세팅하기 위한 리세트 회로와, 비교기 기능을 수행하기 위한 저항성 스위칭 회로 사이에서 주기적으로 스위칭하고 있을 수 있다. 예를 들어, 리세트 기능은 각각의 비교기 기능 후에 수행될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 본 발명은 저항성 스위칭 재료들의 이용을 비휘발성 메모리 디바이스들에의 잘 알려진 적용을 넘어서, 그리고 저항성 스위칭 재료들을 하이브리드 트랜지스터-저항성 스위칭 로직 회로들의 구현에 적용하기 위해 확장시킨다. 실제 하이브리드 트랜지스터-저항성 스위칭 전자장치의 구현을 향한 기본적인 빌딩 블록을 표현할 수 있는 저항성 스위칭 비교기 회로들을 형성하기 위한 방법들이 제공된다.

일부 실시형태들에서, 본 비교기 회로는 (아날로그의 종래의 비교기와는 대조적으로) 디지털 디바이스일 수 있고, 이는 디지털 방식으로 비교기 출력 전압 곡선을 발생시킨다. 다시 말해, 저항을 세팅하기 위한 입력 값을 얻고 출력 전압을 발생시키는 순환 동작으로부터 출력 저항 또는 전압이 펄싱된다, 예를 들어, 토글링된다. 입력 전압은 디지털로서, 예를 들어, 펄싱될 수 있고, 또는 아날로그로서, 예를 들어, 연속적일 수 있다. 본 비교기 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 리세트 임계 전압 또는 세트 임계 전압에 기초할 수 있다.

본 비교기 회로는 종래의 비교기에 비하면 콤팩트한 구조를 가질 수 있다. 본 비교기 회로는 외부 기준 전압에 대한 필요성을 없앨 수 있는데, 이는 저항성 스위칭 엘리먼트의 저-저항-상태 (LRS) 및 고-저항-상태 (HRS) 에 대한 임계치가 그 비교기 회로의 임계치들이기 때문이다. 게다가, 세트 및 리세트 임계 전압들은 저항성 스위칭 엘리먼트의 속성들에 의해 영향을 받을 수 있고, 또한 리세트/세트 페이즈 동안 이전 리세트/세트 동작에 의해 각각 제어될 수 있다. 따라서, 적합한 전기적 제어를 적용하는 것에 의해, Vset_threshold 및 Vreset_threshold 가 변조되어, 예를 들어, 비교기의 기준 전압 (Vref) 을 변화시키게 할 수 있다.

도 10 은 일부 실시형태들에 따른 ReRAM 셀에 인가되는 전압의 함수로서 유니폴라 ReRAM 셀을 통과하는 전류의 플롯을 예시한다. 보다 낮은 저항 구성 (1030) 은 저항성 메모리 디바이스에 대한 저저항 상태 (LRS; 1024) 로서 특성화될 수 있다.

LRS 에서, 다른 전압, 예를 들어, Vreset 가 인가될 때, 저항은 1026 으로부터 고저항 구성 (1050) 을 갖는 고저항 상태 (HRS; 1012) 로 천이될 수 있다. HRS 에서, 다른 전압, 예를 들어, Vset 가 인가될 때, 저항은 1028 로부터 저저항 상태 (LRS; 1024) 로 다시 천이될 수 있다.

도 11a 및 도 11b 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트의 비교기 거동들을 예시한다. 이들 도면들은 저항성 스위칭 엘리먼트의 전극들에 인가된 입력 전압의 함수로서 저항성 스위칭 디바이스의 저항 응답들을 도시한다. 저항성 스위칭 디바이스는 유니폴라 또는 바이폴라 저항성 스위칭 디바이스일 수 있다. 도 11a 에서, 입력 전압 (Vin) 이 세트 전압 (Vset) 보다 (크기에 있어서) 더 클 때, 저항은 높은 값 (HRS) 으로부터 낮은 값 (LRS) 으로 스위칭한다. 도 11b 에서, 입력 전압 (Vin) 이 리세트 전압 (Vreset) 보다 (크기에 있어서) 더 클 때, 저항은 낮은 값 (LRS) 으로부터 높은 값 (HRS) 으로 스위칭한다.

도 12(a) 내지 도 12(c) 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비교기 회로의 개략적 다이어그램들을 예시한다. 도 12(a) 는 저항성 스위칭 엘리먼트 (1220) 및 전류 제어 회로 (1210) 를 포함하는 비교기 회로 (1200) 의 개략적 블록을 도시한다. 도시된 바와 같이, 비교기 회로 (1200) 는, 예를 들어, 입력 전압 (Vin) 및 출력 저항 (Rrs) 을 갖는 저항-전압 전달 특성을 갖는다. 일부 실시형태들에서, 전류 제어 회로 (1210) 는 생략될 수 있다.

도 12(b) 는 저항기 (1215) 에 커플링된 (2 개의 전극들 사이에 배치되는) 저항성 스위칭 엘리먼트 (1225) 를 포함하는 비교기 회로 (1200) 의 예를 도시한다. 저항성 스위칭 엘리먼트 (1225) 는, 저항성 스위칭 엘리먼트를 통한 전류에 의해 세팅될 수 있는 가변 저항 (Rrs) 을 가질 수 있다. 저항성 스위칭 엘리먼트 (1210) 를 통한 전류는 저항기 (1215) 에 의해 제어될 수 있다. 출력 전압 (Vout) 은 저항기 (1215) 로부터 취득될 수 있다.

도 12(c) 는 제어 트랜지스터 (1216) 에 커플링된 (2 개의 전극들 사이에 배치되는) 저항성 스위칭 엘리먼트 (1225) 를 포함하는 비교기 회로 (1200) 의 예를 도시한다. 이 회로는 트랜지스터 (1216) 에 대한 게이트 전압 (Vg) 및 입력 전압 (Vin) 에 연결될 수 있다. 저항성 스위칭 엘리먼트 (1210) 를 통한 전류는 제어 트랜지스터 (1216) 의 게이트 전압 (Vg) 에 의해 제어될 수 있다. 출력 전압 (Vout) 은 제어 트랜지스터 (1216) 로부터 취득될 수 있다.

도 13(a) 내지 도 13(c) 는 일부 실시형태들에 따른 리세트 회로들을 갖는 비휘발성 비교기 회로의 개략적 다이어그램들을 예시한다. 도 13(a) 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 이용하여 비휘발성 비교기 기능을 제공할 수 있는 회로 (1300) 의 단순화된 블록 다이어그램을 도시한다. 회로 (1300) 는 저항성 스위칭 회로 (1310), 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (1310) 는 또한 저항성 스위칭 엘리먼트를 통과하는 전류를 제어하기 위한 전류 제어 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (1310) 는 입력 전압 (Vin) 을 수용하고, 입력 신호 (Vin) 에 대응하는 저항 응답 (Rrs) 을 제공하도록 동작가능할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (1310) 는 위에서 논의된 저항-전압 전달 함수를 갖는 회로와 유사할 수 있다.

회로 (1300) 는, 저항성 스위칭 회로 (1310) 를 리세팅하여, 예를 들어, 저항성 스위칭 회로 (1310) 에서 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항을 리세팅하도록 동작가능할 수 있는 리세트 회로 (1330) 를 포함할 수 있다. 리세트 회로 (1330) 는 전압 또는 전류 소스를 포함할 수 있는데, 이 전압 또는 전류 소스는 연속적이거나 또는 펄싱되고, 저항성 스위칭 엘리먼트를 고저항 상태로 천이시키기 위한 신호를 제공할 수 있다.

일부 실시형태들에서, 리세트 회로 (1330) 는 저항성 스위칭 회로 (1310) 를 리세팅할 수 있다, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트를 세팅 또는 리세팅할 수 있는 전압과 (크기에 있어서) 동일하거나 또는 더 큰 전압이 저항성 스위칭 엘리먼트에 인가되어 저항성 스위칭 엘리먼트가 저저항 값 또는 고저항 값으로 각각 놓이도록 할 수 있다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 리세팅시, 저항성 스위칭 회로 (1310) 는 입력 신호 (Vin) 에 대응하는 저항 값을 갖는 저항 응답 (Rrs) 을 발생시킬 수 있다.

도 13(b) 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 이용하여 비휘발성 비교기 기능을 제공할 수 있는 회로 (1305) 의 단순화된 회로 다이어그램을 도시한다. 회로 (1305) 는, 저항성 스위칭 회로, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트 (1315) 및 그 저항성 스위칭 엘리먼트 (1315) 를 통과하는 전류를 제어하기 위한 전류 제어 회로로서 작용하는 트랜지스터 (1317) 를 갖는 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로는 입력 전압 (Vin) 을 수용하여 입력 신호 (Vin) 에 대응되도록, 예를 들어, 입력 신호 (Vin) 의 함수로서, 저항성 스위칭 엘리먼트 (1315) 의 저항을 세팅하도록 동작가능할 수 있다.

회로 (1305) 는 저항성 스위칭 엘리먼트 (1315) 의 저항 값을 초기 값으로 리세팅할 수 있는 리세트 회로 (1335) 를 포함할 수 있다. 리세트 회로 (1335) 는 저항성 스위칭 엘리먼트 (1315) 를 세팅 또는 리세팅하기 위한 전압 또는 전류를 제공할 수 있는 전압 소스 (1337 또는 1338) 를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (Vin 및 트랜지스터 (1317) 를 포함함) 와 리세트 회로 (1335) 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트 (1315) 를 토글링하기 위해 스위치들의 세트 (1380A 및 1380B) 가 포함될 수 있다. 하나의 토글 포지션에서, 리세트 회로 (1335) 는, 예를 들어, 전압 또는 전류를 저항성 스위칭 엘리먼트 (1315) 에 인가하기 위해, 저항성 스위칭 엘리먼트 (1315) 를 제어하도록 구성된다. 다른 토글 포지션에서, 저항성 스위칭 회로는, 예를 들어, 입력 전압 (Vin) 에 대응되는 저항을 갖도록 저항성 스위칭 엘리먼트를 세팅하기 위해, 저항성 스위칭 엘리먼트 (1315) 를 제어하도록 구성된다.

일부 실시형태들에서, 동작에서, 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항을 리세팅한 후에, 입력 전압 (Vin) 의 인가시, 저항성 스위칭 엘리먼트 (1315) 의 저항은 전압 (Vin) 에 상관되는 저항 (Rrs) 으로 세팅된다.

도 13(c) 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 이용하여 비휘발성 비교기 기능을 제공할 수 있는 회로 (1305) 의 단순화된 회로 다이어그램을 도시한다. 회로 (1306) 는, 저항성 스위칭 회로, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트 (1315) 및 그 저항성 스위칭 엘리먼트 (1315) 를 통과하는 전류를 제어하기 위한 전류 제어 회로로서 작용할 수 있는 저항기 (1318) 를 갖는 회로를 포함할 수 있다. 회로 (1306) 의 동작은 이전 회로 (1305) 와 유사할 수 있다.

일부 실시형태들에서, 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 임계치에 기초하는 비교기 회로가 제공된다. 입력 전압이 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 임계 전압보다 (크기에 있어서) 더 클 때, 전압 천이가 발생하여, 입력 전압과 세트 임계 전압 사이에서 비교기 기능을 발생시킬 수 있다.

도 14a 및 도 14b 는 일부 실시형태들에 따른 비휘발성 비교기 회로의 응답들을 예시한다. 출력 저항 (R) 또는 출력 전압 (Vout) 이 입력 전압 (Vin) 의 함수로서 도시된다. 응답 곡선은, 입력 전압의 세트 전압에서, 출력 전압의 HRS 및 LRS 값들 사이를 스위칭하는 비교기 형태를 갖는다.

도 15a 및 도 15b 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 비교기 회로를 형성하고 동작시키기 위한 다른 플로우차트들을 예시한다. 도 15a 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 비교기 회로의 형성을 도시한다. 비교기 회로는 입력 전압을 수용하고, 비교기 곡선을 갖는 출력 전압을 발생시키는 것을 위해 동작가능할 수 있다.

동작 1500 은 비휘발성 비교기 회로를 형성한다. 비휘발성 비교기 회로는 저항성 스위칭 회로 및 리세트 회로를 포함할 수 있다. 리세트 회로는 저항성 스위칭 회로에서의 저항성 스위칭 엘리먼트를 고저항 상태로 리세팅하도록 동작가능할 수 있다. 저항성 스위칭 회로는 입력 전압 (Vin) 에 응답하여 출력 전압 (Vout) 을 발생시키도록 동작가능할 수 있다. 또한, 리세트 회로와 저항성 스위칭 회로 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 토글링하기 위해 토글 회로가 포함될 수 있다.

비휘발성 비교기 회로는, 예를 들어, 입력 전압을 샘플링하고 비교기 응답 곡선을 갖는 출력 전압을 발생시키는 함수를 포함하는 비교기 회로로서 동작가능하다.

도 15b 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 비교기 회로의 동작을 도시한다. 입력 전압이 비교기 회로에 인가되고, 이 비교기 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 임계 전압과 입력 전압 사이에서 비교기 출력을 발생시키는데 이용될 수 있다.

동작 1530 은 저항성 스위칭 회로 및 리세트 회로를 갖는 회로를 제공한다. 이 회로는 비휘발성 비교기 회로일 수 있다. 동작 1540 은 저항성 스위칭 회로를 리세팅하여, 예컨대 저항성 스위칭 엘리먼트에 리세트 전압을 인가하여 저항성 스위칭 엘리먼트를 고저항 상태로 천이시킨다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 리세트 회로로 스위칭하기 위해, 옵션적 토글링 동작이 수행될 수 있다.

동작 1540 은 저항성 스위칭 엘리먼트에 입력 전압을 인가하여 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 임계 전압과 입력 전압 사이에서 비교기 출력을 발생시킨다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 저항성 스위칭 회로로 스위칭하기 위해, 옵션적 토글링 동작이 수행될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 토글 동작이 1 회 수행될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 토글 동작이 순환적일 수 있다.

일부 실시형태들에서, 비교기 회로의 세트 또는 리세트 임계치를 변화시키기 위해 임계치 세팅 회로가 포함될 수 있다. 세트 또는 리세트 임계치가 이전 리세트 또는 세트 동작에 의해 각각 변화될 수 있으므로, 임계치 세팅 회로는 제어가능한 리세트 회로와 유사할 수 있다.

도 16a 및 도 16b 는 일부 실시형태들에 따른 리세트 및 임계치 세팅 회로들을 갖는 비휘발성 비교기 회로의 개략적 다이어그램들을 예시한다. 도 16a 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 이용하여 비휘발성 비교기 기능을 제공할 수 있는 회로 (1600) 의 단순화된 블록 다이어그램을 도시한다. 회로 (1600) 는 저항성 스위칭 회로 (1610), 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (1610) 는 또한 저항성 스위칭 엘리먼트를 통과하는 전류를 제어하기 위한 전류 제어 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (1610) 는 입력 전압 (Vin) 을 수용하고, 입력 신호 (Vin) 에 대응하는 출력 응답 (Vout) 을 제공하도록 동작가능할 수 있다.

이 회로 (1600) 는 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항 상태를 리세팅하도록 동작가능할 수 있는 리세트 회로 (1630) 를 포함할 수 있다. 따라서, 저항성 스위칭 엘리먼트를 리세팅하여, 예를 들어, 입력 전압을 인가하기 전에 저항성 스위칭 엘리먼트가 고저항 상태 (저전도성 상태) 에 놓이도록 리세트 회로가 포함될 수 있다.

회로 (1600) 는, 저항성 스위칭 회로 (1610) 의 세트 임계치를 수정하여, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트가 HRS 로부터 LRS 로 스위칭하는 전압을 변화시키도록 동작가능할 수 있는 임계치 세팅 회로 (1640) 를 포함할 수 있다. 임계치 세팅 회로 (1640) 는 전압 또는 전류 소스를 포함할 수 있는데, 이 전압 또는 전류 소스는 연속적이거나 또는 펄싱되고, 신호를 저항성 스위칭 엘리먼트에 제공하여 전압 또는 전류를 발생시킬 수 있으며, 이 전압 또는 전류는 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항의 값에 대응된다.

일부 실시형태들에서, 저항성 스위칭 회로를 고저항 상태로 리세팅한 후에, 입력 전압 (Vin) 의 인가시, 저항성 스위칭 회로 (1610) 는 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 전압으로 비교기 신호를 표현하는 출력 전압 응답 (Vout) 을 발생시킬 수 있다.

도 16b 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 이용하여 비휘발성 비교기 기능을 제공할 수 있는 회로 (1605) 의 단순화된 회로 다이어그램을 도시한다. 회로 (1605) 는, 저항성 스위칭 회로, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트 (1615) 및 그 저항성 스위칭 엘리먼트 (1615) 를 통과하는 전류를 제어하기 위한 전류 제어 회로로서 작용하는 트랜지스터 (1617) (또는 저항기, 미도시) 를 갖는 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로는 입력 전압 (Vin) 을 수용하여 입력 신호 (Vin) 에 대응되도록, 예를 들어, 입력 신호 (Vin) 의 함수로서, 저항성 스위칭 엘리먼트 (1615) 의 저항을 세팅하도록 동작가능할 수 있다.

회로 (1605) 는 저항성 스위칭 엘리먼트 (1615) 를 리세팅할 수 있는 리세트 회로 (1635) 를 포함할 수 있다. 리세트 회로 (1635) 는 전압 소스 (1637 또는 1638) 를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (Vin 및 트랜지스터 (1617) 를 포함함) 와 리세트 회로 (1635) 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트 (1615) 를 토글링하기 위해 스위치들의 세트 (1680A 및 1680B) 가 포함될 수 있다.

회로 (1605) 는 저항성 스위칭 엘리먼트 (1615) 의 세트 임계치를 수정할 수 있는 임계치 세팅 회로 (1635) 를 포함할 수 있다. 임계치 세팅 회로 (1635) 는 전압 소스 (1637 또는 1638) 를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (Vin 및 트랜지스터 (1617) 를 포함함) 와 임계치 세팅 회로 (1635) 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트 (1615) 를 토글링하기 위해 스위치들의 세트 (1680A 및 1680B) 가 포함될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 동작에서, 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 임계치가 원하는 값으로 수정된다. 저항성 스위칭 엘리먼트는 또한 고저항 상태로 리세팅된다. 그 후에 입력 전압 (Vin) 의 인가시, 입력 전압과 세트 임계 전압 사이의 비교의 형태를 갖는 출력 전압이 발생될 수 있다.

도 17 은 일부 실시형태들에 따른 비휘발성 비교기 회로의 응답들을 예시한다. 출력 전압 (Vout) 은 입력 전압 (Vin) 의 함수로서 도시된다. 응답 곡선은, 세트 임계 전압에서, 제로와 Vm 사이를 스위칭하는 비교기 형태를 갖는다. 상이한 세트 임계 동작에 의한 상이한 응답 곡선들을 표현하는 상이한 세트 임계 전압들 (Vset1, Vset2, 및 Vset3) 이 도시된다.

도 18a 및 도 18b 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 비교기 회로를 형성하고 동작시키기 위한 플로우차트들을 예시한다. 도 18a 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 비교기 회로의 형성을 도시한다. 비교기 회로는 입력 전압을 수용하고, 비교기 곡선을 갖는 출력 전압을 발생시키는 것을 위해 동작가능할 수 있다.

동작 1800 은 비휘발성 비교기 회로를 형성한다. 비휘발성 비교기 회로는 저항성 스위칭 회로, 리세트 회로, 및 세트 임계치 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로는 입력 전압 (Vin) 에 응답하여 저항 (Rrs) 을 발생시키도록 동작가능할 수 있다. 리세트 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트를 고저항 상태로 리세팅하도록 동작가능할 수 있다. 세트 임계치 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 임계 전압을 수정하도록 동작가능할 수 있다. 또한, 리세트 회로, 임계치 세팅 회로, 및 저항성 스위칭 회로 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 토글링하기 위해 토글 회로가 포함될 수 있다.

비휘발성 비교기 회로는, 예를 들어, 입력 전압을 샘플링하고 비교기 응답 곡선을 갖는 출력 전압을 발생시키는 함수를 포함하는 비교기 회로로서 동작가능하다.

도 18b 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 비교기 회로의 동작을 도시한다. 입력 전압이 비교기 회로에 인가되고, 이 비교기 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 리세트 임계 전압과 입력 전압 사이에서 비교기 출력을 발생시키는데 이용될 수 있다.

동작 1830 은 저항성 스위칭 회로, 리세트 회로, 및 임계치 세팅 회로를 갖는 회로를 제공한다. 이 회로는 비휘발성 비교기 회로일 수 있다.

동작 1840 은 저항성 스위칭 엘리먼트에 대한 세트 임계 전압을 세팅한다, 예를 들어, 수정한다. 임계치 세팅 동작 전에 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 세트 임계치 회로로 스위칭하기 위해, 옵션적 토글링 동작이 수행될 수 있다.

동작 1850 은 저항성 스위칭 회로의 저항을 리세팅하여, 저항성 스위칭 엘리먼트가 고저항 상태로 놓이게 한다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 리세트 회로로 스위칭하기 위해, 옵션적 토글링 동작이 수행될 수 있다.

동작 1860 은 저항성 스위칭 엘리먼트에 입력 전압을 인가하여 출력 전압을 발생시키고, 이 출력 전압은 입력 전압과 세트 임계 전압 사이의 비교의 결과이다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 저항성 스위칭 회로로 스위칭하기 위해, 옵션적 토글링 동작이 수행될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 토글 동작이 1 회 수행되거나 또는 순환적일 수 있다. 예를 들어, 임계치 세팅 동작은 1 회 수행될 수 있고, 리세트 동작은, 예를 들어, 출력 전압들을 발생시키기 전에, 순환적일 수 있다.

일부 실시형태들에서, 저항성 스위칭 엘리먼트의 리세트 임계치에 기초하는 비교기 회로가 제공된다. 입력 전압이 저항성 스위칭 엘리먼트의 리세트 임계 전압보다 (크기에 있어서) 더 클 때, 전압 천이가 발생하여, 입력 전압과 리세트 임계 전압 사이에서 비교기 기능을 발생시킬 수 있다.

도 19a 및 도 19b 는 일부 실시형태들에 따른 비휘발성 비교기 회로의 응답들을 예시한다. 출력 저항 (R) 또는 출력 전압 (Vout) 이 입력 전압 (Vin) 의 함수로서 도시된다. 응답 곡선은, 입력 전압의 리세트 전압에서, 출력 전압의 LRS 및 HRS 값들로부터 스위칭하는 비교기 형태를 갖는다.

도 20a 및 도 20b 는 일부 실시형태들에 따른 리세트 및 컨버터 회로들을 갖는 비휘발성 비교기 회로의 개략적 다이어그램들을 예시한다. 도 20a 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 이용하여 비휘발성 비교기 기능을 제공할 수 있는 회로 (2000) 의 단순화된 블록 다이어그램을 도시한다. 회로 (2000) 는 저항성 스위칭 회로 (2010), 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (2010) 는 또한 저항성 스위칭 엘리먼트를 통과하는 전류를 제어하기 위한 전류 제어 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (2010) 는 입력 전압 (Vin) 을 수용하고, 입력 신호 (Vin) 에 대응하는 출력 응답 (Vout) 을 제공하도록 동작가능할 수 있다.

이 회로 (2000) 는 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항 상태를 리세팅하도록 동작가능할 수 있는 리세트 회로 (2030) 를 포함할 수 있다. 따라서, 저항성 스위칭 엘리먼트를 세팅하여, 예를 들어, 입력 전압을 인가하기 전에 저항성 스위칭 엘리먼트가 저저항 상태에 놓이도록 리세트 회로가 포함될 수 있다.

이 회로 (2000) 는 비휘발성 저항 값을 임의의 원하는 출력으로 컨버팅하도록 동작가능할 수 있는 컨버터 회로 (2050) 를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전류 소스를 갖는 컨버터 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트에 커플링되어 출력 전압을 발생시킬 수 있다, 예를 들어, 출력 저항을 출력 전압으로 컨버팅할 수 있다.

일부 실시형태들에서, 저항성 스위칭 회로를 저저항 상태로 리세팅한 후에, 입력 전압 (Vin) 의 인가시, 저항성 스위칭 회로 (2010) 는 출력 저항 응답 (Rrs) 을 발생시킬 수 있는데, 이 출력 저항 응답은 저항성 스위칭 엘리먼트의 리세트 전압으로 비교기 신호를 표현하는 출력 전압 (Vout) 으로 컨버팅될 수 있다.

도 20b 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 이용하여 비휘발성 비교기 기능을 제공할 수 있는 회로 (2005) 의 단순화된 회로 다이어그램을 도시한다. 회로 (2005) 는, 저항성 스위칭 회로, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트 (2015) 및 그 저항성 스위칭 엘리먼트 (2015) 를 통과하는 전류를 제어하기 위한 전류 제어 회로로서 작용하는 트랜지스터 (2017) (또는 저항기, 미도시) 를 갖는 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로는 입력 전압 (Vin) 을 수용하여 입력 신호 (Vin) 에 대응되도록, 예를 들어, 입력 신호 (Vin) 의 함수로서, 저항성 스위칭 엘리먼트 (2015) 의 저항을 세팅하도록 동작가능할 수 있다.

회로 (2005) 는 저항성 스위칭 엘리먼트 (2015) 를 리세팅할 수 있는 리세트 회로 (2035) 를 포함할 수 있다. 리세트 회로 (2035) 는 전압 소스 (2037 또는 2038) 를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (Vin 및 트랜지스터 (2017) 를 포함함) 와 리세트 회로 (2035) 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트 (2015) 를 토글링하기 위해 스위치들의 세트 (2080A 및 2080B) 가 포함될 수 있다.

이 회로 (2005) 는 비휘발성 저항 값을 임의의 원하는 출력으로 컨버팅할 수 있는 컨버터 회로 (2055) 를 포함할 수 있다. 컨버터 회로 (2055) 는 전압 소스 (2057 또는 2058) 를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (Vin 및 트랜지스터 (2017) 를 포함함) 와 컨버터 회로 (2055) 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트 (2015) 를 토글링하기 위해 스위치들의 세트 (2080A 및 2080B) 가 포함될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 동작에서, 저항성 스위칭 엘리먼트의 리세트 임계치가 원하는 값으로 수정된다. 저항성 스위칭 엘리먼트는 저저항 상태로 리세팅된다. 그 후에 입력 전압 (Vin) 의 인가시, 입력 전압과 리세트 임계 전압 사이의 비교의 형태를 갖는 출력 전압이 발생될 수 있다.

도 21a 및 도 21b 는 일부 실시형태들에 따른 비휘발성 비교기 회로의 응답들을 예시한다. 도 21a 에서, 출력 저항 (Rrs) 은 입력 전압 (Vin) 의 함수로서 도시된다. 응답 곡선은, 리세트 임계 전압에서 LRS 로부터 HRS 로 스위칭하는, 저항성 스위칭 엘리먼트의 리세트 천이를 도시한다. 도 21b 에서, 출력 전압 (Vout) 은 입력 전압 (Vin) 의 함수로서 도시된다. 응답 곡선은, 리세트 임계 전압에서, 제로와 Vm 사이를 스위칭하는 비교기 형태를 갖는다. 전압 응답은 컨버터 회로의 결과일 수 있고, 이 컨버터 회로는 저항 응답 (Rrs) 을 전압 응답 (Vout) 으로 컨버팅한다.

도 22a 및 도 22b 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 비교기 회로를 형성하고 동작시키기 위한 플로우차트들을 예시한다. 도 22a 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 비교기 회로의 형성을 도시한다. 비교기 회로는 입력 전압을 수용하고, 비교기 곡선을 갖는 출력 전압을 발생시키는 것을 위해 동작가능할 수 있다.

동작 2200 은 비휘발성 비교기 회로를 형성한다. 비휘발성 비교기 회로는 저항성 스위칭 회로, 리세트 회로, 및 컨버터 회로를 포함할 수 있다. 리세트 회로는 저항성 스위칭 회로에서의 저항성 스위칭 엘리먼트를 저저항 상태로 세팅하도록 동작가능할 수 있다. 저항성 스위칭 회로는 입력 전압 (Vin) 에 응답하여 저항 출력 (Rrs) 을 발생시키도록 동작가능할 수 있다. 컨버터 회로는 저항 응답을 전압 응답으로 컨버팅하도록 동작가능할 수 있다. 또한, 리세트 회로, 컨버터 회로, 및 저항성 스위칭 회로 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 토글링하기 위해 토글 회로가 포함될 수 있다.

비휘발성 비교기 회로는, 예를 들어, 입력 전압을 샘플링하고 비교기 응답 곡선을 갖는 출력 전압을 발생시키는 함수를 포함하는 비교기 회로로서 동작가능하다.

도 22b 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 비교기 회로의 동작을 도시한다. 입력 전압이 비교기 회로에 인가되고, 이 비교기 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 리세트 임계 전압과 입력 전압 사이에서 비교기 출력을 발생시키는데 이용될 수 있다.

동작 2230 은 저항성 스위칭 회로, 리세트 회로, 및 컨버터 회로를 갖는 회로를 제공한다. 이 회로는 비휘발성 비교기 회로일 수 있다. 동작 2240 은 저항성 스위칭 회로를 리세팅하여, 예컨대 저항성 스위칭 엘리먼트에 세트 전압을 인가하여 저항성 스위칭 엘리먼트를 저저항 상태로 천이시킨다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 리세트 회로로 스위칭하기 위해, 옵션적 토글링 동작이 수행될 수 있다.

동작 2250 은 저항성 스위칭 엘리먼트에 입력 전압을 인가하여 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 임계 전압과 입력 전압 사이에서 비교기 출력을 발생시킨다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 저항성 스위칭 회로로 스위칭하기 위해, 옵션적 토글링 동작이 수행될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 토글 동작이 1 회 수행될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 토글 동작이 순환적일 수 있다.

동작 2260 은 저항 출력을 전압 출력으로 컨버팅한다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 컨버터 회로로 스위칭하기 위해, 옵션적 토글링 동작이 수행될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 토글 동작이 1 회 수행될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 토글 동작이 순환적일 수 있다.

일부 실시형태들에서, 비교기 회로의 세트 또는 리세트 임계치를 변화시키기 위해 임계치 세팅 회로가 포함될 수 있다. 세트 또는 리세트 임계치가 이전 리세트 또는 세트 동작에 의해 각각 변화될 수 있으므로, 임계치 세팅 회로는 제어가능한 리세트 회로와 유사할 수 있다.

도 23a 및 도 23b 는 일부 실시형태들에 따른 리세트, 컨버터, 및 임계치 세팅 회로들을 갖는 비휘발성 비교기 회로의 개략적 다이어그램들을 예시한다. 도 23a 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 이용하여 비휘발성 비교기 기능을 제공할 수 있는 회로 (2300) 의 단순화된 블록 다이어그램을 도시한다. 회로 (2300) 는 저항성 스위칭 회로 (2310), 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (2310) 는 또한 저항성 스위칭 엘리먼트를 통과하는 전류를 제어하기 위한 전류 제어 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (2310) 는 입력 전압 (Vin) 을 수용하고, 입력 신호 (Vin) 에 대응하는 출력 응답 (Vout) 을 제공하도록 동작가능할 수 있다.

이 회로 (2300) 는 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항 상태를 리세팅하도록 동작가능할 수 있는 리세트 회로 (2330) 를 포함할 수 있다. 따라서, 저항성 스위칭 엘리먼트를 리세팅하여, 예를 들어, 입력 전압을 인가하기 전에 저항성 스위칭 엘리먼트가 고저항 상태 (저전도성 상태) 에 놓이도록 리세트 회로가 포함될 수 있다.

회로 (2300) 는, 저항성 스위칭 회로 (2310) 의 세트 임계치를 수정하여, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트가 HRS 로부터 LRS 로 스위칭하는 전압을 변화시키도록 동작가능할 수 있는 임계치 세팅 회로 (2340) 를 포함할 수 있다. 임계치 세팅 회로 (2340) 는 전압 또는 전류 소스를 포함할 수 있는데, 이 전압 또는 전류 소스는 연속적이거나 또는 펄싱되고, 신호를 저항성 스위칭 엘리먼트에 제공하여 전압 또는 전류를 발생시킬 수 있으며, 이 전압 또는 전류는 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항의 값에 대응된다.

이 회로 (2300) 는 비휘발성 저항 값을 임의의 원하는 출력으로 컨버팅할 수 있는 컨버터 회로 (2350) 를 포함할 수 있다.

일부 실시형태들에서, 세트 임계 전압은 원하는 기준 전압 값이 되도록 수정된다. 저항성 스위칭 회로를 저저항 상태로 리세팅한 후에, 입력 전압 (Vin) 의 인가시, 저항성 스위칭 회로 (2310) 는 저항성 스위칭 엘리먼트의 리세트 전압으로 비교기 신호를 표현하는 출력 전압 응답 (Vout) 을 발생시킬 수 있다.

도 23b 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 이용하여 비휘발성 비교기 기능을 제공할 수 있는 회로 (2305) 의 단순화된 회로 다이어그램을 도시한다. 회로 (2305) 는, 저항성 스위칭 회로, 예를 들어, 저항성 스위칭 엘리먼트 (2315) 및 그 저항성 스위칭 엘리먼트 (2315) 를 통과하는 전류를 제어하기 위한 전류 제어 회로로서 작용하는 트랜지스터 (2317) (또는 저항기, 미도시) 를 갖는 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로는 입력 전압 (Vin) 을 수용하여 입력 신호 (Vin) 에 대응되도록, 예를 들어, 입력 신호 (Vin) 의 함수로서, 저항성 스위칭 엘리먼트 (2315) 의 저항을 세팅하도록 동작가능할 수 있다.

회로 (2305) 는 저항성 스위칭 엘리먼트 (2315) 를 세팅할 수 있는 리세트 회로 (2335) 를 포함할 수 있다. 리세트 회로 (2335) 는 전압 소스 (2337 또는 2338) 를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (Vin 및 트랜지스터 (2317) 를 포함함) 와 리세트 회로 (2335) 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트 (2315) 를 토글링하기 위해 스위치들의 세트 (2380A 및 2380B) 가 포함될 수 있다.

회로 (2305) 는 저항성 스위칭 엘리먼트 (2315) 의 리세트 임계치를 수정할 수 있는 임계치 세팅 회로 (2335) 를 포함할 수 있다. 임계치 세팅 회로 (2335) 는 전압 소스 (2337 또는 2338) 를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (Vin 및 트랜지스터 (2317) 를 포함함) 와 임계치 세팅 회로 (2335) 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트 (2315) 를 토글링하기 위해 스위치들의 세트 (2380A 및 2380B) 가 포함될 수 있다.

이 회로 (2305) 는 비휘발성 저항 값을 임의의 원하는 출력으로 컨버팅할 수 있는 컨버터 회로 (2355) 를 포함할 수 있다. 컨버터 회로 (2355) 는 전압 소스 (2357 또는 2358) 를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로 (Vin 및 트랜지스터 (2317) 를 포함함) 와 컨버터 회로 (2355) 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트 (2315) 를 토글링하기 위해 스위치들의 세트 (2380A 및 2380B) 가 포함될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 동작에서, 저항성 스위칭 엘리먼트의 리세트 임계치가 원하는 값으로 수정된다. 저항성 스위칭 엘리먼트는 또한 저저항 상태로 세팅된다. 그 후에 입력 전압 (Vin) 의 인가시, 입력 전압과 리세트 임계 전압 사이의 비교의 형태를 갖는 출력 전압으로 컨버팅될 수 있는 출력 저항이 발생될 수 있다.

도 24 는 일부 실시형태들에 따른 비휘발성 비교기 회로의 응답들을 예시한다. 출력 전압 (Vout) 은 입력 전압 (Vin) 의 함수로서 도시된다. 응답 곡선은, 리세트 임계 전압에서, Vm 으로부터 제로로 스위칭하는 비교기 형태를 갖는다. 상이한 리세트 임계 동작에 의한 상이한 응답 곡선들을 표현하는 상이한 리세트 임계 전압들 (Vreset1, Vreset2, 및 Vreset3) 이 도시된다.

도 25a 및 도 25b 는 일부 실시형태들에 따른 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 비교기 회로를 형성하고 동작시키기 위한 플로우차트들을 예시한다. 도 25a 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 비교기 회로의 형성을 도시한다. 비교기 회로는 입력 전압을 수용하고, 비교기 곡선을 갖는 출력 전압을 발생시키는 것을 위해 동작가능할 수 있다.

동작 2500 은 비휘발성 비교기 회로를 형성한다. 비휘발성 비교기 회로는 저항성 스위칭 회로, 리세트 회로, 컨버터 회로, 및 세트 임계치 회로를 포함할 수 있다. 저항성 스위칭 회로는 입력 전압 (Vin) 에 응답하여 저항 (Rrs) 을 발생시키도록 동작가능할 수 있다. 리세트 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트를 고저항 상태로 리세팅하도록 동작가능할 수 있다. 세트 임계치 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 세트 임계 전압을 수정하도록 동작가능할 수 있다. 컨버터 회로는 저항 값을 전압 또는 전류 값으로 컨버팅하도록 동작가능할 수 있다. 또한, 리세트 회로, 컨버터 회로, 임계치 세팅 회로, 및 저항성 스위칭 회로 사이에서 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 토글링하기 위해 토글 회로가 포함될 수 있다.

비휘발성 비교기 회로는, 예를 들어, 입력 전압을 샘플링하고 비교기 응답 곡선을 갖는 출력 전압을 발생시키는 함수를 포함하는 비교기 회로로서 동작가능하다.

도 25b 는 저항성 스위칭 엘리먼트를 갖는 비휘발성 비교기 회로의 동작을 도시한다. 입력 전압이 비교기 회로에 인가되고, 이 비교기 회로는 저항성 스위칭 엘리먼트의 리세트 임계 전압과 입력 전압 사이에서 비교기 출력을 발생시키는데 이용될 수 있다.

동작 2530 은 저항성 스위칭 회로, 리세트 회로, 컨버터 회로, 및 임계치 세팅 회로를 갖는 회로를 제공한다. 이 회로는 비휘발성 비교기 회로일 수 있다.

동작 2540 은 저항성 스위칭 엘리먼트에 대한 리세트 임계 전압을 세팅한다, 예를 들어, 수정한다. 임계치 세팅 동작 전에 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 세트 임계치 회로로 스위칭하기 위해, 옵션적 토글링 동작이 수행될 수 있다.

동작 2550 은 저항성 스위칭 회로의 저항을 리세팅하여, 저항성 스위칭 엘리먼트가 저저항 상태로 놓이게 한다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 리세트 회로로 스위칭하기 위해, 옵션적 토글링 동작이 수행될 수 있다.

동작 2560 은 저항성 스위칭 엘리먼트에 입력 전압을 인가하여 출력 저항을 발생시키고, 이 출력 저항은 저항성 스위칭 엘리먼트의 스위칭의 결과이다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 저항성 스위칭 회로로 스위칭하기 위해, 옵션적 토글링 동작이 수행될 수 있다.

동작 2570 은 출력 저항을 출력 전압과 같은 원하는 값으로 컨버팅한다. 저항성 스위칭 엘리먼트의 제어를 컨버터 회로로 스위칭하기 위해, 옵션적 토글링 동작이 수행될 수 있다.

일부 실시형태들에서, 토글 동작이 1 회 수행되거나 또는 순환적일 수 있다. 예를 들어, 임계치 세팅 동작은 1 회 수행될 수 있고, 리세트 동작은, 예를 들어, 출력 전압들을 발생시키기 전에, 순환적일 수 있다.

전술된 예들이 이해의 명확성을 목적으로 일부 상세에 설명되었지만, 본 발명은 제공된 상세들로 제한되지 않는다. 본 발명을 구현하는 많은 대안적인 방법들이 존재한다. 개시된 예들은 한정적이 아니라 예시적인 것이다.

Claims (20)

1. 저항성 스위칭 엘리먼트를 포함하는 저항성 스위칭 회로로서, 상기 저항성 스위칭 엘리먼트는 고저항 상태 및 저저항 상태를 포함하고, 상기 저항성 스위칭 엘리먼트는 리세트 전압에서 상기 저저항 상태로부터 상기 고저항 상태로 천이하도록 구성되는, 상기 저항성 스위칭 회로;
   상기 저항성 스위칭 엘리먼트가 상기 저저항 상태로 놓이도록 동작가능한 리세트 회로;
   상기 저항성 스위칭 엘리먼트의 저항에 비례하는 전압을 제공하도록 동작가능한 컨버터 회로; 및
   상기 리세트 전압을 변화시키도록 동작가능한 임계치 세팅 회로
   를 포함하는, 비교기 회로.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 저항성 스위칭 회로는 전류 제어 디바이스를 더 포함하고,
   상기 전류 제어 디바이스는 저항기 또는 트랜지스터를 포함하는, 비교기 회로.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 비교기 회로는 상기 저항성 스위칭 엘리먼트의 제 1 단자 단부로의 입력 전압을 수용하고,
   상기 비교기 회로는 상기 저항성 스위칭 엘리먼트의 제 2 단자 단부에서 출력 전압을 제공하는, 비교기 회로.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 리세트 회로, 상기 컨버터 회로, 또는 상기 임계치 세팅 회로가 상기 저항성 스위칭 엘리먼트에 연결되게 하도록 구성되는 토글 회로를 더 포함하는, 비교기 회로.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 컨버터 회로는, 상기 저항성 스위칭 엘리먼트를 통해 전류를 제공하는 전류 소스를 포함하는, 비교기 회로.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 리세트 회로는, 상기 저항성 스위칭 엘리먼트를 통해 전류를 제공하는 전압 또는 전류 소스를 포함하는, 비교기 회로.
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