用于在无源矩阵存储器中执行读写操作的方法,以及执行该方法的装置

摘要

一种用于在无源矩阵寻址的存储单元的存储器阵列中执行读写操作的方法，所述存储单元包含呈现极化剩磁的电可极化材料，其中存储于存储单元内的逻辑值用该存储单元中的实际极化状态来表示，其中读写操作在控制电路设备的控制下执行，所述方法包括步骤：在读取操作期间，记录一个或多个存储单元的动态电荷响应，在每个读取操作期间，把在该可极化材料中的极化程度限制到取决于所记录的动态电荷响应并由该控制电路设备所限定的值，所述值的范围为大于零到小于极化饱和幅值的上限并且与用于存储单元的逻辑状态的可靠检测的预定判据相一致，以及根据实际的瞬态电荷响应信息来控制读和写操作。

权利要求

1.一种用于在无源矩阵寻址的存储单元的存储器阵列中执行读写操作的方法，所述存储单元包含呈现极化剩磁的电可极化材料，其中所述电可极化材料是驻极体或者铁电材料，其中存储于存储单元内的逻辑值用该存储单元中的实际极化状态来表示，并且通过响应于为寻址该阵列的存储单元而向字线和位线施加电压而检测流入或者流出所述存储单元的电荷流来确定所述逻辑值，其中电荷流的检测是基于检测由在所述可极化材料中的极化变化所造成的电荷流分量，其中读写操作在控制电路设备的控制下执行，其特征是：所述方法包括步骤：a)在读取操作期间，记录一个或多个存储单元的动态电荷响应，

b)在每个读取操作期间，把在该可极化材料中的极化程度限制到取决于所记录的动态电荷响应并由该控制电路设备所限定的值，所述值的范围为大于零到小于极化饱和幅值的上限并且与用于存储单元的逻辑状态的可靠检测的预定判据相一致，以及c)根据实际的瞬态电荷响应信息来控制读和写操作。

2.权利要求1的方法，

其特征是：通过施加一个或者多个电压脉冲来确定存储单元已存储的逻辑值，该脉冲的特性由控制电路设备来控制。

3.权利要求2的方法，

其特征是：根据记录的存储单元所经受的产生疲劳和印记因素建立存储器的寻址历史，和从该矩阵中的一个或者多个参考单元或参考单元对、或者一个或者多个存储单元或存储单元对、或者这二者中获得动态电荷响应信息，以及建立预定检测判据和/或作为控制判据基础的所获得的动态电荷响应信息，以便调节一个或者多个电压脉冲的特性。

4.权利要求3的方法，

其特征是：在该寻址历史中包括在特定存储单元或者特定存储单元组中的读和/或写操作的累积数目和/或印记时间。

5.权利要求3的方法，

其特征在于：通过经受极化历史的相似图案和后者一样的转换事件，来分配所述参考单元之间选定的单元以跟踪所述阵列中指定的存储单元组的疲劳和印记的发展。

6.权利要求5的方法，

其特征在于，在所述阵列中，所述存储单元组被定位在一条或者多条字线或位线上。

7.权利要求3的方法，

其特征是：在该动态电荷响应信息中包含有关先前所记录的存储单元的电荷响应。

8.权利要求3的方法，

其特征是：通过记录所述矩阵中至少一个参考单元对的动态电荷响应来获得动态电荷响应信息，每一对中的一个单元代表逻辑0而另一个代表逻辑1。

9.权利要求7或者8的方法，

其特征是：控制电路设备连续地或者周期性地分析对记录的、所述参考单元或者寻址的存储单元的动态电荷响应的随机和系统噪声作用，并且把该分析结果用作控制读/写协议算法的输入数据。

10.权利要求9的方法，

其特征是：对噪声作用的分析基于已知逻辑状态的存储单元的、被多次寻址的单独存储单元的、和/或从一组处于不同物理位置的存储单元的、记录的动态电荷响应的统计扩展。

11.权利要求3的方法，其中该控制判据是基于动态电荷响应信息，其特征是：所述一个或者多个电压脉冲中的至少一个是可变长度的阶跃电压脉冲，所述长度由所述电路控制设备所控制。

12.权利要求3的方法，其中该控制判据是基于动态电荷响应信息，其特征是：控制电路设备在贯穿存储器设备寿命的各个时间点处记录分别代表逻辑“0”和逻辑“1”的单元电荷响应的平稳值σ饱和以及σ背景。

13.权利要求3的方法，其中控制判据是基于动态电荷响应信息，其特征是：控制电路设备生成用于确定该矩阵中的存储单元的逻辑状态的阈值，所述阈值的幅值σTH＝(σ饱和+σ背景)/2。

14.权利要求3的方法，

其特征是：控制电路设备利用了通过记录在该存储器阵列的随机选择的位置处选择的一组存储单元的动态电荷响应所获得的动态电荷响应信息。

15.用于执行读和写操作的装置，所述装置包括至少一个无源矩阵寻址的存储单元的存储器阵列，所述存储单元包含呈现极化剩磁的电可极化材料，所述可极化材料是铁电材料，其中存储于存储单元内的逻辑值用在单独的、可独立选择的存储单元中的极化状态来表示，并且通过响应于为寻址该阵列的存储单元而向字线和位线施加电压而检测流入或者流出所述存储单元的电荷流来确定所述逻辑值，电荷流的检测是基于检测由在所述可极化材料中的极化变化所造成的电荷流分量，其中该装置的特征在于：该装置包括：第一动态电荷响应记录电路，该电路连接到一个或者多个存储单元对，第一存储单元对被设定到第一二进制逻辑状态，第二存储单元对被设定到第二二进制逻辑状态，所述电路适于在读取操作中记录每个存储单元对的动态电荷响应，并且建立输出到感应放大器块的阈值检测电平；和第二动态电荷响应记录电路，以与第一电路的相似的方式连接到相同的一个或者多个存储单元对，并且适于在读取操作中记录来自每个存储单元对的动态电荷响应，分别把所记录的动态电荷响应之间的差作为字线驱动控制信号输出到感应放大器块和计时控制电路。

16.权利要求15的装置，

其特征在于：所述存储器阵列包含具有已知逻辑状态的参考单元。

17.权利要求16的装置，

其特征在于：所述参考单元成对定位，一个代表逻辑“0”而另一个代表逻辑“1”。

18.权利要求16的装置，

其特征在于：所述参考单元贯穿所述阵列来分布。

说明书

用于在无源矩阵存储器中执行读写操作的方法，以及执行

该方法的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种方法，该方法用于在无源矩阵寻址的、包含呈现极化剩磁的电可极化材料特别是驻极体或者铁电材料的存储器阵列存储单元中执行读写操作，其中存储于存储单元内的逻辑值由在该存储单元中的实际极化状态来表示，并通过检测响应于施加到用于对该阵列的存储单元进行寻址的字线和位线的电压而进入或离开该单元的电荷流来确定，其中检测该电荷流特别主要是检测该可极化材料中的极化变化所引起的电荷流分量，其中读写操作在控制电路设备控制下来执行。本发明涉及了一种用于执行该方法的装置，该装置包括至少一个无源矩阵寻址的、包含呈现极化剩磁的电可极化材料特别是铁电材料的存储器阵列存储单元，其中存储于存储单元内的逻辑值由在单独的、可分别选择的存储单元中的极化状态来表示，并通过检测响应于施加到用于对该阵列的存储单元进行寻址的字线和位线的电压而进入或离开该存储单元的电荷流来确定，而电荷流的检测主要是基于该可极化材料中的极化改变所引起的电荷流分量。

背景技术

[0002] 当前基于铁电薄膜的存储器设备日趋成熟，可以在实际中实现。有两种恰当的设备结构类型，涉及被存储数据的有源或者无源矩阵寻址。

[0003] 在有源矩阵寻址结构中，利用相关的专用微电路将每个位存储在包含铁电填充的电容结构的存储单元中。该铁电材料一般被极化为两个稳定状态中的一个状态，代表信息的一个位。该存储器设备包含大量这样的单元，它们被安排在一个导体矩阵当中。一般地，在这些设备中使用的铁电材料为例如钙钛等等的无机陶瓷。

[0004] 在本发明主要涉及的无源矩阵寻址结构中，薄膜铁电材料被夹在在两组相互垂直电极之间，以便在交叉的电极之间的每个重叠区域形成类似于电容的结构。每一位都被存储为电容结构中的一个极化状态，构成一个基本存储单元。每个单元的连接都没有涉及有源电路，因此称为无源矩阵寻址。此结构通常依赖于具有特殊磁滞属性的铁电材料，并且当前仅少数基于有机的铁电材料被认为可能在实际上使用的。该信息一般是破坏性读取的，即通过施加一个在存储单元中引起沿着读取的场方向极化排列的电场来读取的。

[0005] 在许多应用中，希望在给定的存储单元中执行很多次读/写操作，在此情况中可极化材料被迫经受重复的极性反转并最终变得疲劳。疲劳表现为不同的方式，最显著地表现为增加矫顽磁场、较低的剩磁极化以及切换变慢，而所有这些在存储器设备中都是极为不利的。另一个使读出过程复杂化的现象就是印记。当单元长时间停留在一个相同的极化状态(即，逻辑状态)时，它就可能产生一个“冻结”在该状态的趋势，以至于必须提高驱动电压和/或施加较长时间的电压来调动并把它转换到其它极化方向。

[0006] 运用固定长度读脉冲来读协议的先前技术必须考虑由于疲劳和/或印记所造成的在单元切换速度和极化响应上的较大变动。因此这些脉冲必须具有高电压和长持续时间，确保可处理最坏的情况。由于几个原因，使得这样是不利的。高电压意味着较高的成本和更多的驱动电路空间需求，更多的能耗以及增加的串扰。较长的脉冲意味着较低数据存取和传送速度。最后，即使对最初的或仅适度疲劳的单元施以高电压的长脉冲，本身就会加速疲劳。

[0007] 作为有关从铁电存储器设备中读取数据的方法的先前技术的具体实例，可参考欧洲专利申请号0 767 464A2(Tamura等人)，它应用了避免在存储单元上产生大电压偏移的脉冲电压协议以便使铁电存储单元的逻辑状态的干扰最小化，而读出电压协议相对于将被施加的电压脉冲的瞬态以及幅值特性来讲为静态的。可进一步参考美国专利号：5 487129(Kuroda)，在对一个存储单元实施了一定数量的读/写操作之后，使用了一个刷新过程，而所述刷新过程包括施加一个高于写电压V0的一个极化电压Vp。这就保证消除疲劳引起的铁电极化的减少，以及恢复该存储单元的一个较高极化值。但是，这样一个刷新过程最好充其量仅适于特定情况，例如在疲劳是由于电荷积累和因浅电荷捕捉的磁畴阻塞的情况中，但是对更复杂的深电荷捕捉、空穴徙动的情况或者当涉及电极处的不可逆化学过程时是无济于事的。因此，应注意到上述两种文献都仅涉及有源矩阵寻址的存储器设备，但希望读/写协议应该能适用于无源矩阵寻址的存储器设备。

发明内容

[0008] 本发明的一个主要目的就是提供用于在基于电可极化材料特别是铁电材料的存储器设备中读写数据的新方法，由此，能用比现有的方法更不易于疲劳，数据速度更快和需要更少驱动电路的方法来探测和控制极化。

[0009] 用依据本发明的一种方法达到上述目的以及其它优点和特征，该方法的特征在于，包括如下步骤：

[0010] a)在写取操作期间，记录一个或者多个存储单元的动态电荷响应，[0011] b)在每个读取操作周期，把极化材料中的极化程度限制到取决于所记录的动态电荷响应并由控制电路设备所限定的值，该值的范围从大于零到小于极化饱和幅值的上限并且与用于存储单元的逻辑状态的可靠检测的预定判据相一致，

[0012] c)根据实际瞬态电荷响应信息来控制读写操作。

[0013] 在根据本发明的方法的一种有利的实施方案之中，通过施加一个或多个电压脉冲来确定存储单元已存储的逻辑值，该脉冲的特性特征由该控制电路设备来控制。

[0014] 在这种情况中，根据记录的存储单元所经受的产生疲劳和印记的因素建立存储器的寻址历史，和从该矩阵中的一个或者多个参考单元对、或者一个或者多个存储单元或存储单元对、或者这二者中获得动态电荷响应信息，以及建立预定检测准则和/或所获得的电荷响应信息，以便调节一个或者电压脉冲的特性，于是，该寻址历史可包括在特定存储单元或者特定存储单元组中的读和/或写操作的累积数目和/或印记时间，或动态电荷响应信息可以包括先前所记录的存储单元的电荷响应的信息。另外还可以优选地是：通过经受极化历史的相似图案和后者一样的转换事件，来分配所述参考单元之间选定的单元以跟踪所述阵列中指定的存储单元组的疲劳和印记的发展。进一步优选地是：在所述阵列中，所述存储单元组被定位在一条或者多条字线或位线上。优选地是，该动态电荷响应信息是从在该矩阵里的至少一参考单元对中获得的，而每一对中的一个单元代表逻辑0值而另一个单元代表逻辑1值。

[0015] 在根据本发明的方法之中，最好是该控制电路设备连续地或者周期性地分析对记录的、所述参考单元或者寻址的存储单元的动态电荷响应的随机和系统噪声作用，把该分析结果用作控制读/写协议算法的输入数据。对噪声作用的分析最好是基于已知逻辑状态的存储单元的、被多次寻址的单独存储单元的、和/或从一组处于不同物理位置但类似的存储单元的、记录的动态电荷响应的统计速度。

[0016] 在依照本发明的方法的一个实施方案中，其中控制判据是基于电荷响应信息，有利的情况是，至少一个或者多个电压脉冲为可变长度的阶跃电压脉冲，而该长度是由电路控制设备来控制的；和/或该控制电路设备在贯穿存储器设备寿命的各个点处记录分别代表逻辑“0”和逻辑“1”的单元电荷响应的平稳值σ饱和以及σ背景；和/或该控制电路设备生成用于确定矩阵中的该存储单元的逻辑状态的阈值，所述阈值得幅值σTH＝(σ饱和+σ背景)/2；而在另一个实施方案中控制电路设备利用了通过记录在该存储器阵列的随机选择的位置处选择的一组存储单元的动态电荷响应所获得的动态电荷响应信息。

[0017] 依照本方法，也可用一个装置来获得上述目的以及其它优点和特征，其特征在于：该装置包括：

[0018] 第一动态电荷响应记录电路，该电路连接到一个或者多个存储单元对，第一存储单元对被设定到第一二进制逻辑状态，第二存储单元对被设定到第二进制逻辑状态，所述电路适于在读取操作中记录每个存储单元对的动态电荷响应，并且建立输出到感应放大器块的阈值检测电平；和

[0019] 第二动态电荷响应记录电路，以与第一电路的相似的方式连接到相同的一个或者多个存储单元对，并且适于在读取操作中记录来自每个存储单元对的动态电荷响应，分别把所记录的动态电荷相应之间的差作为字线驱动控制信号输出到感应放大器块和计时控制电路。

[0020] 在根据本发明的装置的一个有利的实施方案中，存储阵列包含了具有已知逻辑状态的参考单元；这些参考单元最好是成对定位，一个代表逻辑“0”而另一个代表逻辑“1”，或者这些参考单元贯穿所述阵列来分布。

附图说明

[0021] 下面将参考附图对本发明做详细的解释，附图中：

[0022] 图1a示出了一种铁电材料的常规极化磁滞曲线，

[0023] 图1b示出了在无源矩阵结构中连接到字线和位线的存储单元的示意图，[0024] 图2a和图2b分别为在包含原始和疲劳状态下的铁电材料的测试单元在低和高瞬时变形时的阶跃响应随时间的变化，以及

[0025] 图3为根据本发明用于从存储单元读取数据的示意图例。

[0026] 为便于更好地理解本发明，在给出其具体实施方案实例之前，先简要描述一下实现本发明概要背景和物理原理。

[0027] 图1a示出了定义一个铁电存储单元的极化响应，即它的逻辑“0”或者逻辑“1”状态的常规极化曲线，为下面的讨论提供一个背景。

[0028] 图1b示意性示出了在无源矩阵配置中存储单元连接字线和位线VL，BL和单一存储单元的示意性交叉连接包括在字线电极WL和位线电极BL之间的极化存储材料。

具体实施方式

[0029] 参考图1a，假设将被读出的存储单元最初处在没有被施加电场的静态，在该单元中的铁电材料处在一个极化状态是根据该单元的指定逻辑状态，由极化轴的+PR或者-PR位置来表示。根据先前技术，确认该单元处在这些状态中的哪一种状态的一个读操作将涉到向该单元施加一个具有电压+Vswitch的读脉冲。后面的电压超过Vc，该电压对应于在存储器材料中的矫顽磁场，超出的裕量能够充分把该存储器材料驱动进入饱和区域，即进入磁滞曲线闭合并近乎线形的区域。如果该单元先前处在+PR状态，则仅有很小的电荷流进入/离开该单元，使该单元停留在先前的+PR状态。图1a中，此小电荷流由量P^表示。但是，如果该单元最初处在-PR状态，通过在单元和电极之间显著的电荷传输则极化会经受一次反转。在图1a中此电荷流由量P*表示。那么，通过监控传输的电荷量，来确定该单元的逻辑状态。由于此过程破坏了该单元的存储内容，所以必须向存储器设备中的相同或者另一个选定单元施加一个独立的脉冲周期，由此将该单元的逻辑状态设置成已被读出的单元的初始(预读)值。

[0030] 虽然，本发明对所有呈现磁滞或者剩磁的电可极化材料有普遍的适用性，但为了简明起见，以下讨论都是指无源矩阵寻址结构中使用的铁电材料。

[0031] 根据本发明，到达给定存储单元的电流是这样控制的，使得在一个读操作期间的极化改变小于饱和极化幅值，但对于确定有关该单元的逻辑状态来讲是足够的。一般地，一个阶跃电压被施加到所讨论的存储单元，并通过传输到该单元的电流来监控该单元的极化响应。在下面情况中的一种情况下，切断电压：

[0032] a)经历某个电荷积累时间，或者

[0033] b)已检测到某个被累积的电荷。

[0034] 通常这种情况按时出现一点上，其中仅有部分可转换的极化被切换。用此方式，实现了几个优点：

[0035] -铁电材料仅经受部分极化反转，导致较少的疲劳。

[0036] -由于每个读事件仅是局部破坏性的，所以一个给定的单元在必须恢复数据之前可支持几次读操作。

[0037] -可较早进行一个逻辑状态的判定，加速了读取过程。

[0038] -由于读操作(“回写”)而产生的极化损失的恢复要求更少的每位读操作的电荷传输，而不管是在每个读操作之后还是在几个读操作之后来恢复。

[0039] 本文描述的方案中的一个关键要素是在读操作模式中正确选择电荷积累时间。对于一个给定的单元，随着该单元变得疲劳此时间一般将增加，因此必须相应调整读脉冲协议。可以使用规定该积累时间的预测模式或者监控模式。

[0040] 在前一模式中，根据一个从记录的设备使用情况来预测疲劳程度的程序，来调整该积累时间。这必须包括误差裕量，以来考虑影响疲劳发展的所有重要参数，例如温度历史数据，和单元对单元以及设备对设备的制造容差。

[0041] 在后一种模式中，在设备的整个使用寿命中监测单元响应的进展(切换速度)这些结果被用来调整该脉冲协议，特别是该电荷积累时间。在本发明的一个优选实施方案中，包括了一个自诊断方案，其中由参考单元持续监控存储单元的状况和时间进展，这些参考单元经受的是与存储单元本身十分相近的环境和操作的条件。

[0042] 在本发明总体背景的上述描述中，默认在每个读或者写操作中，该电荷传输近似为完整的，并且忽略了该读/写进程的动态特性。依据所涉及的铁电，极化反转的速度可以在很大范围内变化无机铁电一般在转换方面比有机的或者聚合的类型快几个数量级。先前技术在很大程度上是集中于无机铁电，着重于整个转换时间，而很少或没有关注读/写操作中可能出现的转换暂态的细节。随着结合使用转换速度远慢于无机铁电的有机的和聚合的铁电的存储设备的出现，动态行为成为影响整体设备速度的一个重要因素。同时，由于时间标度较长，并且更容易在瞬态阶段进行干预，所以较慢的转换给新型的读/写方案提供了机会。

[0043] 图2a和图2b中示出了包含聚合铁电的存储单元的动态响应。在阶跃脉冲激发之后，这些单元经受了Vs＝20V的阶跃电压，并且记录了积累电荷密度σ随时间的变化，即，在铁电和电极之间的界面的每单位面积的电荷传输。图中示出了两组曲线。每个图包含较高的三条曲线的第一组中，该单元从逻辑“1”转换成逻辑“0”，经历一个较大电荷传输的极性反转。每个图中包含紧密组合的、较低的三条曲线的第二曲线组中，该单元在施加阶跃电压之前已经处于逻辑状态“0”，并且仅观察到一个很小的电介质位移电荷响应。每组曲线包6 7
含的单元，或者已处在原始状态，即无疲劳，或者10 或者10 读/刷新操作，且经过在每个操作中都涉及的完全极化转变，已经疲劳。

[0044] 如图所见，开始有一个电流高峰，接着渐近回落，而趋于零，即电荷密度σ从零迅速增加并达到平稳值。该瞬态在非转换情况(即，逻辑状态“0”→“0”)下比在转换情况(即，逻辑状态“1”→“0”)下要快得多，并且前者中电荷密度σ的渐近值(σ背景)比后者情况中的值(σ饱和)要低。疲劳本身显现为一个较低平稳值σ饱和(即较低的PR)和一个较慢的瞬态，并且在转换情况下尤为显著。在一个新单元中达到最大极化程度的50％的时间为～1μs，但对于一个疲劳的单元，需要100μs。

[0045] 根据本发明，通过施加一个通常为电压阶跃电压脉冲，并且在该脉冲已被激活之后的某个时刻，检测该电荷密度σ是否超过某个定义的阈值，来读取数据。如果该单元初始为“0”逻辑状态，则甚至在长延迟之后，也将达不到此阈值，但是，如果该单元初始在“1”逻辑状态，就将超过此阈值。在后一种情况中，一旦达到这一水平，就消除通过该存储单元上的读脉冲电压。

[0046] 可以通过以下例子对此加以说明。假设所讨论的该设备包含了具有如图2a和2b所示特性的单独的存储单元。正如所见，对于一个处于“0”状态的单元，累积的传输电荷迅2
速增加(在小于0.5μs的时间内)到大约σ背景＝2μC/cm 左右，从此点往上它几乎没有变化。但是，对于一个处于“1”状态的单元，累积的传输电荷在此点之后继续快速上升，而
2
在新单元情况下在大约8μs之后达到σ饱和＝8.5μC/cm 左右。对于疲劳的单元来说，此上升较慢并且最终值较低，但与处在“0”状态中的单元相比，差别是很明显的。

[0047] 作为一个判别准则，可以规定：如果在该读脉冲激活之后的某个时间τTh，σ超过2
某个阈值，例如σ≥σTh＝7μC/cm，则定义为该单元处在“1”状态。此阈值应被选择为
2
远高于初始为“0”状态的单元所能达到的最大值，在此情况下，σ背景＝2μC/cm。从图2b中观察到，从“1”状态达到σTh的电荷积累时间τTH：对于原始单元大约将为4μs，对于疲
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劳10 次的单元将为8μs，而对于疲劳10 操作的单元将为80-100μs。根据依赖于完整转换和固定电荷积累时间的先前技术，后者将必须被定义为足够长的时间以允许在最坏的情况下，即在单元疲劳的情况下完成转换瞬态过程。因此，读脉冲将必须选择在50-100μs的范围内，而不是1μs。但根据本发明，该读出脉冲在累积的电荷密度达到该阈值σTh时就被停止，并且将逻辑状态“1”赋给该单元。如果在某个规定的τ＞＞τTh时间范围内未达到此阈值，则所讨论的单元就处在逻辑“0”状态。

[0048] 上述方案意味着：因疲劳导致该单元响应变慢时，自动延长读脉冲，通常保持尽可能短，且与所规定的阈值准则相一致。这提供了以下优点：

[0049] -第一，在读取速度上超越了先前技术的完全转换方案。

[0050] -第二，如果数据被回写到相同单元，则涉及较少的极化反转，并且该回写操作可以与该读周期情况一样被缩短。根据材料以及操作条件，印记效果(即，单元中的铁电材料锁定在一个长时间维持不变的逻辑状态的趋势)可进一步缩短该回写操作。

[0051] -第三，由于极化转换和电场影响被最小化，所以通常疲劳比在完全转换方案情况下缓慢得多。在相应的聚合铁电设备上的测试表明。与运用完全极化反转的转换协议的先前技术相比，根据本发明的动态读出增加了几个数量级的抗疲劳强度(即具有可接受置信程度的读/回写操作的数量)。

[0052] -第四，当σ饱和＞＞σ背景时，可能在每个回写操作之间有多个读操作。

[0053] 现在将更详细地讨论一个优选的实施方案，即存储单元响应的自诊断判定。如上所述，电荷积累时间必须随着单元疲劳而增加。理想情况下，应当利用一个针对该单元优化调整的读脉冲长度来读取该存储器设备中的每个单元。由于制造容差以及疲劳/印记历史而使单元和单元间的响应特性有所不同，所以这是很困难的。尤其后者随时间的增长会导致非常大的单元对单元间差别，这是由于疲劳和印记不仅涉及由单个单元所经历的读/写操作数量，而且涉及其寿命期间单元所经历的电压应力(幅值/极性/持续时间)和诸如温度等其它因素的组合影响。

[0054] 结果，读脉冲调节的预测方法通常比较粗糙允许单元属性随时间变化。换句话说，在设备中必须分配可观的资源，专用于始终跟踪单元的累积疲劳。可通过协议来简化该任务，这些协议以这样的方式在该设备的整个存储单元之中分布磨损，以至于具有可比较的疲劳历史数据的单元能被成组或者成块地识别。

[0055] 大多数情况下，最好采用一种监控的或者自诊断的方法。基本原则可参考图3说明如下。对于每行或者簇的存储单元来说，使用两个参考单元，一个被极化为“1”状态而另一个为“0”状态。这两个单元承受到导致疲劳的影响，特别是极化转换，来代表它们被指定所属存储单元的行或簇。这里将具体说明两种模式的使用参考单元的读操作。

[0056] i)在存储器设备的整个运行寿命中，参考单元被用来跟踪σ饱和和σ背景的发展，由此定义、存储和更新该阈值σTH。此外，建立单元在状态上的相应电荷积累时间τTh。在读出操作，来自存储单元的信号与在时间τTH的阈值σTH相比较，确定该单元的逻辑状态。在此方案下的一类实施方案中，使用中值作为阈值，即：

[0057] σTH＝(σ饱和+σ背景)/2。

[0058] 由于此模式意味着将参考单元驱动到饱和状态。所以通常在一个独立的采样操作中或者在涉及扩展的读脉冲的一个读操作之中，对这些单元进行定期采样。

[0059] ii)在每个读操作期间，“0”和“1”参考单元均都经历了一个读脉冲，并且监测分别传输到两个单元的电荷密度σ0(τ)和σ1(τ)，作为读脉冲激活之后所消逝的时间τ的函数。正如图2a和2b中所见，两个时间的差(σ0(τ)-σ1(τ))随时间增加，起始于零并最终达到一个值(σ饱和-σ背景)。在某一时刻τTh，此差值已达到某一值，可以在存在噪声和单元之间变化的情况下，可靠检测该差值此时，终止该读脉冲并且读取与这些参考单元相关的行或簇的存储单元的感应放大器。在该点记录的值σ0(τTH)和σ1(τTH)可用作逻辑状态判定过程的输入数据。

[0060] 在上述两种情况i)和ii)中，读脉冲长度τTh随着单元疲劳自动增加，而同时保持尽可能短，与某个预定义的诊断和判定标准相一致。根据该设备的使用意图，可以选择后者来满足不同的置信度。

[0061] 情况i)和ii)提供了不同优点和缺点，说明如下：

[0062] 情况i)

[0063] 优点：获得有关参数σ饱和和σ背景发展的直接信息。

[0064] 缺点：要求有一个单独的脉冲周期。

[0065] 情况ii)

[0066] 优点：没有单独的脉冲周期就可实现(但这些参考单元必须处在读操作开始时处于正确的逻辑状态)并且在这些参考单元上施加典型的脉冲疲劳。

[0067] 缺点：要求有能够实时生成阈值/判别参数的电路。在“单脉冲”用法中，即当仅一次性或间隔很长时间来读取所讨论的簇或者行的单元的数据时，以这种模式获得的判别参数将在捕获的单个采样事件中反映出全部噪声。

[0068] 对熟练人员来说，运用参考单元的读出电路系统在物理上显然可以以多种方式来实现。图3示出的基本方案可结合上述讨论的两种操作模式i)和ii)来使用。本文中，参考单元被定位在两条专用的垂直寻址线(“位线”)上，一条对应“0”单元而另一条对应“1”单元。在读操作中，某一时刻的一条水平线(“字线”)经受一个读脉冲，流向在寻址水平线和交叉垂直线之间交叉点处的那些单元的电荷由在该矩阵底部所示的电路系统来监控。因此，在每个给定水平线上的存储单元与相同线上的参考单元对相关联。

[0069] 图3具体示出了根据本发明的设备的优选实施例。使用两个参考位线，其中它们与字线交叉，参考存储单元在每一个字线上成对提供，使得一个参考存储单元将被设置为逻辑状态1而另一个为逻辑状态0。提供时序和控制逻辑电路用于控制读和写操作。因为一对参考单元将是逻辑1或逻辑0状态，信号a+b/2是输出的平均值，即，高和低信号的平均值。需要a-b的差以便补偿或确定疲劳效应(见图2a和2b)。根据存储单元的实际极化状态和其极化值，在阈值比较中进行逻辑“0”或“1”的可靠检测。因此，根据读存储单元的初始极化状态，对应于该平均值的阈值被用于在发生极化反转之前终止读周期。

[0070] 当然，可以在整个矩阵中间隔地增加更多的具有参考单元的位线。在某些情况下，运用单个的而不是成对的“1”或者“0”参考位线是有利的，或者参考单元能占据比整个位线少的长度，甚至能减低到单个单元。后者为参考单元沿着字线而不是位线定位的情况，这也是本发明的一种变异形式。

[0071] 图3所示的方框图指示出在参考位线和参考信号检测器之间的硬连线。但是，通过多路转换技术以及信号路由选择，参考位线可以定义在矩阵的任何位置。因此，许多情况下，在该存储器设备常规使用期间在已经历了疲劳和印记的存储矩阵区域之中，建立参考单元是有利的，可以在存储器设备的寿命中移动参考单元在矩阵中的位置。用此方式，对于读出决策过程而言，现实数据总是有效的。

[0072] 为简化起见，用于把数据写到矩阵单元的电路未在图3中示出。保存破坏性读出数据的回写在读操作后利用一个近似与读操作决定的长度相同的脉冲来立即执行，或者由于多个读操作的缘故回写被延迟，直到该单元中的极化度达到了一个较低值为止。在后一种情况中，将要求有较长的回写脉冲。

[0073] 为了获得可靠的参考数据，该存储器设备中的参考单元数目明显应该大到充分允许用小的统计扩展来紧密模拟所讨论的实际存储单元的使用模式。但是，由于参考单元的大块保留区域以及专用电路会与在该设备中的其它存储器和处理功能相冲突，并且实际上，有限数目的参考单元将与更大量的存储单元相关联，这些存储单元可在物理上接近于这些参考单元(例如，在一个簇中)，或者可连接到经历相互近似类型的读和写处理的一组存储单元。例如，后者可以是一个在包含不必要在物理上相互接近的单元的存储器设备之中的一个给定区域，或者是一次读取一行的一个寻址矩阵的一行单元。