NO316580B1 - Fremgangsmåte til ikke-destruktiv utlesing og apparat til bruk ved fremgangsmåten - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte til å bestemme en logisk tilstand for en minnecelle i en datalagringsinnretning, hvor cellen lagrer data i form av en elektrisk polarisasjonstilstand i en kondensator som inneholder et polariserbart materiale, hvor det polariserbare materiale er i stand til å opprettholde en ikke-forsvinnende elektrisk polarisasjon i fravær av en eksternt påtrykt spenning over kondensatoren og å generere strømrespons på en påtrykt spenning, og hvor strømresponsen omfatter lineære og ikke-lineære komponenter. Den foreliggende oppfinnelse angår også henholdsvis et første apparat og et annet apparat for å utføre en fasesammenligning i fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen.

Spesielt angår den foreliggende oppfinnelse en ikke-destruktiv utlesning av minneceller, hvor det polariserbare materiale er et elektretmateriale eller et ferroelektrisk materiale, som kjent i teknikken.

I løpet av de siste år er datalagring blitt påvist i elektrisk polariserbare medier bestående av tynne filmer av keramiske eller polymere ferroelektriske materialer. En vesentlig fordel ved slike materialer er at de bibeholder sin polarisasjon uten permanent tilførsel av elektrisk energi, dvs. at lagringen er ikke-flyktig.

To hovedklasser av minneinnretninger hvor den logiske tilstand til en individuell minnecelle representeres av polarisasjonsretningen til den ferroelektriske tynnfilm i denne celle er blitt vist. I begge tilfeller blir data skrevet til minnecellen ved å polarisere filmen i den ønskede retning ved påtrykking av en passende rettet elektrisk felt som overstiger koersivitetsfeltet til det ferroelektriske materialet. Imidlertid er komponentarkitekturene fundamentalt forskjellig.

I den første klasse av innretninger innbefatter hver minnecelle minst en transistor. Den samlede minnearkitektur er av den aktive matrisetype, idet den vesentlige fordel sammenlignet med tradisjonelle SRAM- og DRAM-innretninger er den ikke-flyktige egenskap ved den ferroelektrisk lagrede logiske tilstand.

En omfattende underklasse av slike ferroelektrisk baserte minneinnretninger, vanligvis betegnet FeRAM eller FRAM (en av Symetrix Corp. beskyttet betegnelse) er omfattende beskrevet i vitenskapelig litteratur og patentlitteratur og er for tiden under kommersialisering av en rekke bedrifter verden over. I sin enkleste form (lT-lC-arkitektur) har hver FeRAM-minnecelle en enkelt transistor og kondensator som vist på fig. 1, hvor kondensatoren omfatter et ferroelektrisk materiale som kan polariseres i den ene eller den annen retning og representere henholdsvis en logisk "0" eller en logisk "1". En gitt minnecelle skrives, dvs. prepareres med en ferroelektriske kondensator polarisert i den ønskede retning, ved å påtrykke passende spenninger til ordlinjen, bitlinjen og drivlinjen som betjener denne cellen. Lesing utføres ved å la bitlinjen flyte og påtrykke en positiv spenning til drivlinjen under en bestemt tilstand på ordlinjen. Avhengig av retningen til polarisasjonen til kondensatoren, dvs. hvorvidt cellen lagrer en logisk "0" eller en "1", blir ladningen overført til bitlinjen i denne prosessen enten signifikant eller liten, og den logiske tilstand til cellen bestemmes ved å registrere størrelsen på denne ladning. Da leseoperasjonen er destruktiv, må dataene skrives tilbake etterpå for å unngå permanent tap av den lagrede informasjon. Et stort antall patenter er blitt utstedt på varianter av det grunnleggende FeRAM- konsept, se f.eks. US patentene nr. 4 873 664 (Ramtron International Corp.), 5 539 279 (Hitachi, Ltd.), 5 530 668 (Ramtron International Corp.), 5 541 872 (Micron Technology), 5 550 770 (Hitachi, Ltd.), 5 572 459 (Ramtron International Corp.), 5 600 587 (NEC Corp.),

5 883 828 (Symetrix Corp.). Patentene retter seg mot både kretsarkitekturer og materialer og avspeiler forskjellige problemer som har hindret praktisk implementering av ferroelektriske minner siden disse konseptmessig ble lansert for mange tiår siden. Således har destruktiv lesing av disse minnene medført utmatting i de benyttede ferroelektriske materialer og begrenset deres driftslevetid og dermed grunnleggende anvendelighet for store klasser av anvendelser. Som følge av intensiv innsats er visse materialer (f.eks. PZT og SBT) blitt forbedret og modifisert slik at de kan utholde et stort antall svitsjesykler(1010til IO14), noe som er av betydning i de mest krevende anvendelser, samtidig som de viser tilstrekkelig motstand mot avtrykk osv. Imidlertid krever disse optimerte materialer varmebehandling med høye temperaturer, er utsatt for påvirkning av hydrogen etc. og medfører generelt kostbare og komplekse problemer i forbindelse med integrasjon og høyvolumproduksjon basert på etablert fabrikasjon av silisiumkomponenter. Videre gjør deres behov for varmebehandling dem ubrukbare for fremtidig integrasjon i polymerbaserte elektronisk innretninger. En del av patentene gjenspeiler tiltak for å unngå avdrift og produksjonstoleranseproblemer ved å benytte mer komplekse arkitekturer. Disse kan innbefatte minneceller som inneholder to ferroelektriske kondensatorer og to transistorer (2C-2T-løsninger) for å tillate referanseceller og kretser med mer komplekse pulsprotokotler. Det skal bemerkes at for tiden benytter atle ferroelektriske minner i produksjon 2C-2T-arkitetktur, da materialer med tilstrekkelig stabilitet under eksponering overfor tid og temperatur og spenningssykler fortsatt mangler (jf. D. Hadnagy, "Making ferroelectric memories", The Industrial Physicist, sidene 26-28 (desember 1999)).

I en annen underklasse av innretninger som benytter en eller flere transistorer i hver minnecelle er kilde-drenmotstanden til transistoren i cellen direkte eller indirekte styrt av polarisasjonstilstanden i en ferroelektrisk kondensator i denne cellen. Den grunnleggende ide er ikke ny og er blitt beskrevet i litteraturen, (jf. f.eks. Noriyoshi Yamauchi, "A Metal-Insulator-Semiconductor (MIS) device using a ferroelectric polymer thin film in the gate insulator'-', JapJ.Appl.Phys. 25, 590-594 (1986); Jun Yu et al., "Formation and characteristics of Pb(Zr,Ti)03 buffer layer", Appl.Phys.Lett. 70, 490-492 (1997); Si-Bei Xiong and Shigeki Sakai, "Memory properties of SrBi2Ta209 thin films prepared on Si02/Si substrates", Appl.Phys.Lett. 70, 1613-1615 (1999)). I US patent nr. 5 592 409 (Rohm Co., Ltd.), beskriver Nishimura & al. et ikke-flyktig minne basert på en ferroelektrisk film som polariseres i den ene eller den annen retning og representerer logisk "0" eller "1". Det polariserte ferroelektriske materiale gir forspenning på grindelektroden til en transistor og styrer dermed strømflyten gjennom transistoren. En innlysende fordel ved denne moden er at den logiske tilstand til minnecellen kan leses ikke-destruktivt, dvs. uten å frembringe polarisasjonsomvending i den ferroelektiske kondensator. Et beslektet opplegg beskrevet av J.T, Evans og J.A. Bullington i US patent 5 070 385, er basert på et halvledermateriale i nærkontakt med det ferroelektriske materiale."Her viser det halvledende materiale en elektrisk motstand som avhenger av polarisasjonstilstanden i det ferroelektriske materiale. Uheldigvis er det fortsatt alvorlige uløste material- og behandlingsspørsmål i forbindelse med alle de ovennevnte opplegg (jf. f.eks. D. Hadnagy, op.cit.) og deres vellykkede kommersialisering i overskuelig fremtid er for tiden tvilsom.

I begge de ovennevnte drøftede underklasser utgjør behovet for en eller flere transistorer i hver celle en vesentlig ulempe uttrykt ved kompleksitet og redusert arealmessig datalagringstetthet. I den annen klasse av innretninger som er spesielt relevante her, blir minnecellene lagt ut i en passiv matrisearkitektur hvor to sett av innbyrdes ortogonale elektroder danner grupper av kondensatorlignende strukturer ved krysningspunktene mellom elektrodene. Hver minnecelle kan dannes meget enkelt som illustrert i fig. 2 ved å benytte båndlignende elektroder som definerer et overlappingsområde hvor de krysser, idet overlappingsområdet ugjør en sandwich av polariserbart materiale mellom parallelle elektrodeplan. Imidlertid er alternative kondensatorstrukturer mulige, hvor de elektriske felter som vekselvirker med det polariserbare materiale, har hovedkomponenter rettet parallelt med substratet i stedet for perpendikulært på det. Slike "laterale" arkitekturer skal ikke drøftes ytterligere her, da det spesielle valg av cellearkitektur er uvesentlig for gjenstanden for den foreliggende oppfinnelse. I henhold til kjent teknikk blir dataene i de individuelle minneceller lest ved å påtrykke et elektrisk felt i materialet i hver angjeldende celle med tilstrekkelig størrelse til å overvinne hysteresevirkningen og innrette den elektriske polarisasjon i cellen i retningen til det påtrykte felt. Hvis materialet allerede var polarisert i denne retningen forut for påtrykking av feltet, vil ingen polarisasjon finne sted og bare en liten transientstrøm gå gjennom cellen. Dersom materialet imidlertid hadde vært polarisert i den motsatte retning, vil polarisasjonsomvending finne sted og gjøre at en mye større transientstrøm gikk gjennom cellen. Således er den logiske tilstand, dvs. retningen av den elektriske polarisasjon i den individuelle minnecelle, bestemt ved påtrykking av en spenning med størrelse tilstrekkelig til å overskride koersivitetsfeltet i det ferroelektriske materiale, og deteksjon av den resulterende strøm.

Sammenlignet med aktive, matrisebaserte innretninger, kan passive, matrisebaserte innretninger utføres med en mye høyere minnecelletetthet, og minnematerisen selv er mye mindre kompleks. Imidlertid er utlesningen i henhold til kjent teknikk destruktiv og involverer tap av data i cellen som leses. Således må data som er lest, skrives tilbake til minneinnretningen hvis ytterligere lagring av disse data er ønskelig. En mer alvorlig konsekvens av polarisasjonssvitsjingen er utmatting, dvs. et gradvis tap av svitsjbar polarisasjon som typisk ledsages av behov for en høyere påtrykt spenning til cellen for å frembringe polarisasjonsomvendingen. Utmatting begrenser antallet lesesykler som kan tåles av en gitt minnecelle og således anvendelsesområdet. I tillegg fører den til en lagsommere respons og høyere spenningskrav for minneinnretningen. Den ledsagende gradvise variasjon i forutsies a priori og fører til et behov for "verste tilfeUe"-løsning og drift som er suboptimal.

Det har vært gjort en innsats for å utvikle teknikker som tillater ikke-destruktiv utlesning fra ferroelektrisk-baserte minner, samtidig som en enkelt elementær minnecellearkitektur beholdes. Således beskriver C.J. Brennan ferroelektriske kondensatorceller og forbundne elementære kretsmoduler for datalagring i US patentene nr. 5 343 421, 5 309 390, 5 262 983, 5 245 568, 5 151 877 og 5 140 548. Ved å undersøke småsignalkapasitansverdiene samtidig som det ferroelektriske materiale utsettes for moderate forspenningsfelter, dvs. forspenningsfelter som ikke fører til at toppspenning over cellen under utlesning overstiger koersivitetsfeltet i det ferroelektriske materiale, bestemmes retningen til den spontane polarisasjon i kondensatoren og således den logiske tilstand til minnecellen. Imidlertid er det visse meget spesifikke premisser for å benytte fremgangsmåten og apparatet som beskrevet av Brennan, idet det involverer fenomener basert på romladningsakkumulering på elektrodene, noe som er eksplisitt avhengig av materialene benyttet i elektrodene og det tilstøtende ferroelektriske materiale. Utlesning av data involverer undersøkelse av romladningen, hvilket må utføres i tidsskalaer som er kompatible med slik ladningsakkumulering. Videre finnes det i Brennans patenter ingen anvisninger på hvordan småsignal- og forspenningene skal tidsstyres og korreleres i relasjon til hverandre, hvilket er av avgjørende betydning for implementering i praktiske innretninger. Den ovennevnte US patent nr. 5 140 548 beskriver en innretning som ikke krever forspenning fra en ekstern kilde, og utleder en intern bias fra en kontaktpotensialforskjell mellom elektrodene som omgir den ferroelektriske kjerne i sandwich. Selv om dette i prinsippet er en elegant løsning, lider den av alvorlige ulemper stilt overfor den oppgave å implementeres i praktiske innretninger. Således ofres predikerbarhet og kontroll som kan oppnås ved ekstern forspenning og erstattes av en fast forspenning som er eksplisitt avhengig av materialenes renhet og prosesseringsbetingelser så vel som driftstemperaturen. Den unipolare og kontinuerlige art av den internt genererte forspenning fremmer avtrykk i det ferroelektriske materiale, et velkjent og meget uønsket fenomen i ferroelektriske minneinnretninger. Endelig er en fast forspenning av liten eller ingen verdi når det skal implementeres korrelasjonsstrategier som vist i den foreliggende søknad.

De japanske patentpublikasjoner nr. JP-A-06275062 og JP-A-051296222 (Masayoshi Omura) viser ikke-destruktiv utlesing av passive, matriseadresserbare ferroelektriske minneinnretninger. Polarisasjonstilstanden til en individuell minnecelle bestemmes ved å registrere fasen til den annenharmoniske strømrespons fra en minnecelle eksitert av en periodisk småsignalspenning. Dessuten viser JP-A-06275062 påtrykking av en forspenning for å posisjonere arbeidspunktet på hysteresekurven nær punktet for maksimal krumning for en av de logiske tilstander, slik at den annenharmoiske amplitude blir større.

US patent nr. 5 666 305 (Mihara & al.) viser ikke-destruktiv utlesning i et passivt, matriseadresserbart ferroelektrisk minne ved å påtrykke perturberende spenningspulser på et nivå godt under koersitivspenningen.

US patent nr. 3 132 326 (J.W. Crownover) viser ikke-destruktiv utlesing av en ferroelektrisk minnecelle på en tilsvarende måte ved å bruke spenningspulser som er mindre enn koersitivspenningen for å undersøke strømresponsen til en minnecelle.

US patent nr. 5 262 982 (Brassington & al.) viser bruken av en positiv unipolar puls med samtidig deteksjon av en strømrespons for å undersøke gjennomsnittshelningen til hysteresekurven for polarisasjonsaksen, fulgt av en negativ unipolar puls som undersøker hysteresekurven på tilsvarende måte og så skaffer en forskjell mellom resultatet som fås med hver puls.

Disse fem siste patentpublikasjoner har det til felles at de alle baserer en ikke-destruktiv utlesning på generelt å påtrykke et lese- eller undersøkelsessignal med en spenningsnivå som er meget mindre enn koersitivspenningen og deretter utfører deteksjon a<y> en logisk tilstand med en eller annen parameter til strømresponsen. I et tilfelle blir en annenharmonisk respons benytte for deteksjon. Generelt er disse kjente fremgangsmåter beheftet med iboende svakheter med henblikk på å skaffe en pålitelig betemmelse av en minnecelles logiske tilstand, desto mer da bruken av et enkelt lesesignal ikke vil tillate bruk av mer sofistikerte korrelasjonsteknikker som vil være et krav når ikke-destruktiv lesning skal utføres i småsignaldomenet.

Med henblikk på å oppnå en mer pålitelig ikke-destruktiv utlesning i et passivt, matriseadresserbart ferroelektrisk minne, foreslår endelig US patent nr. 5 530 667 (Omura & al.) en minneinnretning med et ferroelektrisk minnemateriale som skaffer en hysteresekurve med ikke-lineære partier i to bratte oppadstigende eller nedadstigende områder. Ikke-destruktiv utlesning utføres ved å benytte et undersøkelsessignal uten å overskride koersitivspenningen og påtrykke undersøkelsessignalet i områder av hysteresekurven som vil gi et sikkert detekterbart kapasitansdifferensial mellom to registrerte logiske tilstander.

Generelt og spesielt med hensyn til fremstillingen av passive, matriseadresserbare ferroelektriske minneinnretninger med kommersielle utsikter, er det et tvingende behov for innretninger og fremgangsmåter hvormed data kan leses ikke-destruktivt fra minneceller i form av kondensatorer med elektrisk polariserbart materiale som viser hysterese og hvor minnecellen ikke er avhengig av å inneholde aktive kretselementer som transistorer. Når det tas hensyn til den kjensgjerning at ikke-destruktiv utlesning i et passivt, matriseadresserbart ferroelektrisk minne må finne sted med lesespenninger som er meget mindre enn koersitivspenningen og vanligvis i et småsignalregime, er det også et behov for mer pålitelige ikke-destruktive utlesningsmetoder enn de som hittil har vært foreslått i kjent teknikk som ovenfor anført.

Det er således et behov for innretninger og fremgangsmåter hvorved data kan leses ikke-destruktivt fra enkle minneceller i form av kondensatorer som er fylt med et elektrisk polariserbart materiale som viser hysterese, idet cellene ikke er avhengige av å inneholde aktive kretselementer som transistorer. Dette behovet er spesielt påtrengende i passive, matriseadresserte minnestrukturer med ferroelektriske kondensatorer.

Det er en hovedhensikt med den foreliggende oppfinnelse å skaffe en konseptuelt grunnlag for ikke-destruktiv utlesning av data fra datalagringsinnretninger som inneholder celler med elektrisk polariserbare medier, spesielt ferroelektriske materialer.

Som en utvidelse av det ovenstående er det en annen hensikt med oppfinnelsen å tillate utlesning av data uten å frembringe utmatting og slitasje som ledsager en tradisjonell utlesning med polarisasjonssvitsjing og som begrenser nytte levetiden til minneinnretningen basert på ferroelektriske materialer.

Ytterligere er det en hensikt med oppfinnelsen å unngå behovet for å restaurere datainnholdet i celler som er blitt lest, noe som er påkrevet ved destruktive utlesingsmetoder, og således også å forenkle utlesningsprotokollen og redusere kompleksiteten til maskinvaren.

Nok en ytterligere hensikt med oppfinnelsen for å forbedre påliteligheten i utlesningsprosessen ved å skaffe mer enn ett diskrimineringskriterium for bestemmelse av den logiske tilstand i en gitt minnecelle.

Endelig er det også en hensikt med oppfinnelsen å beskrive generiske prosedyrer og maskinvare for å implementere en slik ikke-destruktiv utlesning av data.

De ovennevnte hensikter såvel som ytterligere trekk og fordeler oppnås ved en fremgangsmåte i henhold til den foreliggende oppfinnelse som er kjennetegnet ved trinn for å påtrykke en første, tidsavhengig spenning over kondensatoren, idet denne spenning er en småsignalspenning med en , amplitude og/eller varighet som er mindre det som er nødvendig for å forårsake en signifikant permanent forandring i polarisasjonstilstanden til kondensatoren, å påtrykke en annen, tidsavhengig spenning over kondensatoren, idet den annen, tidsavhengige spenning adderes til den første, tidsavhengige spenning og summen av de første og andre tidsavhengige spenninger har en amplitude og/eller varighet mindre enn det som er nødvendig for å forårsake en signifikant permanent forandring i polarisasjonstilstanden til kondensatoren, å registrere minst en karakteristikk av en generert småsignalstrømrespons over kondensatoren, idet den minst ene karakteristikk enten har et lineært eller ikke-lineært forhold til minst én av de påtrykte spenninger, å utføre en korrelasjonsanalyse basert på korrelasjonsreferansesignaler utledet av både den første og andre av tidsavhengige spenninger påtrykt over kondensatoren, å bestemme den logiske tilstand ved å etablere en numerisk verdi for resultatet av korrelasjonsanalysen, og å tilordne en bestemt logisk tilstand en logisk verdi i henhold til en forhåndsbestemt protokoll.

I fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er det ansett fordelaktig at korrelasjonsanalysen utføres i et enkelt trinn, hvori den minst ene karakteristikk av en generert småsignalsstrømrespons over kondensatoren korreleres med et referansesignal utledet fra både de første og andre påtrykte tidsavhengige spenninger.

I fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er det alternativt også ansett fordelaktig at korrelasjonsanalysen utføres i to trinn, at det første trinn av korrelasjonsanalysen omfatter å registrere en tidsmessig korrelasjon mellom småsignalspenningen og den minst ene registrerte karakteristikk av en generert småsignalstrømrespons over kondensatoren for å etablere størrelsen eller størrelsene av minst en parameter som kjennetegner den minst ene registrerte karakteristikk av den genererte småsignalstrømrespons over kondensatoren, og at det annet trinn av korrelasjonsanalysen omfatter å registrere korrelasjonen mellom den minst ene parameter på den ene side og størrelsen, fortegnet og/eller fasen av den annen tidsavhengige spenning på den annen side.

I sistnevnte tilfelle velges fortrinnsvis den første tidsavhengige småsignalspenning som periodisk med en dominant fourierkomponent på frekvensen co, fasen til den annenharmoniske komponent av strømresponsen registreres og det første trinn av korrelasjonsanalysen utføres med en referansefase utledet fra den første tidsavhengige småsignalspenning lagt på kondensatoren, og spesielt velges den første tidsavhengige småsignalspenning som sinusoidal.

I fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er det ansett fordelaktig at den annen tidsavhengige spenning påtrykt over kondensatoren er en kvasistatisk spenning med en av polaritetene, og det er da foretrukket at den annen tidsavhengige spenning påtrykt over kondensatoren svitsjes mellom et sett av positive og/eller negative verdier.

Alternativt er det i fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen ansett fordelaktig at den annen tidsavhengige spenning påtrykt over kondensatoren er en lavfrekvent eller langsomt varierende spenning, og det er i den forbindelse foretrukket at den annen tidsavhengige spenning påtrykt over kondensatoren er en sinusoidalt varierende spenning.

I en foretrukket utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen velges de tidsavhengige spenninger som to periodisk varierende signaler med dominante fourierkomponenter på henholdsvis frekvenser ©i, ©2, fasene til komponentene av strømresponsen registreres på sum- og differansefrekvensene cot + co2 og ©! - ©2, og fasene sammenlignes med en referansefase utledet fra de tidsavhengige spenninger lagt på kondensatoren. Det er i denne første utførelse foretrukket å velge de periodisk varierende spenningskomponenter som sinusoidale. Videre kan i denne første utførelse fasene til to eller flere av de ikke-lineære strømresponskomponenter registreres ved 2c0| og/eller 2æ2 og/eller ©i + ©2 og/eller coi - co2, og fasene sammenlignes med en referansefase utledet fra de tidsavhengige spenninger lagt på kondensatoren. Alternativt kan fasene til to eller flere av de ikke-lineære strømresponskomponenter registreres ved 2( 0\ og/eller 2co2 og/eller ©i + co2 og/eller ( 0\ - a>2, og fasene sammenlignes med en referansefase utledet fra en referansecelle med kjent logisk tilstand som utsettes for de samme pålagte spenninger.

I en annen foretrukket utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen omfatter registrering av den minst ene karakteristikk av en generert småsignalrespons over kondensatoren å registrere forholdet mellom størrelsen av småsignalstrømresponsen på den første tidsavhengige småsignalspenning på den ene side og størrelsen av den første tidsavhengige småsignalspenning på den annen side, idet dette forhold svarer til hysteresekurvens steilhet, og la registreringen finner sted ved to eller flere verdier av den annen tidsavhengige spenning.

I en første variant av denne annen foretrukkede utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen velges den annen tidsavhengige spenning som en lavperiodisk eller langsomt varierende offsetspenning som varieres mellom et sett av forhåndsbestemte positive og/eller negative verdier, og fortrinnsvis velges den annen tidsavhengige spenning da slik at den varierer periodisk mellom en positiv og en negativ verdi.

I en annen variant av denne annen foretrukkede utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen velges den annen tidsavhengige spenning som en glatt varierende spenning som sveiper i et spenningsområde mellom to positive verdier eller to negative verdier eller en positiv og en negativ verdi.

I den forbindelse er det ansett fordelaktig å enten sveipe den annen tidsavhengige spenning periodisk med en frekvens som er mindre enn den for den første tidsavhengige spenning eller å velge den annen tidsavhengige spenning slik at den varierer sinusoidalt med hensyn på tid.

I fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen tilordner den forhåndsbestemte protokollen den logiske tilstand til én av to logiske verdier avhengig av den etablerte numeriske verdi.

De ovennevnte hensikter såvel som ytterligere trekk og fordeler oppnås også i henhold til oppfinnelsen med et apparat som er kjennetegnet ved at det omfatter en signalgenerator for å levere to eller flere lesesignaler med gitte faser til en minnecelle som kan forbindes med signalgeneratoren, idet minnecellen som respons på lesesignalet gir ut et responssignal med to eller flere ikke-lineære strømkomponenter; en fasefølsom detektor som kan forbindes med minnecellen og er innrettet til å utføre en fasefølsom deteksjon av minst to faser i responssignalet som gis ut fra minnecellen; en referansekilde forbundet henholdsvis med signalgeneratoren og den fasefølsomme detektor og innrettet til å generere fasereferanser fra summen og differansene av fasene til inngangslesesignalene, idet fasereferansene leveres til den fasefølsomme detektor for deteksjon og korrelasjon av responskomponentene, slik at det kan utføres en fasesammenligning mellom fasereferansen og minst en detektert og korrelert responskomponent; og en diskriminator/logikkrets koblet til den fasefølsomme detektor for å motta et utgangssignal fra denne og innrettet til å bestemme den logiske tilstand av minnecellen.

Fortrinnsvis omfatter dette apparat en GO+71 faseskifter som er forbundet med referansekildén for å motta utgangen fra denne og levere utgangssignalet faseforskjøvet med ©+71 til den fasefølsomme detektor og etter valg også til diskriminator/logikkretsen.

De ovennevnte trekk så vel som ytterligere trekk og fordeler oppnås også med et apparat i henhold til oppfinnelsen som er kjennetegnet ved at det omfatter en signalgenerator for å levere en første periodisk lesesignal overlagret på et annet periodisk lesesignal med lavere frekvens enn det første signal til en minnecelle som kan forbindes med en signalgeneratoren, idet minnecellen utgir et responssignal på to ganger frekvensen til første lesesignal; og en fasefølsom detektor og diskriminator som kan forbindes med minnecellen for å motta responssignalet fra denne så vel som fasereferansesignalene henholdsvis i form av første og andre lesesignaler fra signalgeneratoren og korrelerer fasen av responssignalet med fasen til det første eller andre lesesignal eller begge, idet den fasefølsomme detektor og diskriminator bestemmer en logisk tilstand av minnecellen ved størrelse og/eller fasen av det fasekorrelerte responssignal.

De ovenstående og andre hensikter, trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremstå som mer tydelig på grunnlag av den følgende, detaljerte beskrivelse av foretrukkede utførelser av oppfinnelsen når den leses i forbindelse med den vedføyde tegning, hvor

fig. 1 viser et eksempel på en 1C-1T ferroelektrisk minnecellestruktur i henhold til kjent teknikk som innbefatter en transistor og en ferroelektrisk kondensator i hver celle, som ovenfor nevnt,

fig. 2 en passiv matriseadresseringsstruktur med minneceller dannet ved krysningen mellom elektroder i et ortogonalt gittermønster, som ovenfor nevnt,

fig. 3a en generisk hysteresekurve for et minnemateriale av den ferroelektriske art med visse vesentlige trekk fremhevet,

fig. 3b en generisk høyfrekvent småsignalpolarisasjonsrespons som en funksjon av polarisasjonshistorien og påtrykt forspenning,

fig. 4a-4d viser eksempler på utlesning ved lokal helningsdeteksjon, dvs. polarisasjon med hensyn på spenningsrespons for en minnecelle som eksiteres av spenningssignaler som vist og i henhold til den foreliggende oppfinnelse,

fig. 5a prinsippet for utlesning ved annenharmonisk deteksjon i henhold til den foreliggende oppfinnelse,

fig. 5b et blokkdiagram av et første apparat i henhold til oppfinnelsen og benyttet til utlesning ved den annenharmoniske deteksjon,

fig. 6 viser et blokkdiagram av et annet apparat i henhold til oppfinnelsen og benyttet for utlesning ved parametrisk blanding,

fig. 7a prinsippet for utlesning ved forsterking av den annenharmoniske respons med en periodisk forskjøvet offsetspenning i henhold til den foreliggende oppfinnelse, . fig. 7b et blokkdiagram av en variant av apparatet på fig. 5b benyttet til utlesning ved forsterkning av den annenharmoniske respons,

fig. 8a prinsippet for utlesning ved periodisk modulasjon av den annenharmoniske respons ved en sinusoidal offsetspenning med lavere frekvens i henhold til foreliggende oppfinnelse,

fig. 8b en annen variant av apparat på fig. 5b og benyttet til utlesning ved periodisk modulasjon av den annenharmoniske respons.

Som beskrevet ovenfor, vil kjente teknikker for utlesning av logiske tilstander lagret som en polarisasjonsretning i en ferroelektrisk kondensator i en minnecelle typisk involvere enten en av de følgende, nemlig å benytte en mikrokrets i hver minnecelle hvor polarisasjonsretningen i minnekondensatoren (dvs. dens logiske tilstand) bestemmer forspenningen ved grindelektroden til en transistor og således strømmen som går til en deteksjonsforsterker som leser denne celle, eller å legge en spenning over den ferroelektriske kondensator med tilstrekkelig størrelse til å forårsake polarisasjonsomvending i kondensatoren. Avhengig av hvorvidt polarisasjonsretningen i kondensatoren er parallell eller motsatt av det påtrykte felt, vil polarisasjonen forbli uforandret eller vippe til den motsatte retning. Selv om det førstnevnte gir ikke-destruktiv utlesning, er det alvorlige problemer forbundet med materialer og prosessering, jf. ovenfor. Det siste sett av utlesningsteknikker er destruktive og involverer en polarisasjonssvitsjing med iboende utmattingsproblemer etc. og tap av datainnhold.

Slik det nå skal beskrives med henvisning til generiske elektriske polarisasjonsresponskarakteristikker for materialer som viser polarisasjonsremanens, spesielt ferroelektriske materialer, eksisterer det alternative utlesningsmetoder som er ikke-destruktive, enkle å implementere og er kompatible med adresseringopplegg for såvel aktive som passive matriser. Imidlertid er de fysiske fenomener som er involvert tallrike og komplekse, og det er derfor nødvendig å skreddersy utlesningsopplegget til materialene, arkitekturene og tidsskalaene som er av interesse i hvert enkelt tilfelle.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er den logiske tilstand, dvs. retningen av den elektriske polarisasjon i en gitt celle i minneinnretningen, bestemt ved å registrere den ikke-lineære elektriske impedansrespons for cellen på en tidsvarierende spenning med et spenningsutsving som er meget mindre enn den som er nødvendig for å bevirke polarisasjonsomvending i cellen. Slik det skal vises, kan den ikke-lineære respons fremby en forspenningsavhengig småsignalimpedans, hvor størrelsen av denne impedans kan korreleres med forspenningen for å avsløre cellens logiske tilstand. Alternativt frembringer ikke-lineariteten en respons med et annet spektralfrekvensinnhold enn det for eksitasjonsspenningen, dvs. at den kan inneholde harmoniske og/eller sum- og differansekomponeneter i frekvensen relativt til frekvensinnholdet av eksitasjonsspennningen, hvor fasen og/eller størrelsen til de ikke-lineære responskomponenter vil være forskjellige, avhengige av den logiske tilstand til cellen.

I den foreliggende sammenheng er det viktig å skjelne mellom polarisasjonsrespons gjennom vekselvirkningen med dipolene som frembringer den remanente polarisasjon på den ene side og på den annen side responsen fra de kvasibundne mobile ladninger som akkumulerer som respons på polarisasjonen dannet av disse dipolene og det påtrykte felt fra elektrodene. Dette vil virke på frekvensen og utlesningspulsprotokollene som kan benyttes i hvert tilfelle, såvel som på mulige restriksjoner som gjelder med hensyn til valg av elektrodematerialer.

Med henvisning til det førnevnte tilfelle, illustrerer den generiske hysteresesløyfe vist på fig. 3 responsen til et forpolarisert medium påtrykket ytre spenning på elektrodene i den kondensatorlignende struktur. Den påtrykte spenning følger i dette tilfelle en syklisk variasjon mellom to ekstremverdier ved positive og negative polariteter, som vist. Forholdet er komplekst, da den lokale polarisasjon med hensyn på spenningsresponsen på et gitt punkt på kurven er avhengig av den forutgående polarisasjon/spenningshistorie foruten å være ikke-lineær både i makroskopiske såvel som mikroskopiske skalaer. Avhengig av hvorvidt materialet blir fremstilt henholdsvis i en logisk tilstand "0" eller logisk tilstand "1", eksisterer det logiske, tilstandsavhengige forskjeller i den lokale polarisasjon med hensyn på spenningsrespons og som kan utnyttes for å skaffe ikke-destruktive tiltak for lesning av den logiske tilstand. Disse forskjeller viser seg som en småsignalpolarisasjonsrespons som avhenger av posisjonen på kurven og hvor småsignalpolarisasjonsresponsen kan inneholde både lineære og ikke-lineære responskomponenter relativt til en påtrykket småsignaleksitasjonsspenning. Følgelig kan kompleks småsignalimpedans detektert over en minnecelle i form av en kondensator som inneholder materialer med karakteristikker som vist på fig. 3, analyseres i korrelasjon med de påtrykte spenninger på kondensatoren for å avsløre den logiske tilstand til minnecellen. Det skal iakttas at frekvensen til den påtrykte forspenning og småsignalmålespenningene må velges tilstrekkelig lave for å tillate en påfølgende dipolforårsaket polarisasjon. Avhengig av det angjeldende materiale, temperatur etc. kan den maksimalt tillatelige frekvens variere over et bredt område (fra flere hundre Hz til GHz), med forskyvningsbaserte, uorganiske, ferroelektriske keramiske materialer som reagerer meget hurtig og innretningsbaserte, polymere ferroelektriske materialer som reagerer langsommere.

I det sistnevnte tilfelle, hvor polarisasjonsresponsen skyldes kvasibundne eller mobile ladninger som akkumulerer under påvirkning av indre felter i materialet, viser en gjennomgang av den vitenskaplige litteratur at de grunnleggende fenomener polarisasjonsavhengig asymmetri, forspenningsavhengighet og ikke-lineær respons synes å være en generell egenskap ved alle ferroelektriske materialer i kondensatorlignende strukturer av den art som er relevante her. Selv om størrelsen på polarisasjonsresponsen i mange tilfelle blir sterkt redusert, gjelder dette til og med ved frekvenser som langt overskrider dem hvor den ferroelektriske polarisasjon kan følge, i hvilket tilfelle det ikke er relevant å forklare disse fenomener uttrykt ved hysteresekurven på fig. 3 a.

I den foreliggende oppfinnelse bestemmes den logiske tilstand, dvs. retningen og/eller størrelsen til den remanente polarisasjon ved å utnytte ikke-lineariteten iboende i polarisasjonsresponsen til materialet under et påtrykket elektrisk felt. To grunnleggende metoder skal nå beskrives.

I den første utsettes materialet for en småsignalmålespenning overlagret på en forspenning og polarisasjonsresponsen ved den samme frekvens som målespenningen bestemmes som en funksjon av forspenningen. En generisk småsignalpolarisasjonsresponskurve er vist på fig. 3b. Med responsen registrert på samme frekvens som drivspenningen, er denne responsen ganske enkelt en forspenningsavhengig kapasitans som er relatert til materialets polarisasjonstilstand. Det er viktig å innse at samtidig som det fås den samme kvalitative oppførsel, er det en fundamental forskjell mellom de fysiske mekanismer som fører til slike kurver ved vekselvirkning med akkumulerte kvasibundne eller mobile ladninger på den ene side og på den annen side kurver som fås ved småsignalmåling av helningen til hysteresekurven. På grunn av likhet i visse av utlesningsoppleggene som vil bli drøftet nedenfor, skal beskrivelsen av foretrukne utførelser som vist på fig. 4a-d skje med henvisning til den lokale småsignalrespons på forskjellige deler av hysteresekurven, noe som gir et lett forståelig, intuitivt grep om de grunnleggende prinsipper som er involvert. Det skal imidlertid forståes at den tekniske beskrivelse av utlesningsapparatet og spenningsprotollene også gjelder for tilfeller hvor kvasibundne og/eller mobile ladninger måles. Det siste tilfelle skal ikke bare omfatte frekvensområder hvor hel eller delvis omvending av remanent polarisasjon kan finne sted som bevitnet av hysteresekurvene, men også høy frekvensområder hvor domenesvitsjing ikke kan følge. I denne forbindelse kan det bemerkes at utlesningsskjemaene vist av C.J. Brennan i hans ovennevnte anførte patenter er eksplisitt baserte på vekselvirkningen med akkumulerte romladninger i henhold til en spesifikk modell hvor de undersøkte romladninger befinner seg nær hver elektrode med et nøytralt mellomliggende område, idet den relative størrelse av det nøytrale område og romladningsområdene definerer den observerte kapasitans. Dette plasserer Brennans opplegg utenfor rammen for den del av den foreliggende drøftelse som er basert på hysteresekurver og ignorerer en rekke av de fysiske fenomener som fører til småsignalresponskarakteristikker av den art som er vist kvalitativt på fig. 3b.

I den annen metode virker materialet som en parametrisk blandeinnretning avhengig av en polarisasjonstilstand og gir en utgangsrespons som inneholder nye frekvenskomponenter i tillegg til de som foreligger i småsignaleksitasjonsspenningen. Ved således å drive polarisasjonen på en gitt frekvens, fås det en polarisasjonsrespons og følgelig en detekterbar strøm som i tillegg til den fundamentale frekvens også inneholder høyere harmoniske. Hvis drivspenningen inneholder flere frekvenskomponenter, kan responsen også inneholde sum- og differansekomponenter av frekvensen, med spesifikke faserelasjoner som kan entydig knyttes til den remanente polarisasjonstilstand i mediet. Igjen er beskrivelsen i eksemplene nedenfor gitt med henvisning til hysteresekurvene, hvilket gir en enkel, intuitiv tilnærming til forståelsen av de underliggende prinsipper. Som ovenfor drøftet, vil de samme grunnleggende utlesningsprinsipper og apparater være anvendbare i høyfrekvensområder hvor polarisasjonssvitsjingen som fremtrer i hysteresekurven ikke kan følge, idet den er knyttet til kvasibundne eller mobile romladninger.

Visse foretrukkede utførelser er beskrevet nedenfor ved hjelp av eksemplene 3, 4 og 5. De representerer generiske klasser av mulig implementasjoner som deler det samme trekk med småsignaleksitasjon av minnecellen for å eksitere via ikke-linearitet og av polarisasjonshistorien generert asymmetri en logisk tilstandsavhengig polarisasjonsrespons. For å forenkle drøftelsen skal det antas at polarisasjonsresponsen til en tidsvarierende spenning med liten amplitude vil bevege seg frem og tilbake langs et parti av kurven på fig. 3 a. Denne antagelse ignorerer virkningen av partiell svitsjing og utmatting som fører til en gradvis reduksjon av polarisasjonsstørrelsen, foruten å forårsake at småsignalpolarisasjonsresponsen i seg selv viser hysterese.

Før foretrukkede utførelser beskrives, skal to eksempler som angir en generell bakgrunn og belyser de underliggende prinsipper for den foreliggende oppfinnelse, drøftes i noen detalj i det følgende.

Eksempel 1: Differensialer i småsignalpolarisasionsrespons Helningen, dvs. den lineære småsignalpolarisasjonsrespons som representerer en første derivert dP/dV av hysteresekurven, er spennings- og historieavhengige. På den generiske kurve vist på fig. 3a, er helningen identisk med to logiske tilstander ved "0" og "1" og en helningsmåling på disse punkter vil ikke avsløre den logiske tilstand. Ved å påtrykke en viss forspenning V og undersøke helningsoppførselen i nærheten av punktene "1" og "0", kan den logiske tilstand bestemmes. Ved nå å definere helning nær "0" og ved forspenning V = helning^" (V)

helning nær "1" og ved forspenning V = helnings" (V),

fås fra fig. 3

Helning-,," (+AV) < Helning»!» (+AV)

Helning»o" (-AV) >Helning»i» (-AV).

Således kan den logiske tilstand til den angjeldende celle leses ut ved å benytte en forspenning med kjent størrelse og polaritet og registrere helningen i minst to punkter på kurven. Dette kan oppnås på forskjellige måter: a) Ved å registrere størrelsen på helningen med to eller flere diskrete forspenningsverdier som vist på fig. 4a og å sammenligne differensialet

mellom helningene med en terskelverdi.

b) Ved å overvåke størrelsen på småsignalpolarisasjonsresponsen samtidig som det anlegges en målespenning bestående av en langsom, periodisk sveipespenning som er overlagret et lite periodisk spenningssving på høyere frekvens, som illustrert på fig. 4b. c) Ved å registrere den differensielle polarisasjon mellom diskrete punkter på hysteresekurven. Et eksempel er vist på fig. 4c.

Med P som betegnelse for polarisasjonen, has for en logisk tilstand "0"

I P(+AV) - P(0)l < I P(0) - P(-AV)!,

mens det for en logisk tilstand "1" has

I P(+AV) - P(0)| > l P(0) - P(-AV)|.

d) Ved å registrere asymmetrien av polarisasjonsutsvingene (topp-til-topp, sinus eller lignende) i responsen til anlagte sveipespenninger

med positiv og negativ polaritet. Et eksempel som viser to separate sveip, er vist på fig. 4d, men asymmetrien kan detekteres på en rekke måter som vil være innlysende for fagfolk innen elektronikk.

Eksempel 2: Harmonisk deteksjon av responsen til sinusoidal inn gangsspenning

Den følgende enkle redegjørelse kan gjøre det lettere å få en intuitiv forståelse av den grunnleggende idé.

Under henvisning til fig. 9a er det ønsket å fastslå hvorvidt minnematerialet i en gitt minnecelle befinner seg i den logiske tilstand "0" eller "1". De to logiske tilstander er kjennetegnet ved de forskjellige krumningene ved punktene hvor hysteresekurven krysser aksen V = 0. Ved å utvikle til annen orden, kan det skrives

og

Anta nå at cellene nå eksiteres av en sinusoidalt varierende spenning med amplitude meget mindre enn den som er nødvendig for å svitsje polariteten til cellen, som vist på fig. 5a, has formel

Polarisasjonsresponsen blir og

Således avhenger polarisasjonsresponsen til minnecellen ved den annenharmoniske frekvens av hvorvidt cellen befinner seg i en tilstand "0" eller tilstand "1", dvs. at den annenharmoniske .respons i de to tilstander befinner seg i motfase til hverandre (innbyrdes faseforskjell på 180°). Ved passende deteksjon, f.eks. koherent midling (synkronisert deteksjon), kan denne forskjellen fremstå på en kvalitativ måte, f.eks. som en positiv eller negativ polaritet i et deteksjonssignal.

Et apparat i henhold til oppfinnelsen for å utføre en deteksjon av polarisasjonsresponsen på den annenharmoniske er vist som et skjematisk blokkdiagram på fig. 5b. En signalkilde gir inn en sinusoidalt varierende spenning ved frekvensen co til en minnecelle som gir ut et responssignal med harmoniske til en fasefølsom detektor som vist. Den fasefølsomme detektor kan i varierende utførelser ses som en kombinert fasefølsom detektor og diskriminator. Samtidig genererer også signalkildene en fasereferanse som inngang til en referansekilde som gir ut et referansesignal på to ganger frekvensen co for lesesignalet til den fasefølsomme detektor. Utgangsspenningen fra den fasefølsomme detektor vil være avhengig av den logiske tilstand til minnecellen, og den virkelige logiske tilstand kan baseres ganske enkelt på en kvalitativ parameter, f.eks. polariteten til deteksjonssignalet som angitt.

Slik det meget lett kan fastslås og er innlysende for fagfolk på området signalanalyse, vil høyereordens ikke-lineariteter i polarisasjonsresponsen til minnecellen generelt resultere i at høyere harmoniske enn den annenharmoniske opptrer i det detekterte signal. Ved å benytte de samme grunnleggende prinsipper som skissert ovenfor og avhengig av de spesifikke responskarakteristikkene til angjeldende minnecelle, kan også slike signalkomponenter trekkes ut av det samlede signal og avsløre retningen av polarisasjonen og således den logiske tilstand til cellen. Følgelig skal det ovennevnte eksempel basert på annenharmonisk deteksjon ikke anses å implisere eller tolkes slik at det forhindrer deteksjon av høyere harmoniske . enn den annenharmoniske som det operative prinsipp ved bestemmelsen av den logiske tilstand til den angjeldende celle.

Som ovenfor nevnt, skal nå noen foretrukkede utførelser drøftes som eksempler som ikke på noen måte skal anses å begrense rammen for den foreliggende oppfinnelse.

Eksempel 3: Sum- og differansefrekvensdeteksion av responsen på to overlagrede sinusoidale inngangsspenninger

Tilsvarende omtalen i det foregående avsnitt, kan en enkel analyse utføres for det tilfelle hvor eksitasjonen av minnecellen kan skrives som summen av to sinusoidalt varierende spenninger på to distinkte frekvenser ©i og co2.1 dette tilfelle has

og polarisasjonsresponsen blir og som kan ses å redusere seg til uttrykkene (4) og (5) ved å sette inn

I tillegg til de lineære tidsavhengige responser CO] og co2 og de annenharmoniske responser på 2coi og 2co2 er det nå responskomponenter for sum- og differansefrekvensene (coi + co2) og (©i - co2) som angitt på fig. 6. De sistnevnte befinner seg i motfase til hverandre i analogi med tilfellet drøftet i det foregående avsnitt, avhengig av hvorvidt cellen befinner seg i en logisk tilstand "0" eller "1". Dette gir en alternativ ikke-destruktiv vei til datautlesning hvor det er mulig å velge verdiene ©i og CO2 på en slik måte at deteksjonsfrekvensen ved (co( + CO2) eller (©i - ©2) blir plassert i et hensiktsmessig område, f.eks. hvor støyspektraltettheten er lav og/eller hvor frekvensen er optimal for deteksjons- og behandlingskretsene. Det er også mulig å diskriminere overfor harmoniske i eksitasjonsspenningene som legges inn i deteksjonskretsene ved mekanismer uten forbindelse med polarisasjonsresponsen som her er interessant (f.eks. ikke-lineariteter i driv-eller deteksjonskretsene).

Et apparat for å utføre en sum- og differansefrekvensdeteksjon av responsen til sinusoidale inngangsspenninger ved henholdsvis frekvensene ©1 og co2 er vist i blokkdiagram form på fig. 6. Her gir en signalkilde som genererer lesesignaler som henholdsvis frekvensene ©i og co2, disse signalene til en minnecelle og responsen fra minnecellen gis til en fasefølsom detektor som utfører deteksjon ved henholdsvis sumfrekvensen ©i + co2 eller differansefrekvensen co, - co2. En referansekilde er forbundet med en signalkilde får å motta de passende faserelasjoner og gir ut referansesum og differansefrekvenser til den fasefølsomme detektor hvis utgang er forbundet til en diskriminator/logikkrets for å utføre den nødvendige fasesammenligning med tanke på å bestemme den virkelige logiske tilstand av minnecellen. Etter valg er en co+71-faseskifter forbundet mellom fasekilden på den fasefølsomme detektor for å levere referansen skiftet til 71 ved den fasefølsomme detektor og opsjonelt til diskriminator/logikkretsen.

Da den logiske tilstand til cellen tilkjennegir seg selv i faseresponsen på forskjellige frekvenser samtidig (dvs. 2coi, 2co2, ©i + co2 og co( - co2), kan fasedeteksjonsresultatene korreleres ved to eller flere frekvenser for å øke konfidensen og/eller hastigheten i hver utlesningsoperasjon.

Eksempel 4: Ikke- lineær responsdeteksjon hvor inn<g>angsspenningene har en langsomperiodisk eller lavfrekvent offset

En nesten universell attributt for ikke-lineære responser i materie er den sterke avhengighet av eksitasjonsamplituden. Slik det ble nevnt ovenfor, må det i det foreliggende tilfelle velges en eksitasjon som er tilstrekkelig sterk til å tillate hurtig og pålitelig deteksjon av den ikke-lineære respons, samtidig som den er svak nok til at polarisasjonen til minnematerialet ikke reduseres eller reverseres.

En annen strategi for å øke deteksjonssignalene er å bevege arbeidspunktet til et område på hysteresekurven hvor det siste viser en sterk ikke-lineær relasjon mellom polarisasjonsresponsen og den påtrykte spenning. Dette kan illustreres ved å henvise til fig. 3a og 7a.

Anta f.eks. at cellen befinner seg i tilstand logisk "1" og at et lite, sinusoidalt varierende felt på frekvensen co benyttes til å undersøke den annenharmoniske respons. Nå er det imidlertid en langsomperiodisk eller lavfrekvent offsetspenning som kan velges til å posisjonere arbeidspunktet på hysteresekurven, nemlig

Anta for enkelthets skyld at den annenharmoniske er direkte proporsjonal med den oppadrettede eller nedadrettede krumning for hysteresekurven ved arbeidspunktet. Da kan det ved å betrakte fig. 3a ses at for en celle i en tilstand logisk " 1", vil det annenharmoniske signal øke i styrke etterhvert som Voffset øker fra null og nærmer seg Vc (i praksis skal den maksimale spenning som er tillatelig i en passiv matriseadressert minne, være Vc/3 for å unngå forstyrrelse av andre minneceller i matrisen), og for en celle i tilstanden logisk "0", er det annenharmoniske signal i motfase til signalet for logisk "1" og forblir lite etterhver som V0ffset øker fra null og oppover.

Omvendt hvis V0ffset er negativ, blir resultatet speilbildet av det ovenstående. Etterhvert som offsetspenningen gir økede negative verdier, forblir det annenharmoniske signal lite hvis cellen befinner seg i tilstand logisk "1", og øker hvis cellen befinner seg i tilstand logisk "0".

I tillegg til en mulig økning av signalstyrken til den annenharmoniske, vil påtrykking av en offsetspennning således innføre ytterligere fenomener som kan utnyttes til å avsløre cellens logiske tilstand som vist på fig. 7a. I en "1 "-tilstand øker signalamplituden til den annenharmoniske som respons på en offsetspenning med positiv polaritet, mens den holder seg liten ved offsetspenninger med negativ polaritet. I en "0"-tilstand øker signalet som respons på en offsetspenning med negativ polaritet og forblir lite ved offsetspenninger med positiv polaritet. Blant flere eksitasjonsspennlngsprotokoller som kan benyttes til datautlesning basert på asymmetri, involverer en foretrukket utførelse en sekvens av målinger med forskjellige langsomperiodiske offsetspenninger, eksempelvis ved det enkle tilfelle hvor to annenharmoniske amplituder og fasemålinger utføres, en ved <+>V0ffset og en ved -Voffset- Hvis cellen befinner seg i en " 1 "-tilstand, skal dette fremtre som et stort annenharmonisk signal i korrelasjon med fasen til et referansesignal når offset er + Voffset» og et mindre annenharmonisk signal med samme fase når offset er - V0ffset- Hvis cellen befinner seg i en "0"-tilstand, vil det annenharmoniske signal være lite og i motfase til referansesignalet når offset er + Vqffset, og stort, men fortsatt i motfase når offset er - V0ffset;

For å utføre den ikke-lineære responsdeteksjon med inngangsspenninger med enten et Iangsomperiodisk eller lavfrekvent offsetsignal kan en utførelsesvariant av apparatet vist på fig. 5b benyttes. Denne utførelsesvariant svarer til det skjematiske blokkdiagram på fig. 7b. En signalgenerator gir ut det sinusoidale lesesignal overlagret på en forspenning i form av en Iangsomperiodisk offsetspenning eller alternativt et lavfrekvent offsetspenning. Minnecellen gir ut et responssignal med en frekvenskomponent på 2co som gis som inngang til en fasefølsom detektor og diskriminator for å bestemme den logiske tilstand av minnecellen. Den kombinerte fasefølsomme detektor og diskriminator forbindes også med signalgeneratoren for å motta et referansesignal i form av en sinusoidalt varierende spenning på en frekvens co overlagret offsetspenningen som vist.

Eksempel 5: Frekvensdeteksjon av respons når det ben<y>ttes en offsetspenning og sinusoidal spenning med sterkt forskjellige frekvenser og spenningsverdier

En annen foretrukket utførelse som utnytter den asymmetriske offsetavhengighet til den annenharmoniske respons, innbefatter påtrykkingen av et kontinuerlig varierende offsetspenning, f.eks. en sinusoidal offsetspenning som oscillerer på en frekvens O som er meget mindre enn frekvensen co for spenningen som eksiterer den annenharmoniske, som vist på fig. 8. Da has

Dette er et spesialtilfelle av tofrekvenseksitasjonen beskrevet ovenfor, men nå er Q « co, og V0ffset » V0. Da den ikke-lineære responskoeffisienten p i (1) og (2) avhenger av offsetspenningen, fås en implisitt tidsavhengighet som og den annenharmoniske respons moduleres ved frekvensen fi, til første orden. Avhengigheten av p med hensyn på offsetspenningen avhenger av det angjeldende materiale, og den tidsmessige oppførsel av polarisasjonsresponsen ved 2© kan være temmelig kompleks. Imidlertid vil en hysteresekurve av den generelle form vist på fig. 1 gi en annenharmonisk respons som er amplitudemodulert med en maksimum på et tidspunkt tp når offsetspenningen når sin toppverdi i den positive polarisasjonsretningen for en logisk tilstand "1". For en "0"-tilstand fås den maksimale annenharmoniske respons ved maksimum negativ polaritet i offsetspenningen, dvs. på tidspunktet tp + n/ Q. Igjen er de annenharmoniske signalfaser i motfase i de to tilfeller. Fra disse uttrykk vil en fagmann innen elektronikk være i stand til å konstruere elektroniske kretser som kan detektere hvorvidt den angjeldende celle befinner seg i en logisk tilstand "1" eller "0".

For deteksjon av responsen når det benyttes en offsetspenning og en sinusoidal spenning som vist i det ovenstående eksempel, kan en utførelsesvariant av apparatet på fig. 7b benyttes. Denne utførelsesvariant er vist i blokkdiagramform på fig. 8b og omfatter en signalgenerator som gir ut en sinusoidalt varierende spenning på en frekvens to overlagret på en langsomvarierende sinusoidal offsetspenning med lav frekvens Q som vist, eller til minnecellen som gir ut en responssignalkomponent på frekvensen 2© til den fasefølsomme detektor og diskriminator for å bestemme den logiske tilstand til minnecellen. Signalgeneratoren gir også ut en fasereferansesignal ved henholdsvis 2© for å registrere motfasen til de annenharmoniske signalfaser såvel som offsetsignalet på frekvensen Cl for å registrere størrelsen av responssignalet.

Da dette konsept for datautlesning ikke forårsaker polarisasjonsomvending i minnemediet, medfører det en rekke vesentlige fordeler, slik det er angitt og fremhevet nedenfor. • Da utlesningen er ikke-destruktiv, er det ikke nødvendig med en skrivesyklus for oppfrisking, noe som gjør minneinnretningen hurtigere og enklere. • I alle for tiden kjente minnematerialer som er relevante, er utmatting knyttet til antallet polarisasjonsomvendinger som materialet har vært utsatt for. Ved å unngå behov for polarisasjonssvitsjing under utlesing av data fås en dramatisk økning i levetiden for praktisk talt alle typer minneinnretninger, da leseoperasjoner typisk utføres hyppigere enn skriveoperasjonene. • I tilfelle av sum- og differansefrekvensdeteksjon eller harmonisk deteksjon, kan diskrimineringen mellom en bit "0" og en bit "1" uttrykkes ved kvalitative kriterier så som å bestemme polariteten til en spenning fremfor den analoge terskeldeteksjon av spenninger på en gråskala. Dette kan forenkle postdeteksjonskretsene som foretar avgjørelser med hensyn til den logiske tilstand. • Endelig vil bruken av to forspenninger eller offsetspenninger på passende valgte frekvenser, amplituder og varigheter tillate deteksjonsopplegg basert på korrelasjonsmetoder, noe som dramatisk forbedrer bestemmelsen av en minnecelles logiske tilstand i en ikke-destruktiv utlesning som bare benytter småsignalresponser.

Claims (23)

1. Fremgangsmåte til å bestemme logisk tilstand for en minnecelle i en datalagringsinnretning, hvor cellen lagrer data i form av en elektrisk polarisasjonstilstand i en kondensator som inneholder et polariserbart materiale, hvor det polariserbare materiale er i stand til å opprettholde en ikke-forsvinnende elektrisk polarisasjon i fravær av en eksternt påtrykt spenning over kondensatoren og å generere strømrespons på en påtrykt spenning, hvor strømresponsen omfatter lineære og ikke-lineære komponenter, og hvor fremgangsmåten er karakterisert ved trinn for å påtrykke en første tidsavhengig spenning over kondensatoren, idet denne spenning er en småsignalspenning med en amplitude og/eller varighet som er mindre det som er nødvendig for å forårsake en signifikant, permanent forandring i polarisasjonstilstanden til kondensatoren, å påtrykke en annen tidsavhengig spenning over kondensatoren, idet den annen tidsavhengige spenning adderes til den første tidsavhengige spenning og summen av de første og andre tidsavhengige spenninger har en amplitude og/eller varighet mindre enn det som er nødvendig for å forårsake en signifikant, permanent forandring i polarisasjonstilstanden til kondensatoren, å registrere minst en karakteristikk av en generert småsignalstrømrespons over kondensatoren, idet den minst ene karakteristikk enten har et lineært eller ikke-lineært forhold til minst én av de påtrykte spenninger, å utføre en korrelasjonsanalyse basert på korrelasjonsreferansesignaler utledet av både den første og andre av tidsavhengige spenninger påtrykt over kondensatoren, å bestemme den logiske tilstand ved å etablere en numerisk verdi for resultatet av korrelasjonsanalysen, og å tilordne en bestemt logisk tilstand en logisk verdi i henhold til en forhåndsbestemt protokoll.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at korrelasjonsanalysen utføres i et enkelt trinn, hvori den minst ene karakteristikk av en generert småsignalsstrømrespons . over kondensatoren korreleres med et referansesignal utledet fra både de første og andre påtrykte tidsavhengige spenninger.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at korrelasjonsanalysen utføres i to trinn, at det første trinn av korrelasjonsanalysen omfatter å registrere en tidsmessig korrelasjon mellom småsignalspenningen og den minst ene registrerte karakteristikk av en generert småsignalstrømrespons over kondensatoren for å etablere størrelsen eller størrelsene av minst en parameter som kjennetegner den minst ene registrerte karakteristikk av den genererte småsignalstrømrespons over kondensatoren, og at det annet trinn av korrelasjonsanalysen omfatter å registrere korrelasjonen mellom den minst ene parameter på den ene side og størrelsen, fortegnet og/eller fasen av den annen, tidsavhengige spenning på den annen side.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 3, karakterisert ved å velge den første tidsavhengige småsignalspenning som periodisk med en dominant fourierkomponent på frekvensen co, å registrere fasen til den annenharmoniske komponent av strømresponsen og å utføre det første trinn av korrelasjonsanalysen med en referansefase utledet fra den første, tidsavhengige spenning lagt på kondensatoren.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 4, karakterisert ved å velge den første tidsavhengige småsignalspenning som sinusoidal.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at den annen tidsavhengige spenning påtrykt over kondensatoren er en kvasistatisk spenning med en av polaritetene.

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 6, karakterisert ved at den annen tidsavhengige spenning påtrykt over kondensatoren svitsjes mellom et sett av positive og/eller negative verdier.

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at den annen tidsavhengige spenning påtrykt over kondensatoren er en lavfrekvent eller langsomt varierende spenning.

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, karakterisert ved aj den annen tidsavhengige spenning påtrykt over kondensatoren er en sinusoidalt varierende spenning.

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved å velge de tidsavhengige spenninger som to periodisk varierende signaler med dominante fourierkomponenter på henholdsvis frekvenser ©i, ©2, å registrere fasene til komponentene av strømresponsen på sum- og differansefrekvensene ©i + co2 og ©i - co2, og å sammenligne fasene med en referansefase utledet fra de tidsavhengige spenninger lagt på kondensatoren.

11. Fremgangsmåte i henhold til krav 10, karakterisert ved å velge de periodisk varierende spenningskomponenter som sinusoidale.

12. Fremgangsmåte i henhold til krav 10, karakterisert ved å registrere fasene' til to eller flere av de ikke-lineære strømresponskomponenter ved 2©t og/eller 2co2 og/eller ©i + co2 og/eller ©i - co2, og å sammenligne fasene med en referansefase utledet fra de tidsavhengige spenninger lagt på kondensatoren.

13. Framgangsmåte i henhold til krav 10, karakterisert ved å registrere fasene til to eller flere av de ikke-lineære strømresponskomponenter ved 2©, og/eller 2©2 og/eller ©i + ©2 og/eller ©i - ©2> og å sammenligne fasene med en referansefase utledet fra en referansecelle med kjent logisk tilstand som utsettes for de samme pålagte spenninger.

14. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at registrering av den minst ene karakteristikk av en generert småsignalrespons over kondensatoren omfatter å registrere forholdet mellom størrelsen av småsignalstrømresponsen på den første tidsavhengige småsignalspenning på den ene side og størrelsen av den første tidsavhengige småsignalspenning på den annen side, idet dette forhold svarer til hysteresekurvens steilhet, og at registreringen finner sted ved to eller flere verdier av den annen tidsavhengige spenning.

15. Fremgangsmåte i henhold til krav 14, karakterisert ved å velge den annen tidsavhengige spenning som en lavperiodisk eller langsomt varierende offsetspenning som varieres mellom et sett av forhåndsbestemte positive og/eller negative verdier.

16. Fremgangsmåte i henhold til krav 15, karakterisert ved å velge den annen tidsavhengige spenning slik at den varierer periodisk mellom en positiv og en negativ verdi.

17. Fremgangsmåte i henhold til krav 14, karakterisert ved å velge den annen tidsavhengige spenning som en glatt varierende spenning som sveiper i et spenningsområde mellom to positive verdier eller to negative verdier eller en positiv og en negativ verdi.

18. Fremgangsmåte i henhold til krav 17, karakterisert ved å sveipe den annen tidsavhengige spenning periodisk med en frekvens som er mindre enn den for den første tidsavhengige spenning.

19. Fremgangsmåte i henhold til krav 17, karakterisert ved å velge den annen tidsavhengige spenning slik at den varierer sinusoidalt med hensyn på tid.

20. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at den forhåndsbestemte protokoll tilordner den logiske tilstand til én av to logiske verdier avhengig av den etablerte numeriske verdi.

21. Apparat for å utføre en fasesammenligning i fremgangsmåten i henhold til krav 1 s karakterisert ved at det omfatter en signalgenerator for å levere to eller flere lesesignaler med gitte faser til en minnecelle som kan forbindes med signalgeneratoren, idet minnecellen som respons på lesesignalet gir ut et responssignal med to eller flere ikke-lineære strømkomponenter; en fasefølsom detektor som kan forbindes med minnecellen og er innrettet til å utføre en fasefølsom deteksjon av minst to faser i responssignalet som gis ut fra minnecellen; en referansekilde forbundet henholdsvis med signalgeneratoren og den fasefølsomme detektor og innrettet til å generere fasereferanser fra summen og differansene av fasene til inngangslesesignalene, idet fasereferansene leveres til den fasefølsomme detektor for deteksjon og korrelasjon av responskomponentene, slik at det kan utføres en fasesammenligning mellom fasereferansen og minst en detektert og korrelert responskomponent; og en diskriminator/logikkrets koblet til den fasefølsomme detektor for å motta et utgangssignal fra denne og innrettet til å bestemme den logiske tilstand av minnecellen.

22. Apparat i henhold til krav 21, karakterisert ved at en co+ti faseskifter er forbundet med referansekilden for å motta utgangen fra denne og levere utgangssignalet faseforskjøvet med co+7t til den fasefølsomme detektor og etter valg også til diskriminator/logikkretsen.

23. Apparat for å utføre en fasesammenligning i fremgangsmåten i henhold til krav 1, karakterisert ved at det omfatter en signalgenerator for å levere en første periodisk lesesignal overlagret på et annet periodisk lesesignal med lavere frekvens enn det første signal til en minnecelle som kan forbindes med en signalgeneratoren, idet minnecellen utgir et responssignal på to ganger frekvensen til første lesesignal; og en fasefølsom detektor og diskriminator som kan forbindes med minnecellen for å motta responssignalet fra denne så vel som fasereferansesignalene henholdsvis i form av første og andre lesesignaler fra signalgeneratoren og korrelerer fasen av responssignalet med fasen til det første eller andre lesesignal eller begge, idet den fasefølsomme detektor og diskriminator bestemmer en logisk tilstand av minnecellen ved størrelse og/eller fasen av det fasekorrelerte responssignal.