DE2050720B2 - Elektrisch und optisch setzbares speicherelement - Google Patents
Elektrisch und optisch setzbares speicherelementInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisch und optisch setzbarcs Speicherelement mit einer
Speicherzelle, die zwei über Kreuz gekoppelte Transistoren
enthält, welche über je ein Lastimpedanzci-.'ment
mit einer Spannungsquellc verbunden sind stören 7", bzw. 7'.,. Die Transistoren T.. und TA sind
über einen Schalter 6 mit dem negalisen Pol —V
einer Spannungsvolle verbunden, deren anderer Pol an einem Bezugspotentialpunkt (Masse) liegt.
Die Transistoren T1 bis T1 sind MOS-FeldeiTekliransistore".
(MOS — Meia!!-Oxvd-Ha!b!ei!e!). Jeder
dieser Transistoren hat, wie für den Transistor 7\, gezeigt, eine Quellenelektrode 7, eine Abflußclektrocie
8 und ein Gitter (Steuerelektrode 9). Die Schaltung mit den Transistoren T1 bis T4 ist eine bistabile
Kippschaltung oder ein Flipflop bekannter Art.
Das Flipflop ist als Speicherzelle in einer Anordnung
oder Matrix von solchen Speicherzellen geschaltet, wobei Einrichtungen zum elektrischen Einspeichern
oder Einschreiben eines Informationsbits in die Speicherzelle sowie zum Auslesen des Inforrnationsbits
aus der Speicherzelle vorgesehen sind. Die Ansteucrcinrichtimg enthält eine mit einer Bitspaltenleitung
dn verbundene Bitansteuer- und Lese-
schaltung Dn und eine mit einer Bitspaltenleitung (I1
verbundene Bitansteuer- und Leseschaltung D1 sowie einen mit einer Wortzeilenleiuing w0 verbundenen
Worttreiber Wu und einen mit einer Wortzeilenleitung
w, verbundenen Worttreiber (F1,
Die Bitleitung </0 ist über einen Schleusentransistor
7- mit dem Abfluß (.Ausgang) Ii) des Transistors T1
sowie mit dem Gitter l) des Transistors T., verbunden.
Der Schleusentransistor T, wird durch ein seinem (utter über die Wcrtleitung n>0 zugeleiteten Signal
aufgetastet. Die Bitleitung rf, ist über einen Schleusentransistor
T6 an aen Abfluß (Ausgang) 11 des
Transistors 7\, sowie an das Gitter des Transistors T1
angekoppelt. Der Schlcusemransistor T1. wird durch
ein Signal aus der Wortleitung If1 aufgetastet.
Die Schaltung nach F i g. 1 enthält ferner eine jni-Photodiode I). die mit ihrer Anode an den Abfluß
1(1 des Transistors V1 sowie über die eine ÜberkreuzkoppelleiHmg
mit dem Cutter l) des 'r'ransi";tors 7'.,
\erblinden und mit ihrer Kathode 14 an Masse, gebildet
durch das Siliciumsubstrat des Transistors 7",, liegt. Bei Aufbau der Schaltung in integrierter Form
kann das Siliciumsubstrat auch den Transistoren 7'., bis V1. gemeinsam sein.
F i g. 3 und 4 zeigen eine mögliche räumliche Auslülmmgsfonn
des elektrisch und optisch setzbaren Speicherelements nach Fig. 1. Die Schaltung ist auf
einem η-leitenden Siliciumsubstrat 20 aufgebaut, in welchem Gebiete aus ρ : -Silicium ausgebildet sind,
die als Quellen- und Abflußelemente der Transistoren dienen. Die ρ----Gebiete und die dazwischen
befindlichen Gebiete sind mit einer Schicht aus SiIiciumdioxyd (SiO.,). die einen elektrischen Isolator
bildet, bedeckt, über den Gebieten zwischen den jeweiligen
Quellen und Abflüssen sind leitende Gitterelektrode η angebracht. Auf der Siliciumdioxydschicht
angebrachte elektrische Leiter kontaktieren durch ÖITnungen in der Siliciumdioxydschicht die darunter
befindlichen ρ :- -Gebiete.
Die in F i g. 1 gezeigten Transistoren T1 bis T0
sind in F i g. 3 mit den gleichen Bezeichnungen T1
bis V1. versehen. Der Transistor Tx hat. wie man in
F i g. 3 und 4 sieht, eine ρ 4--leitende Quelle 21 im Abstand von einem ρ 4- -leitenden Abfluß 22. Eine
dünne Siliciumdioxvdschicht auf dem Flächenbereich zwischen Quelle 2! und AbIIuIJ 22 bildet ein Isoliergebiet,
über welchem eine leitende Gitterelektrode 11' angebracht ist. Die Bitleiter d0 und U1 sind auf der
Oberseite der Siliciumdioxydschicht angebracht. Ein Masseleiler G auf der Siliciumdioxydschicht kontaktiert
mit einem die Siliciumdioxydschicht durchsetzenden Kontaktbereich 24 das die Quelle 21 des
Transistors T1 bildende p4-\1aterial. Die Konstruktion
des Lastimpedanz-T: 'sistors '/"., ist cberua!ls
sowohl in F i g. 3 als auch ir, F i g. 4 gezeigt.
Der Abfluß 22 des Transistors T1 ist in F i g. 3
und 4 als aus ρ 4--Material bestehend dargestellt, das sich längs des η-leitenden Substrats 20 bis zu
einer verhältnismäßig großen quadratischen Fläche 22' erstreckt. Das ρ----Material der Fläche 22' bildet
die Anode 13 der Photodiode D in Fig. 1. Das n-leitenc.c Material 20 bildet die Kathode 14 der
Photodiode D in Fig. 1. Die große Fläche des p-f-Materials
22' ist d"rch eine Öffnung 24 in der Siliciumdioxydschicht
sichtbar. Das Material 22' ist. wie in F i g. 4 gezeigt, nicht mit Siliciumdioxyd bedeckt.
Gcwünschtenfalls kann man jedoch zum Zwecke der Passivierung und der wirksameren Lichtüberiragung
die Fläche 22' mit einer dünnen Schicht aus. Siliciumdioxyd, deren Dicke ungefähr gleich ' Ί der Wellenlänge
des Lichtsignals L ist, bedecken, so daß die Reflexionen des Lichtsignal an der Oberfläche des
Siliciums minimalisiert werden.
Die Bodenfläche des n-Siliciumsubstrats 20 κι.·ηη
mit eiiiei dünnen η 4--Schicht 26 versehen sein, aiii
der eine metallische Grund- oder Masseschicht 28 angebracht ist. Die metallische Masseschicht 28 ist
ίο durch eine äußere Drahtverbindung 29 mit dem
Masseleiter G auf der Oberseite der integrierten Schaltung verbunden. Da der Aufbau integrierter
MOS-Schaltungen allgemein bekannt ist, braucht die
in Fi g. 3 und 4 gezeigte Anordnung hier nicht weiter erläutert zu werden.
Es soll jetzt an Hand der Signalverläufe nach F i g. ?. die Arbeitsweise der Schaltung nach F >
g. 1 erläutert werden. Es sei ang· "ommen. daß das HipHop zum Zeitpunkt t„ sich im gesetzten Zustand bei
leitendem Transistor T1 und gesperrtem Transistor I1
befindet. Da die Schaltung auf ein optisches Eingangssignal (Lichtsignal) nur dann anspricht, w.nn
da., Flipflop sich im rückgesetzten Zustand befindet,
muß das Flipflop routinemäßig vor Anlegen eines Lichtsignals elektrisch rückgesetzt werden. Dies erfolgt
zum Zeitpunkt I1 durch Beaufschlagen der Buleilung
du mit einem negativen Impuls (F i g. 2 c) und
gleichzeitiges Beaufschlagen der Worüeiuing ir„ mit
einem negativen Impuls (Fig. 2b). so daß der Schleusentransistor T. aufgetastet wird. Der den
Schleusentransistor Tr> durchlaufende negative Impuls
gelangt zum Abfluß 10 des Transistors T1 und zum Gilter 9 des Transistors T.,. Dadurch wird der Transistor
7'., leitend und, durch Rückkopplung /wischen den über Kreuz gekoppelten Trarsisto-en. der Transistor
T1 nichtleitend. Das Flipflop befindet sich sodann
im rückgesetzten Zustand, wobei am Ablluß 10 des Transistors T1 und an der Photodiode D die
Spannung - ν liegt. Die Geschwindigkeit des Rücksetzens wird dadurch erhöht, daß gleichzeitig das
Signal 2(Y der Wortleitung n·, und das Signal Ic der
Bitleitung dx zugeleitet werden. Die Photodiode wird
jetzt auf die Spannung ν aufgeladen.
Um die Schaltung lichtempfindlich, d. h. ansprechbereit
für Licht zu machen, muß die Photodiode D isoliert werden, damit verhindert wird, daß sie durch
Strom von irgendeiner Quelle im aufgeladenen Zustand gehalten wird. Nach dem Zeitpunkt ;., wird aus
der Bitlcitung <·/„ über den Schleusentransistor V.
kein Strom mehr angeliefert, und die Photodiode D kann mit Hilfe des Schalters 6, der die Vorspannung
V (Fig. 2a) abschaltet, zu einem Zeitpunkt vor dem Zeitpunkt /.„ zu welchem Eingangslicht empfangen
werden kann, isoliert werden. Damit der Transistor T., au! eine Spannimgsänderung an seinem
Gitter ansprechen kann, wird die Bitlcitung dx zum
Zeitpunkt ?„ mit eine Spannung — ν (F i g. 2e) beaufschlagt,
die durch den Schlcusemransistor 'I1. (der
bereits durch ein Signal aus der Wortleitimg wv
Fig. 2d, abgetastet ist) zum Abfluß 11 des Transistors 7'., gelangt. Dadurch wird effektiv der Transistor
Tx als Laslimpedanz für den Transistor T., durch
den Schleusentransistor T1. ersetzt. Gemäß einer alternativen
Betriebsweise kann auch der Schalter 6 geschlossen bleiben und statt dessen der Schalter 6'
geöffnet werden.
Wenn während des Intervalls zwischen /., und /,
kein Einiianiislichisisnal auf die Photodiode D ein-
fällt, wird die Ladung der Photodiode nur geringfügig
durch Ableitung verringert, wie durch die gestrichelte LinielS in Fig. 2f angedeutet. Zum Zeitpunkt
f4, wenn die Vorspannung — V wiederhergestellt
wird, bleibt dann das Flipflop im rückgesetzten Zustand.
Wenn dagegen nach dem Zeitpunkt f., ein Eingangslichtsignal auf die Photodiode D auftrifft, wird
die Photodiode leitend gemacht und ihre Ladung abgebaut, wie durch die Linie 16 in Fig. 2f angedeutet.
Diese Spannung wird auf das Gitter des Transistors T1, gekoppelt, dessen Leitvermögen durch die
entsprechende Spannungsverringerung erniedrigt wird, bis zum Zeitpunkt f., die Schwellenspannung von Tx
erreicht ist. Dann wird durch Rückkopplungswirkung der Transistor T1 leitend gemacht, und das FlipRop
befindet sich im gesetzten Zustand. Der gesetzte Zustand des Flipflops wird durch Wiederherstellen der
Vorspannung — V zum Zeitpunkt J4 vor Entfernen
der Spannung — V von der Bitleitung d, (Fig. 2e)
und von der Wortleitung W1 (Fig. 2d) zum Zeitpunkt
f. erhalten.
Statt MOS-Feldeffekttransistoren mit p-Kanal kann ίο man auch MOS-Feldeffekttransistoren mit n-Kanal
oder komplementäre MOS-Feldeffekttransistoren verwenden.
Ferner kann man die Schaltung sowohl auf einem Siliciumsubstrat als auch nach der Silicium
auf-Saphir-Tcchnik ausbilden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Elektrisch und optisch setzbares Speicherelement mit einer Speicherzelle, die zwt; über
Kreuz gekoppelte Transistoren enthält, welche über je ein Lastimpedanzelement mit einer Spannungsuuelle
verbunden sind und je zwei Hauptelektroden sowie eine Steuerelektrode aufweisen,
dadurch gekennzeichnet, daß eine
Photodiode (D) mit ihrer einen Elektrode an die Steuerelektrode (9) des zweiten Transistors (T.,)
und mit ihrer anderen Elektrode an einen Bezugspotentiaipunk; (Masse) angeschlossen ist und
daß diese Photodiode in Sperrichtung vorgespannt und auf im wesentlichen das Potential der Spannungsquelle
(- V) aufgeladen wird, wenn der erste Transis.v r (T1) im wesentlichen nicht leitend
und der zweite Transistor ('/".,) leitend ist.
2. Speicherelement nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherzelle aus gitterisolierten
Feldeffekttransistoren mit AbIIuB- und Quellenelektrode als Hauptelektroden und Gitter
als Steuerelektrode aufgebaut rt.
3. Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren je
eine Quelle und einen Abfluß gegebenen Leitungstyps auf einem Substrat eines anderen
Leitungstyps aufweisen und daß die eine Elektrode der Photodiode VD) di.ch eine Verlängerung
des Abflusses (HP) des ersten Transistors
(T1) gebildet wird.
4. Speicherelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3. gekennzeichnet durch eine Einrichtung
zum Unterbrechen der Verbindung der Spannungsquelle mit dem ersten Transistor (T1)
und der Photodiode (D). derari, daß auf die Photodiode einfallende Lichtenergie bewirkt, daß
die Speicherzelle gesetzt wird.
5. Speicherelement nach Anspruch 4. gekennzeichnet durch eine Anordnung zum Wiederherstellen
der Verbindung der Spannungsquelle mit dem ersten Transistor und der Photodiode, derari.
daß der bestehende elektrische Zustand der Speicherzelle erhalten bleibt.
(S. Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß außerdem ein Schleusentransistor (T.) vorgesehen ist. der im aufgetasteten Zustand die
Photodiode (D) mit einem Sperrspannungsimpuls beaufschlagt, derart, daß an der Photodiode eine
Ladung hergestellt wird: und daß mindestens während eines anschließenden Zeitintervalls,
wenn die Photodiode für ein Eingangslichtsignal emplangsbercit ist, die Anwesenheit eines Eingangsliclusi^nals
eine Entladung der Photodiode unter Abgabe eines Eingangssign'.'s an die
Speicherzelle bewirkt.
7. Speicherelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Speicherzelle eine bistabile Kippschaltung ist.
und je zwei Hauptelektroden sowie eine Steuerelektrode aufweisen.
Datenverarbeitungsanlagen und Einrichtungen zur Informationsverarbeitung enthalten häufig Register
und Speicherwerke, die für die Speicherung von binären Ihformationsbits jeweils eine entsprechende
Anzahl von bistabilen Halbleiierkippsc-ialiungLn
oder Flipflops aufweisen. Die Register und Speicherwerke sind zum Einspeichern, und Auslesen der
ίο Binärinformation elektrisch anstei.erbar. Es besteht
jedoch ein wachsende·; Interesse an Datenverarbeiiungs-
und Rechenanlagen mit Bauelementen oder baugruppen, in welchen die Binärinformation durch
optische oder Lichtsignale anstatt durch elektrische
Signale dargestellt wird. In diesem Falle ist es dann
wünschenswert, die Lichtsignale in entsprechende elektrische Signale umzusetzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Speicherelement zu schallen, das diesen
Erfordernissen genügt.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Speicherelement der eingangs genannten Art gelöst,
das dadurch gekennzeichnet ist. daß eine Photodiode mit ihrer ein^n Elektrode an die Steuerelektrode
des zweiten Transistors und mit ihrer anderen Elektrode an einen Bezugspotentialpunkt angeschlossen
ist und daß dies»? Photodiode in Sperrichtung vorgespannt
und auf im wesentlichen das Potential der Spannungsquelle aufgeladen wird, wenn der erste
Transistor im wesentlichen nicht leitend und der zweite Transistor leitend ist.
Der Eriindungsgedanke wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 das Schaltschema e;nes elektrisch und
optisch setzbaren Flipflops gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 2 ein Diacramm, das verschiedene Spannungsverläufe,
die im Betrieb der Schaltung nach Fig.] auftreten, wiedergibt,
F i g. 3 den Grundriß einer integrierten Schaltungsausführung der Schaltung nach F i g. 1 und
F i g. 4 einen Schnitt entlang der Schnittlinie 4-4 in Fi g. 3.
in F i g. 1 ist eine elektrisch und opiisch setzbare
bistabile Kippstufe oder Flipflopstufe gezeigt. Der Fiipflopteil der Schaltung enthält die über Kreuz gekoppelten
Transistoren Tx und 7., sowie die Lastimpedanz-Transistoren
T.t und
T1 für die
: ransi-
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