DE2529699A1

DE2529699A1 - Memory element for permanent store - has electret made of insulating plate to which aluminium electrodes are attached to form flow discharge units

Info

Publication number: DE2529699A1
Application number: DE19752529699
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Phys Dr Fischer
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1975-07-03
Filing date: 1975-07-03
Publication date: 1977-01-20

Abstract

The memory element consists of an electret, typical made from a film of Teflon (RTM) 6.25 mu m thick. To this are attached a film (2) and electrode strips (3) made of aluminium. The strips are 40 mu m broad and spaced 30 mu m apart. Each strip has a number of circular holes 30 mu m in diameter and spaced 40 mu m apart. The holes are bridged by electrode strips (5) each about 24 mu m broad and 50 mu m apart. Two glass plates are employed to retain the assembly, which is exposed to an atmosphere of neon with 0.1% argon at a pressure of about 500 Torr. Applied voltages range between 50 and 74V and enable the element to be used for reding, writing and erasing records, the glow discharges having ignition times of about 10-7 sec. only.

Description

Speicherelement für einen Permanentspeicher Die Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges Speicherelement für einen löschbaren digitalen PermanentspeicherO Es sind mehrere physikalische Erscheinungen bekannt, auf deren Basis Systeme zur digitalen Speicherung von Inforkationen aufgebaut werden könnten oder bereits verwirklicht sind0 Sämtliche bisher in der Praxis angewandten Systeme für löschbare Massenspeicher beruhen jedoch auf dem Prinzip der magnetischen Remanenz0 In den letzten Jahren wurde eine Reihe neuer Speichermethoden beschrieben, die z0T0 intensiv entwickelt werden0 Jede dieser Technologien hat ihre speziellen Vorteile und Reize, die sie für besondere Anwendungsbefelcsse prädestinierenO Diesen Vorteilen stehen aber stets auch Nachteile gegenüber, wie etwa spezielle Arbeitsbedingungen (zoBo tiefe Temperaturen), spezielle Arbeitsweisen (zoBo Schieberegister) oder die Notwendigkeit umfangreicher externer Apparaturen zur Steuerung (optische Speicher)0 Die physikalisch und technologisch bedingten Möglichkeiten eines Teils dieser Speichermethoden legen hinsichtlich ihrer Anwendungsgebiete eine Unterteilung in Massenspeicher und Schnellspeicher nahe0 Erstere sind im allgemeinen holographische Systeme mit dem Ziel des wahlfreien Zugriffs zu Datenmengen von über 1010 bit ohne mechanische Zwischenbewegung Schnellspeicher sind dagegen meist integrierte Halbleitersysteme, deren ZugriffsX und Transferzeiten im Nanosekundenbereich liegend Dies sind jedoch im allgemeinen keine Permanentspeicher, so daß ihr Anwendungsbereich mehr in der Kurzzeitspeicherung relativ geringer Datenmengen liegt.Storage element for permanent storage The invention relates on a new type of memory element for an erasable digital permanent memory O It several physical phenomena are known, on the basis of which systems for digital Storage of information could be established or already implemented sind0 All systems for erasable mass storage devices that have been used in practice to date however, are based on the principle of magnetic remanence0 in recent years a number of new storage methods were described, which z0T0 developed intensively will0 Each of these technologies has its special advantages and charms that make them Predestined for special application fieldsO However, these advantages are always available also disadvantages, such as special working conditions (e.g. low temperatures), special working methods (zoBo shift register) or the need for more extensive ones external apparatus for control (optical storage) 0 The physically and technologically conditional possibilities of a part of these storage methods lay with regard to their Areas of application a division into mass storage and high-speed storage near 0 The former are generally holographic systems with the aim of random access to data volumes of over 1010 bits without mechanical intermediate movement Quick storage on the other hand are mostly integrated semiconductor systems, their accessX and transfer times lying in the nanosecond range However, these are generally not permanent memories, so that their field of application is more in the short-term storage of relatively small amounts of data lies.

Zwischen diesen beiden Extremen sind noch eine Reihe von Verfahren in Entwicklung, die für Speicherkapazitäten von ca0 108 bit projektiert sind und Arbeitszeiten der Größenordnung von 1 /us aufweisen (RoEo Matickg Proc. IEEE 60, 3, So 226 (1972))o Besonders weit fortgeschritten ist die Entwicklung des sogenannten "magnetic bubble"-Speichers, der bei Verwendung von Permanentmagneten ein echter Permanentspeicher isto Ein Nachteil ist der Schieberegisterbetrieb.There are still a number of procedures between these two extremes in development, which are projected for storage capacities of approx. 108 bits and Have working times of the order of 1 / us (RoEo Matickg Proc. IEEE 60, 3, So 226 (1972)) o The development of the so-called "magnetic bubble" memory, which is a real one when using permanent magnets Permanent storage isto One disadvantage is the shift register operation.

Beim Bau größerer Speicher muß schon aus Kostengründen die Registerlänge relativ groß seine Bei Schiebefrequenzen von 0,1 bis 4 0 106 bit/s ergeben sich mittlere Zugriffszeiten von 0,1 bis 1 ms (F. Perzefall, Elektronik So 39 (1974))o Ferner befinden sich, um nur einige zu benennen, noch das Halbpermanente MNOS-System (KoEo Lundström, C0M0 Svensson, IEEE Trans of Electronic Devices 199 6, So 826 (1972)) und Speicher auf dem Prinzip elektrischer Verzögerungsleitungen /R.M. White, Proc. IEEE 58, S. 1238 (1970)) in der Entwicklung.When building larger memories, the register length must be for reasons of cost At shift frequencies of 0.1 to 4 0 106 bit / s, the result is relatively large Average access times of 0.1 to 1 ms (F. Perzefall, Elektronik So 39 (1974)) or similar Furthermore, to name just a few, there is still the semi-permanent MNOS system (KoEo Lundström, C0M0 Svensson, IEEE Trans of Electronic Devices 199 6, So 826 (1972)) and Memory based on the principle of electrical delay lines /R.M. White, Proc. IEEE 58, p. 1238 (1970)) under development.

Bei optisch adressierten Speichern, die z.B. den Faraday-bzwo den Kerreffekt an ferromagnetischen bzwo ferroelektrischen Materialien ausnützen, besteht ein Mangel an geeigneten Lichtablenkern, die ohne mechanische Zwischenbewegung eine genügend große Anzahl diskreter Positionen ansteuern könnens Schließlich wurden auch schon vor vielen Jahren Speicherelemente auf der Basis der Ferroelektrizität beschrieben (J.L.Moll, Z.Tarni, IEEE Trans. Electr. Devices voll.In the case of optically addressed memories, e.g. the Faraday or the Take advantage of the effect of ferromagnetic or ferroelectric materials a lack of suitable light deflectors that produce a Finally, a sufficiently large number of discrete positions could be controlled also many years ago storage elements based on ferroelectricity (J.L. Moll, Z.Tarni, IEEE Trans. Electr. Devices full.

ED-14, no. 10, S. 338 (1963); S.S. Perlman, K.-H. Ludewig, IEEE Trans. ELectr. Devices vol. ED-14, S. 816 (1967); G.G. Teather, L.Young, Sol. State Electron. Devices voll. 11, S. 527 (1968); J.C. Crawford, F.L. Englisch, IEEE Trans.ED-14, no.10, p. 338 (1963); S.S. Perlman, K.-H. Ludewig, IEEE Trans. ELectr. Devices vol. ED-14, p. 816 (1967); G.G. Teather, L. Young, Sol. State Electron. Devices full. 11, p. 527 (1968); J.C. Crawford, F.L. English, IEEE Trans.

Electron. Devices, vol. ED-16, no 6,S. 525 (1969)). Ihre Entwicklung erlahmte aber wegen offensichtlich unüberwindbarer Materialprobleme (schlechte definierte Koerzitivkraft, Ermüdung der schaltbaren Ladung, langsame Schaltprozesse usw0)0 Solche ferroelektrischen Speicherelemente bestehen grundsätzlich aus einem Feldeffekttransistors der auf den als Speichermedium dienenden ferroelektrischen Körper aufgesetzt wird; der elektrische Widerstand der Transistor-Halbleiterschicht ist dann von der Polarisation des elektrischen Feldes des Ferroelektrikums abhängig, die wiederum von dem Speicherzustand bestimmt wird0 Derartige Bauelemente haben jedoch grundsätzlich den Nachteil, daß die remanente Polarisation innerhalb weniger Wochen verschwinden, weshalb solche Systeme für Permanentspeicher ohne weiteres nicht geeignet sind0 Eine neuere Arbeit (RoRo Methan B0D0 Silvermang J0T0 Jacobs, Jo Applo Phys., voll 44s noO 8s So 3379 (1973)) kommt zu dem Schluß, daß die Depolarisation darauf zurückzuführen ist, daß durch Unterschiede in der Schwerpunktlage der ferroelektrischen Polarisationsladungen und der freien Kompensationsladungen Gegenfelder entstehen, welche die ferroelektrischen Domänen zurückklappen0 Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Speicherelement für einen löschbaren digitalen Permanentspeicher zu schaffen, bei dem der Speicherzustand über ausreichend lange Zeit erhalten bleibt0 Gewünscht war des weiteren ein möglichst einfacher, in wirtschaftlicher Weise realisierbarer Aufbau des gesamten Speichers 9 was auch die Forderung nach einfachem kzwo mit einfachen Einrichtungen durchzuführendem Einschreiben, Lesen und Löschen der Informationen mit einschließt Hohe Speicherdichten und kurze Zugriffs zeiten sollten ebenfalls gewährleistet sein0 Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe mit dem im beigefügten Anspruch 1 beschriebenen Speicherelement in überraschend einfacher und technisch sehr fortschrittlicher Weise gelöst werden kann0 Danach besteht die Erfindung in einem Speicherelement, dessen Speichermedium aus einer bipolar aufgeladenen Elektretfolie besteht, auf deren Oberfläche auf einer Seite eine dünne elektrisch leitfähig Schicht aufgedampft ist, während auf der gegenüberliegenden Seite der Elektretfolie eine Glimmstrecke angeordnet ist, bei deren Zündung - je nach Polarität der Zündspannung - der Ladungszustand auf der ihr zugewandten Seite der Elektretfolie veränderbar ist, wodurch in der leitfähigen Schicht eine Ladung influenziert oder die bereits vorhandene Influenzladung freigegeben wird; das Vorhandensein einer Influenzladung in der leitfähigen Schicht bzw0 das Abfließen der Ladung beim Zünden der Glimmstrecke läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Speicherelement als Information über den Speicherzustand auswerten, wobei das Abfragen der Information mit Hilfe eines Lese-Schreib-Impuls es durchführbar isto Eine Reihe von vorteilhaften Ausführungsarten des be schriebenen Speicherelement es nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 genannt0 Die Verwendung sogenannter kalter Kathoden" oder Dreischicht-Elektroden gemäß Anspruch 6 hat den Vorteil, daß ständig Ladungsträger vorhanden sind, so daß bei Anlegung der Zündspannung die Glimmentladung unverzögert einsetzt0 Mit dem erfindungsgemäßen Speicherelement läßt sich ein sogenannter Random-Access Permanentspeicher aufbauen, bei dem als Speichermedium eine ausgedehnte, für zahlreiche Speicherelemente gemeinsame Elektretfolie dient0 Das Schreiben, Lesen und Löschen erfolgt durch Mikroplasmaentladungen mit Hilfe der in jedem Speicherelement vorhandenen Glimmstrecke. Dabei werden auf der einen Oberfläche der Elektretfolie Ladungen aufgebracht bzw0 neutralisiert und dadurch in der leitfähigen Schicht, die auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Elektretfolie auf gedampft ist, Ladungen influenziert oder freigegeben. Das Auslesen der Information erfolgt dynamisch mit Hilfe an sich bekannter Lese-Schreib-ImpulseO Bei Ansteuerung eines mit den erfindungsgemäßen Elementen aufgebauten "Random-Access"-Permanentspeichers über Wählermatrizen sind nur relativ wenige externe Verbindungen notwendige Die zum Schreiben, Lesen und Löschen benötigten Zeiten, insbesondere auch die Zugriffszeiten, liegen bei Verwendung von Speicherelementen der erfindungsgemäßen Art bei ca0 1 µs. Die Speicherdichte ist im wesentlichen durch die Möglichkeiten der Dünnfilmtechnik begrenzt und liegt bei ca0 104 bis 105 bit/cm20 Da das gesamte Speicherelement, doho Elektretfolie mit aufgedampfter Schicht und Glimmstrecke, relativ dünn hergestellt werden kann, lassen sich (bei Plattendicken von etwa 0,5 bis 1 mm durch Übereinanderstapeln Speicherdichten von 106 bit/cm3 erreichen0 Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Erläuterung weiterer Einzelheiten des erfindungsgemäßen Elementes, der physikalischen Vorgänge und der Zusammenwirkung mit anderen Speicherelementen anhand der beigefügten Abbildungen hervor0 Es zeigen Figur 1 schematisch den Verlauf des elektrischen Feldes in einem Elektreten und dessen Beeinflussung durch außerhalb des Elektreten angeordnete leitfähige Platten, Figur 2a9 b ebenfalls schematisch eine Ausführungsart des erfindungsgemäßen Speicherelementes und den Feldlinienverlauf bzw0 die Ladungsverteilung bei verschiedenem Speicherzustand - mit symbolischer Andeutung der zugehörigen Zünd-und Meßschaltung, Figur 3agb9c eine Ersatzschaltung des Speicherelementes nach Figur 2 und die Ladestromkennlinie bei Zündung der Glimmstrecke (Figur 3c)9 Figur 4 im Diagramm die Abhängigkeit der Spannung zwischen einem Elektret und einer äußeren Elektrode vom Luftspalt zwischen beiden, und Figur 5 in perspektivischer Darstellung den Ausschnitt aus einer Speichermatrix, die aus Speicherelementen gemäß Figur 2 besteht0 Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise des erfindungs gemäßen Speicherelementes sollen zunächst einige Eigenschaften von Elektreten näher erläutert werden0 Bei den in letzten Jahren durch Verwendung geeigneterer Kunststoffe erheblich verbesserten Elektreten handelt es sich meist um sogenannte RaumladungselektreteO Alle Dielektrika enthalten eine gewisse Anzahl freier elektrischer Ladungsträger, doho Ionen, Elektronen oder beides0 Normalerweise sitzen diese in tiefen, energetischen Haftstellen, und zwar statistisch verteilt, so daß nach außen kein resultierendes elektrisches Feld auftreten kann0 Diese Ladungsträger können aber zOBo thermisch aus ihren Haftstellen befreit werden und durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes zu den entsprechenden Elektroden hin wandern, wo sie sich an den Grenzflächen anreichern0 Durch Abkühlen des Dielektrikums unter anliegendem Feld wird dieser Zustand eingefroren, doho die Ladungsträger befinden sich wieder in tiefen Haftstellen, aus denen sie nur durch Zuführung eines gewissen Energiebetrages befreit werden können0 Es gibt mehrere Herstellungs- (Formulierungs-) methoden für ElektreteO Insbesondere können die Ladungsträger auch von außen zugeführt werden, wie zoBo durch Elektronen strahlbeschuß, über Flüssigkeitskontakte oder durch Gasentladung0 Besonders in den beiden letztgenannten Fällen werden die Ladungsträger in Oberflächenhaftstellen fest gehalten0 Als besonders geeignet für die Herstellung von Elektretfolien hat sich FEP (Polyfluoäthylenpropylen) erwiesen.Electron. Devices, vol. ED-16, no 6, p. 525 (1969)). Your development but weakened because of obviously insurmountable material problems (poorly defined Coercive force, switchable load fatigue, slow switching processes etc.0) 0 Such ferroelectric memory elements basically consist of a field effect transistor which is placed on the ferroelectric body serving as a storage medium; the electrical resistance of the transistor semiconductor layer is then of the polarization of the electric field of the ferroelectric, which in turn depends on the storage state is determined0 Such components have the fundamental disadvantage that the remanent polarization disappears within a few weeks, which is why such Systems for permanent storage are simply not suitable0 A recent piece of work (RoRo methane B0D0 Silvermang J0T0 Jacobs, Jo Applo Phys., Full 44s noO 8s So 3379 (1973)) comes to the conclusion that the depolarization is due to the fact that due to differences in the center of gravity of the ferroelectric polarization charges and the free compensation charges, opposing fields arise, which generate the ferroelectric Fold back domains0 The invention is based on the object of a storage element for creating an erasable permanent digital memory in which the memory state for a long enough time Time is retained 0 Was also desired the simplest possible, economically feasible structure of the whole Memory 9 what also the demand for simple kzwo with simple facilities includes writing, reading and erasing the information High storage densities and short access times should also be guaranteed0 It has now been shown that this object with that described in the appended claim 1 Storage element in a surprisingly simple and technically very advanced way can be solved0 According to the invention in a memory element whose Storage medium consists of a bipolar charged electret film on the surface a thin electrically conductive layer is vapor-deposited on one side, while A glow path is arranged on the opposite side of the electret film is, when they are ignited - depending on the polarity of the ignition voltage - the state of charge can be changed on the side of the electret film facing it, whereby in the conductive layer influences a charge or the already existing influence charge is released; the Presence of an influenza charge in the conductive layer or the discharge of the charge when igniting the glow path in the memory element according to the invention as information about the memory state evaluate, with the querying of the information with the help of a read-write pulse it is feasible to do a number of advantageous embodiments of the described Storage element according to the invention are mentioned in the subclaims 2 to 60 The use of so-called "cold cathodes" or three-layer electrodes according to claim 6 has the advantage that charge carriers are always present, so that when applied of the ignition voltage, the glow discharge begins without delay A so-called random access permanent memory can be built up as a storage element, where the storage medium is an extensive one that is common to numerous storage elements Electret foil is used for writing, reading and erasing by means of microplasma discharges with the help of the glow path present in each storage element. Doing this will be on the one surface the electret film applied charges or neutralized and thereby in the conductive layer that is on the opposite The surface of the electret film is vaporized, charged or released. The information is read out dynamically with the aid of read-write pulses O known per se When a "random access" permanent memory is controlled using the elements according to the invention Relatively few external connections are necessary via voter matrices times required for writing, reading and deleting, in particular the access times, when using storage elements of the type according to the invention are approx. 1 µs. The storage density is essentially due to the possibilities of thin film technology limited and is approx. 104 to 105 bit / cm20 Since the entire storage element, doho electret film with a vapor-deposited layer and glow path, made relatively thin can be (for panel thicknesses of about 0.5 to 1 mm by stacking Achieve storage densities of 106 bit / cm30 Further features, advantages and possible applications the Invention go from the following explanation of further details of the element according to the invention, the physical processes and the interaction with other storage elements based on the attached illustrations Figure 1 shows schematically the course of the electric field in an electret and its influence by conductive plates arranged outside the electret, Figure 2a9b also schematically shows an embodiment of the memory element according to the invention and the course of the field lines or the charge distribution for different storage states - with symbolic indication of the associated ignition and measuring circuit, Figure 3agb9c an equivalent circuit of the storage element according to Figure 2 and the charging current characteristic upon ignition of the glow path (Figure 3c) 9 Figure 4 in the diagram the dependence of the Voltage between an electret and an outer electrode from the air gap between both, and FIG. 5 shows the detail in a perspective illustration from a memory matrix which consists of memory elements according to FIG. 2 For the better Understanding the operation of the fiction, contemporary memory element should first some properties of electrets are explained in more detail0 in the case of the last few years electrets are considerably improved by using more suitable plastics They are mostly so-called space charge electretsO All dielectrics contain one certain number of free electrical charge carriers, doho ions, electrons or both0 Usually these sit in deep, energetic traps, statistically distributed so that no resulting electric field can occur to the outside These charge carriers can, however, be thermally released from their trapped areas zOBo and by applying an external electric field to the respective electrodes migrate to where they accumulate at the interfaces0 by cooling the dielectric This state is frozen under the applied field, so the charge carriers are located themselves again in deep traps, from which they can only be removed by supplying a certain amount of energy can be exempted0 There are several manufacturing (formulation) methods for ElectreteO In particular, the charge carriers can also be supplied from the outside, like zoBo through electron beam bombardment, through liquid contacts or through gas discharge0 In the last two cases in particular, the charge carriers become adherent to the surface firmly held0 As particularly suitable for the production of electret foils FEP (Polyfluoäthylenpropylen) proved.

Die erreichharen Ladungsdichten liegen bei über 10-7 As/cm2.The achievable charge densities are over 10-7 As / cm2.

Diese Elektrete sind bis etwa 80 0C stabil0 Aus entsprechenden Messungen wurde extrapoliert, so daß die Ladung bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit und 25 0C etwa 200 Jahre lang erhalten bleiben würde0 Wie Figur la zeigen soll, ist bei Abwesenheit äußerer Elektroden das durch die Ladung hervorgerufene Feld im Inneren des Elektreten geschlossen, doho es tritt nach außen kein Feld auf 0 Bei der angegebenen Ladungsdichte 6.- 10-7 As/cm2, der Dielektrizitätskonstante E=2, der Influenzkonstant e beträgt das im Inneren herrschende Feld Bringt man den Elektreten gemäß Figur ic zwischen zwei leitende oder halbleitende Platten 223, so werden dort Influenzladungen erzeugt0 Bei genügend kleinem Abstand dieser Platten von den entsprechenden Oberflächen des Elektreten kann nahezu das ganze Feld nach außen abgezogen werden, allerdings nur bis zur Durchschlagsfeldffl stärke des umgebenden Gases0 Nach Entfernen der Platten 2,3 ist das Feld wieder im Inneren des Elektreten geschlossen.These electrets are stable up to about 80 ° C. It was extrapolated from corresponding measurements so that the charge would be retained for about 200 years at low relative humidity and 25 ° C. As shown in FIG Inside the electret closed, no field appears to the outside 0 At the given charge density 6.-10-7 As / cm2, the dielectric constant E = 2, the influence constant e is the internal field If the electret is brought between two conductive or semiconducting plates 223 according to FIG. 1c, then influenza charges are generated there Gases0 After removing the plates 2, 3 the field inside the electret is closed again.

Letzteres gilt auch, wenn nur eine der beiden Platten 1,2 entfernt wird0 Dies läßt sich anhand von Figur 1b aus folgender Überlegung ableiten: Die Platten sollen zur Elektretoberfläche einen Abstand d bzw0 d3 besitzen und außen miteinander verbunden sein, so daß ein geschlossener Kreis gebildet wird, es gilt dann oder Die Ladungsdichte auf dem Elektreten sei C 0O Die auf den Platten influenzierten Ladungsdichten sind auf beiden Platten gleich groß (=6ç). Dann folgt Für d3>d1 und Diese Feststellung ist für die Funktion des erfindungsgemäßen Speicherelementes wesentlich0 Der prinzipielle Aufbau eines Speicherelement es der erfin dungsgemäßen Art ist aus Figur 2 ersichtlich0 Auf der oberen Seite einer bipolar aufgeladenen Elektretfolie 1 ist eine dünne elektrisch leitfähige Schicht 2 aufgedampft0 Auf der gegenüberliegenden Seite der Elektretfolie 1 befindet sich eine Glistrecke, die im wesentlichen aus der Elektrode 3, dem Gasraum 4 und der im geringen Abstand von der Elektrode 3 angeordneten Gegenelektrode 5 besteht0 Diese Gli-strecke dient zum Schreiben, Lesen und Löschen der InforoationO Bei dem in Figur 2a dargestellten Zustand des erfindungsgemäßen Speicherelement es findet die negative Ladung der bipolar ausgeladenen El ektret folie 1 keine Gegenladung, so daß das Feld fast nur im Inneren der Elektretfolie besteht0 Dadurch wird auch nur eine sehr kleine Ladung in der aufgedampften leitfähigen Schicht 2 influenziertO Die Schicht 2 ist über ein Elektrometer 6 mit Masse verbunden0 Auf der dieser Schicht 2 gegenüberliegenden Seite der Elektretfolie 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Ringelektrode 3 ausgedampft, die zusammen itt dem Gasraum 4 und der Gegenelektrode 5 eine Glimmstrecke bildet0 Diese Glimmelektroden 3,5 werden symmetrisch zur Masse über die Schalter 7' und 7' angesteuert0 Figur 2b zeigt das Einschreiben der Information durch Auf bringen von positiv geladenen Ionen auf die von der Ringelektrode 3 eingeschlossene Oberfläche der Elektretfolie 1; dies geschieht durch Zündung der Glimmentladung bei entsprechender Polung0 Auf die positiven Ionen der Glimmentladung wirken hier bei genügender Annäherung auch die negativen Elektretladungen, so daß ein Teil dieser Ionen zur Elektretoberfläche hin beschleunigt wird, wobei eine elektrische Doppelschicht entsteht0 Damit werden nach der oben abgeleiteten Gleichung (2) die Abstände d1 und d3 < d2 und somit 6m = 6'o' doho in der leitfähigen Schicht 2 wird etwa die gleiche Ladungsdichte influenziert, wie sie im Elektreten 1 vorhanden isto Die folgenden Ausführungen zeigen, daß Spannungen von ca0 30 V bis SO V genügen, um die Entladung zu zünden0 Hierzu soll die Figur Ib betrachtet werden0 Die im Abstand d3 vom Elektreten entfernte Metallplatte entspricht etwa der unteren Elektrode der Glimmstrecke in Figur 2o Dann besteht zwischen Elektret und Elektrode ein Feld bzw0 eine Spannung Einsetzen von (2) und (3) ergibt oder wegen d1 # d3 Figur 4 stellt diese Beziehung U3 3 f(d3) mit cm und d2 als Parameter dar0 Diese Abbildung ist einer Arbeit von Sessler und West entnommen (G.M.) Sessler, JoEo Weste RevO Sci. Inst. 42q 1, So 15 (1971)). Die eingezeichnete Paschen-Kurve stellt eine Grenzkurve dar, oberhalb deren die Durchbruchsfeldstärke der Luft bei 760 Torr überschritten wird0 Bei vorgegebener Ladungsdichte des Elektreten kann man also durch geeignete Wahl des Abstandes d3 sowie der Gasart und des Gasdrucks leicht einen "Arbeitspunkt" finden, bei dem das vom Elektreten im Luftspalt d3 erzeugte Feld noch nicht ausreicht, eine Entladung zu zünden0 Die Zündung geschieht dann durch Anlegen eines zusätzlichen Feldes zwischen den beiden Elektroden 3,5 der Glimmstrecke. Die hierfür benötigten Spannungen können umso geringer sein, je näher der oben genannte Arbeitspunkt an der Paschen-Kurve liegt0 Diese Annäherung darf allerdings nicht zu groß sein, um einen selbständigen Durchbruch mit Sicherheit zu vermeiden0 In dem Zustand nach Figur 2a ist das Feld der Elektretladung fast vollständig im Inneren geschlossen0 Durch die in der Elektrode 4 erzeugte kleine Influenzladung besteht jedoch zwischen dieser Elektrode 4 und der unteren Elektretladung eine Spannung Bei Festlegung der Parameter in der vorstehenden Gleichung sowie der Gasart und des Gasdrucks für den Betrieb der Glimmstrecke ist deren Zündspannung Uz sowie U3 genau definiert0 Zur Vermeidung einer unselbständigen Entladung muß U3 < Uz sein0 Zum Einschreiben der Information wird die Glimmstrecke durch Schließen der Kontakte 7 9 72' und somit durch Anlegen eines Spannungs impulses U > U -U3 (5) zwischen den Elektroden 3 und 5 gezündet (siehe Figur 2b)0 Dadurch wird die untere Ladung in der Elektretfolie 1 neutralisiert0 Die hierfür benötigte Impulsdauer liegt bei einigen 10 7 sec0 Durch die Neutralisation der unteren Elektretladung verhält sich die obere Elektretladung (siehe Figur 2b) wie eine HomoladungO Aufgrund ihrer geometrischen Nähe zur aufgedampften Schicht 2 wird in diese Schicht nahezu eine gleich große Ladung mit entgegengesetzten Vorzeichen influenziertO Auf der Elektrode 5 wird ebenfalls eine geringe Ladungsmenge influenziert, deren Polarität umgekehrt ist im Vergleich zu dem Speicherzustand nach Figur 2aO Es entsteht eine Spannung (siehe Figur 2b) Dabei ist U'3* - U30 Dieser Zustand stellt den Zustand der gespeicherten Information dar0 Zum Lesen der Information ist hier, ähnlich wie bei einem Kernspeicher, ein Lese-Schreibzyklus erforderlich. Die Abfrage der Information beruht nämlich darauf, daß im Zustand nach Figur 2a, also bei Fehlen einer Information, zwischen der Elektretladung und der Elektrode 5 eine Spannung U3 (siehe Figur 2a), in dem Zustand nach Figur 2b jedoch, doho bei Vorhandensein einer Information, eine Spannung U'3 #- U3 ansteht0 Legt man nun zwischen den Elektroden 3 und 5 über die Schalter 79s 7'' eine Spannung so zündet das Element nur dann, wenn es sich in dem Zustand nach Figur 2b (Speicherzustand) befindet, nicht jedoch in dem Zustand nach Figur 2aO Dadurch wird das erfindungs gemäße Speicherelement wieder in den Zustand nach Figur 2a gebracht0 Dies hat einerseits zur Folge, daß die Influenzladung von der aufgedampften Schicht 2 über das Meßgerät 6 nach Masse abfließt und damit angezeigt werden kann, andererseits geht aber dabei die Information verloren und muß durch einen erneuten Spannungsimpuls mit der Spannung Uz wieder eingeschrieben werden0 Das Vorhandensein von Information wird also durch den Nachweis der auf der Schicht 2 freiwerdenden Influenzladung angezeigt0 Die Höhe der Spannung Ui ist aufgrund der Koinzidenz schaltung (Figur 5) nach oben begrenzt0 Genauere Angaben über die maximale und zulässige Höhe von U bringt das beigefügte Beispiel0 Allgemein läßt sich sagen, daß die maximale libhe von U@, außer von der Zündspannung Uz und von U'3, von den örtlichen Schwankungen der Ladungsdichte auf dem Elektreten abhängig isto Da die Glimmstrecke 3 - 5 nur in dem Zustand nach Figur 2b, nicht aber in dem Zustand nach Figur 2a, durch Anlegen einer Spannung U' gezündet werden kann, scheint es zunächst naheliegends die Abfrage des Informationszustandes einfach durch eine Strommessung im Zündkreis vorzunehmen0 Eine solche Meßanordnung besitzt aber erhebliche Nachteile, wie anhand des Ersatzschaltbildes gemäß Figur 3a9 3b erläutern werden Soll Wird nämlich zwischen den Elektroden 3 und 5 ein Impuls mit der Dauer to und der Spannung UO w angelegt, so werden zuerst die Kapazitäten auf die Spannung UB aufgeladen0 Erst danach zündet die GlimmstreckeO Der Ladestrom (siehe Figur 3c) fließt also sowohl im Zustand des erfindungsgemäßen Speicherelement es nach Figur 2a als auch in dem Zustand nach Figur 2b 9 also sowohl beim Fehlen als auch beim Vorhandensein einer Information0 Erst wenn die Glimmstrecke gezündet ist, unterscheiden sich die beiden Zustände dadurch, daß in dem Zustand nach Figur 2b dem Ladestrom der Glimmstrom überlagert wird0 Dauert der Impuls UO lange genug, dann ist der Ladestrom abgeklungen und es fließt nur noch der GlimmstromO Wird also der durch das Instrument 6 fließende Strom J1 (siehe Figur 3b) erst nach dem Abklingen des Ladestroms für die Kapazitäten gemessen, dann lassen sich beide Speicher zustände deutlich unterscheiden0 Diese Arbeitsweise wird bereits in ähnlicher Form bei den sogenannten Wechselstrom Plasma Panels angewandt0 Dort kommt es allerdings darauf an, die Glimmentladung optisch sichtbar zu machen, was hier ohne Bedeutung ist0 Da die Ulladung der Elektretoberfläche bereits während des Lawinenaufbaus (unselbßtändige Entladung) vor der eigenem lichen Zündung der selbständigen Ladung erfolgt, kann ein Faktor 5-10 an Arbeitsgeschwindigkeit gewonnen werden, wenn die Uxladung der Elektretoberfläche direkt verfolgt werden kann0 Dies ist möglich, wie anhand von Figur 3b erläutert werden sollOEs ist ersichtlich, das das Instrument J1 in einer Brücke liegt, gebildet aus den beiden erdsymmetrischen Spannungsquellen und den Kapazitäten C2 und C30 Da die Geometrie des Speicherelements so gewählt werden kann, daß C2 = C3 wird, bleibt J1 während des Auf ladens der Kapazitäten stromlos0 Die Influenzladung auf der Elektrode 2s die gleichzeitig die erdseitige Platte der Kondensatoren C2 und C3 darstellt, wird während des Umladevorgangs an der unteren Elektretoberfläche frei und fließt über J1 nach Masse abO Bei einer Ladungsdichte von 10 7 Cb/cm2 und einer aktiven Fläche des Elements von (30 µ)2 = 9010 6 cm2 beträgt die abfließende Ladungsmenge 901013 Cbo Da die Umladung nur einige 10 7 s dauert, fließt ein Strom von einigen uA, der mit dem Amperemeter 6' leicht gemessen werden kann0 Die Brückenschaltung nach Figur 3b bietet also die wesentlichen Vorteile, daß bei abgeglichener Brücke nur dann ein Strom durch J1 fließt, wenn das Speicherelement im Zustand nach Figur 2 ist, und daß die Arbeitsgeschwindigkeit um einen Faktor 5 10 größer ist als bei Messungen des Stromes Jz der Glimmentladung mit dem Instrument 8s die Dauer der Abfrageimpulse kann daher entsprechend kürzer sein0 Ein weiterer, sehr wesentlicher Vorteil liegt darin, daß der Leseimpuls gegen Masse gemessen werden kann, während zur direkten Messung des Entladungsstroms die Meßschaltung gegen Masse isoliert sein muß0 Beim Abfragen geht jedoch die Information verloren und muß durch einen Impuls umgekehrter Polarität zwischen den Elektroden 3 und 5 wieder eingeschrieben werden0 Die erfindungsgemäßen Speicherelemente können nun in Matrixanordnungen zu Speichersystemen zusammengefügt werden0 Figur 5 zeigt einen Ausschnitt aus einer solchen Speichermatrix0 In dieser Darstellung befindet sich auf der Ob erseite das beschriebene Schreib-, Lese- und Löschsystem, daß im wesentlichen aus den zeilen- und spaltenweise hintereinandergeschalteten Elektroden 3,5 besteht0 Darunter befindet sich die Elektretfolie 1, die auf der den Glimmstrecken gegenüberliegenden Seite die aufgedampfte leitfähige Schicht 2 trägt0 Die einzelnen Speicherelemente können mit einer Koinzidenzschaltung unmittelbar angesteuert werden (Random°Access)O Die auf dem Elektreten 1 aufgedampften Elektrodenstreifen 3 sind im Bereich jedes einzelnen Speicherelementes gelocht, damit die Ladungsträger der Glimmentladung zu der Elektretoberfläche Zutritt haben; jedes Loch stellt also einen Speicherplatz dar (In Figur 5 wird das schwarz ausgefüllte Element angesteuert)0 Eine solche Anordnung läßt sich mit Hilfe der Dünnfilmtechnik herstellen, wobei das Erreichen einer Dichte von über 104 Glimmstrecken/cm2 keine Schwierigkeiten bereitet0 Der Elektret besteht in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5 aus einer Teflonfolie von 6925 Jum Dicke0 Die Schicht 2 und die Elektrode 3 sind direkt aufgedampft und bestehen aus Alumunium. Die Elektrodenstreifen 3 sind 40 jum breit und besitzen untereinander einen Abstand von 30 um Der Lochdurchmesser (Speicherplatz) in diesen Streifen beträgt 30 /um, der Lochabstand 50 /um0 Die Folie ist auf der Seite der Elektrode 3 auf eine Glasplatte aufgeklebt0 Auf der Unterseite einer zweiten Glasplatte sind die Elektrodenstreifen 5 (25 /um breit) im Abstand von 50 1um aufgedampft.The latter also applies if only one of the two plates 1, 2 is removed. This can be deduced from the following consideration with reference to FIG becomes, it then applies or Let the charge density on the electret be C 0O. The charge densities influenced on the plates are the same on both plates (= 6ç). Then follows For d3> d1 and This finding is essential for the function of the memory element according to the invention. The basic structure of a memory element of the type according to the invention can be seen in FIG There is a glass section consisting essentially of the electrode 3, the gas space 4 and the counter-electrode 5 arranged at a small distance from the electrode 3 Storage element the negative charge of the bipolar charged electret foil 1 does not find any counter-charge, so that the field exists almost exclusively in the interior of the electret foil 0 This also influences only a very small charge in the vapor-deposited conductive layer 2 The layer 2 is via an electrometer 6 connected to ground On the side of the electret film 1 opposite this layer 2, in the present exemplary embodiment of the invention, a ring electrode 3 is evaporated, which together with the gas space 4 and the counter electrode 5 forms a glow path 'and 7' controlled0 FIG. 2b shows the writing of the information by applying positively charged ions to the surface of the electret film 1 enclosed by the ring electrode 3; This is done by igniting the glow discharge with the appropriate polarity0 The negative electret charges also act on the positive ions of the glow discharge when they come close enough, so that some of these ions are accelerated towards the electret surface, creating an electrical double layer. 2) the distances d1 and d3 <d2 and thus 6m = 6'o 'doho in the conductive layer 2 the same charge density is influenced as it is in the electret 1 V suffice to ignite the discharge0 Figure Ib should be considered for this purpose0 The metal plate at a distance d3 from the electret corresponds approximately to the lower electrode of the glow path in Figure 2o. Then there is a field between the electret and the electrode or a voltage Substituting (2) and (3) gives or because of d1 # d3 FIG. 4 shows this relationship U3 3 f (d3) with cm and d2 as parameters0 This figure is taken from a work by Sessler and West (GM) Sessler, JoEo Weste RevO Sci. Inst. 42q 1, So 15 (1971)). The drawn Paschen curve represents a limit curve above which the breakdown field strength of air at 760 Torr is exceeded the field generated by the electret in the air gap d3 is not yet sufficient to ignite a discharge0 The ignition then takes place by applying an additional field between the two electrodes 3, 5 of the glow gap. The voltages required for this can be lower, the closer the above-mentioned working point is to the Paschen curve0 This approximation, however, must not be too great in order to avoid an independent breakdown with certainty0 In the state according to Figure 2a, the field of the electret charge is almost completely closed on the inside 0 Due to the small influence charge generated in the electrode 4, however, there is a voltage between this electrode 4 and the lower electret charge When defining the parameters in the above equation as well as the type of gas and the gas pressure for operating the glow path, its ignition voltage Uz and U3 are precisely defined 0 To avoid dependent discharge, U3 must be <Uz 0 To write the information, the glow path is closed by closing contacts 7 9 72 'and thus ignited by applying a voltage pulse U> U -U3 (5) between electrodes 3 and 5 (see Figure 2b) 0 This neutralizes the lower charge in electret film 1 0 The pulse duration required for this is a few 10 7 sec0 Due to the neutralization of the lower electret charge, the upper electret charge (see Figure 2b) behaves like a homochargeO Due to its geometric proximity to the vapor-deposited layer 2, almost an equal charge with opposite signs is influenced in this layer.On the electrode 5, a small amount of charge is also influenced whose polarity is reversed compared to the memory state according to Figure 2aO A voltage is generated (see Figure 2b) Here U'3 * - U30 This state represents the state of the stored information0 To read the information, a read-write cycle is required here, similar to a core memory. The query of the information is based on the fact that in the state according to FIG. 2a, i.e. in the absence of information, a voltage U3 (see FIG. 2a) between the electret charge and the electrode 5, but in the state according to FIG. 2b, doho when information is present , a voltage U'3 # - U3 is present. Now, a voltage is applied between electrodes 3 and 5 via switches 79s 7 '' the element only ignites when it is in the state according to FIG. 2b (memory state), but not in the state according to FIG. 2a the influence charge flows from the vapor-deposited layer 2 via the measuring device 6 to ground and can thus be displayed, but on the other hand the information is lost and must be rewritten by a new voltage pulse with the voltage Uz Influence charge released on layer 2 0 The level of the voltage Ui is limited upwards due to the coincidence circuit (Figure 5) 0 The attached example provides more precise information about the maximum and permissible level of U0 In general, it can be said that the maximum libhe of U @ , apart from the ignition voltage Uz and U'3, from the local fluctuations in the load Since the glow path 3 - 5 can only be ignited in the state according to FIG. 2b, but not in the state according to FIG However, such a measuring arrangement has considerable disadvantages, as will be explained using the equivalent circuit diagram according to FIG. 3a9 3b The voltage UB is charged 0 Only then does the glow gap ignite O The charging current (see Figure 3c) So it flows both in the state of the memory element according to the invention according to FIG. 2a and in the state according to FIG Figure 2b, the glow current is superimposed on the charging current 0 If the pulse UO lasts long enough, then the charging current has decayed and only the glow current flows Capacities measured, then both storage states can be clearly differentiated0 This method of operation is already used in a similar form in the so-called alternating current plasma panels0 There, however, it is important to make the glow discharge optically visible, which is irrelevant here0 Since the electret surface is already charged during the build-up of the avalanche (non-self-sufficient discharge) takes place before the self-ignition of the independent charge, a factor of 5-10 can be gained in operating speed if the charge of the electret surface can be followed directly0 This is possible, as should be explained with reference to Figure 3b. It can be seen that the instrument J1 in a bridge, formed from the two balanced voltage sources and the capacitors C2 and C30. Since the geometry of the storage element can be selected so that C2 = C3, J1 remains de-energized while the capacitors are being charged The plate of the capacitors C2 and C3 on the ground side is exposed during the recharging process on the lower electret surface and flows to earth via J1 the outflowing amount of charge is 901013 Cbo Since the recharging only takes a few 10 7 s, a current of a few flows uA, which can easily be measured with the ammeter 6 '. The bridge circuit according to FIG is a factor of 5 10 greater than when measuring the current Jz of the glow discharge with the instrument 8s, the duration of the interrogation pulses can therefore be correspondingly shorter0 Another very important advantage is that the read pulse can be measured against ground, while for direct measurement of the Discharge current, the measuring circuit must be isolated from ground 0 When interrogating, however, the information is lost and has to be rewritten by a pulse of reversed polarity between electrodes 3 and 5 0 The memory elements according to the invention can now be combined in matrix arrangements to form memory systems 0 Figure 5 shows a section of one of these Storage capacity trix0 In this representation, the writing, reading and erasing system described above is on the upper side, which essentially consists of the electrodes 3, 5 arranged one after the other in rows and columns vapor-deposited conductive layer 2 carries 0 The individual storage elements can be controlled directly with a coincidence circuit (random ° access) O The electrode strips 3 vapor-deposited on the electret 1 are perforated in the area of each individual storage element so that the charge carriers of the glow discharge have access to the electret surface; Each hole thus represents a storage space (the element filled in black is activated in FIG. 5) 0 Such an arrangement can be produced with the aid of thin-film technology, whereby reaching a density of over 104 glow sections / cm2 does not cause any difficulties 0 The electret is in the exemplary embodiment According to FIG. 5, made of a Teflon film with a thickness of 6925 Jum. The layer 2 and the electrode 3 are vapor-deposited directly and consist of aluminum. The electrode strips 3 are 40 μm wide and are spaced 30 μm apart. The hole diameter (storage space) in these strips is 30 μm, the hole spacing 50 μm On the second glass plate, the electrode strips 5 (25 μm wide) are vapor-deposited at a distance of 50 μm.

Der Abstand a = 50 /u zwischen den Elektroden 3 und 5 wird durch Abstandshalter zwischen den beiden Glasplatten eingestellt0 Das Gas für die Glimmentladungen besteht hier aus Neon + 0,1% Argon bei einem Druck von 500 Torr0 Der Elektret ist auf 2 e 10 8 Cb/cm2 aufgeladen0 Die örtliche Schwankung der Ladungsdichte ist < < # 10%o Die Spannung U3 zwischen den Elektretladungen und den Elektroden 5 beträgt im Ausgangszustand 67 V + 10%o Der Minimalwert von U3 liegt also bei 60 V, der Maximalwert bei 74 V. Die Zündspannung Uz beträgt 105 V, so daß eine Zusatzspannung U = 105 V - 60 V = 45 V, oder wegen der Koinzidenzschaltung, U = + 2295 V genügt, um die Zündung einzuleiten. Um eine Zündung derjenigen Elemente zu vermeiden, die in derselben Reihe bzw0 Spalte liegen wie.das angesteuerte Element, bei denen aber aufgrund der Koinzidenzschaltung nur jeweils eine der beiden Elektroden 3,5 an der Spannung U2 liegt, muß die Spannung U< + (105 V - 74 Y) oder U< - 31 V seine Mit U = + 25 V ist eine sichere Zündung des angesteuerten Elements gewährleistet und gleichzeitig eine Zündung der anderen genannten Elementes mit Sicherheit vermieden0 Die zum Einschreiben, Lesen und Löschen benötigten Zeiten liegen bei 1 Weil Gljcntladungen auf sehr kleinem Raum erzeugt werden können, ist die Zahl der Speicherplätze pro Fläche im wesentlichen durch die Möglichkeiten der Dünnfilmtechnik vorgegeben. Die bereits genannte erreichbare Speicherkapazität von ca0 106 bit/cm2 läßt sich bisher nur durch optische Speicher übertreffen, die aber zur Ansteuerung des Speichermediums - im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen Speicherelement - umfangreiche, sehr komplizierte externe Geräte benötigen0The distance a = 50 / u between the electrodes 3 and 5 is determined by spacers set between the two glass plates 0 The gas for the glow discharges exists here from neon + 0.1% argon at a pressure of 500 Torr0 The electret is on 2 e 10 8 Cb / cm2 charged0 The local fluctuation of the charge density is << # 10% o The voltage U3 between the electret charges and the electrodes 5 is in the initial state 67 V + 10% o The minimum value of U3 is therefore at 60 V, the maximum value at 74 V. The ignition voltage Uz is 105 V, so that a Additional voltage U = 105 V - 60 V = 45 V, or because of the coincidence circuit, U = + 2295 V is sufficient to initiate ignition. To an ignition of those elements to avoid that are in the same row or column as the selected element, but in which only one of the two electrodes is due to the coincidence circuit 3.5 is connected to the voltage U2, the voltage U <+ (105 V - 74 Y) or U < - 31 V his With U = + 25 V there is a safe ignition of the activated element guaranteed and at the same time an ignition of the other mentioned element with Security avoided0 The times required for writing, reading and erasing are at 1 Because glass discharges can be generated in a very small space the number of storage spaces per area is essentially due to the possibilities of Thin film technology specified. The already mentioned achievable storage capacity of ca0 106 bit / cm2 can be only excel by optical storage, But the control of the storage medium - in contrast to the invention Storage element - need large, very complicated external devices0

Claims

Patent to £ ruffiche storage element for an erasable digital Permanent storage, characterized in that the storage medium consists of a bipolar charged electret film (1), on the surface of which on one side a thin electrically conductive layer (2) is evaporated while on the opposite Side of the electret film (1) a glow path (3-5) is arranged, when it is ignited - depending on the polarity of the ignition voltage - the state of charge on the one facing it Side of the electret film (1) is changeable, whereby in the leit ° capable layer (2) a charge is influenced or the existing charge is released, and that the presence of an influential charge in the conductive layer (2) or the discharge of the charge upon ignition of the glow path (394) as information about the memory status can be evaluated, with the querying of the information with the help a read-write pulse is feasible 0 2o 'storage element according to claim 19, characterized in that one electrode (3) of the glow path (3-5) is applied directly to the electret film (1) and that area of the Surrounds electret film (1), the state of charge under the action of the glow discharge can be changed, and that the gas space (4) and the counter electrode are attached to this electrode (3) (5) the glow path (3-5) connects 0 3o storage element according to claim 1 or 2, characterized in that the glow path (3-5) for writing the information can be ignited by a voltage pulse in the order of magnitude of a few 10 7 sec0, wherein in the conductive layer (2) a charge can be influencedo 4o storage element according to one of claims 1 to 3s, characterized in that for reading the information Such a voltage pulse can be applied between the glow electrodes (3, 5), that the glow path (3-5) only ignites when information is available0 So Storage element according to Claim 49, characterized in that the outflowing influence charge can be evaluated by the conductive layer (2) as a signal for the stored information ist0 6o storage element according to one of claims 1 to 5, characterized in that that the two electrodes (395) of the glow path as three-layer electrodes (metal-insulator-metal) are formed when a voltage is applied between the two outer metal layers emit electrons into the gas space (4) 0