網絡整理 發表於 2020-12-03 11:53:16
鐵電存儲器（FRAM，ferroelectric RAM）是一種隨機存取存儲器，它將動態隨機存取存儲器（DRAM）的快速讀取和寫入訪問——它是個人電腦存儲中最常用的類型——與在電源關掉後保留數據能力（就像其他穩定的存儲設備一樣，如只讀存儲器和快閃記憶體）結合起來。
由於鐵電存儲器不像動態隨機存取存儲器（DRAM）和靜態隨機存取存儲器（SRAM）一樣密集（即在同樣的空間中不能存儲像它們一樣多的數據），它很可能不能取代這些技術。然而，由於它能在非常低的電能需求下快速地存儲，它有望在消費者的小型設備中得到廣泛地應用，比如個人數字助理（PDA）、手機、功率表、智慧卡以及安全系統。鐵電存儲器（FRAM）比快閃記憶體更快。在一些應用上，它也有可能替代電可擦除只讀存儲器（EEPROM）和靜態隨機存取存儲器（SRAM），並成為未來的無線產品的關鍵元件。
首先要說明的是鐵電存儲器和浮動柵存儲器的技術差異。現有快閃記憶體和EEPROM都是採用浮動柵技術，浮動柵存儲單元包含一個電隔離門，浮動柵位於標準控制柵的下面及通道層的上面。浮動柵是由一個導電材料，通常是多晶片矽層形成的 （如圖2所示）。浮動柵存儲單元的信息存儲是通過保存浮動柵內的電荷而完成的。利用改變浮動柵存儲單元的電壓就能達到電荷添加或擦除的動作，從而確定存儲單元是在 」1」或「0」 的狀態。但是浮動柵技術需使用電荷泵來產生高電壓，迫使電流通過柵氧化層而達到擦除的功能，因此需要5-10ms的擦寫延遲。高寫入功率和長期的寫操作會破壞浮動柵存儲單元，從而造成有限的擦寫存儲次數（例如：快閃記憶體約十萬次，而EEPROM則約1百萬次）。
鐵電存儲器是一種特殊工藝的非易失性的存儲器，是採用人工合成的鉛鋯鈦（PZT） 材料形成存儲器結晶體，如圖3所示。當一個電場被施加到鐵電晶體時，中心原子順著電場停在低能量狀態I位置，反之，當電場反轉被施加到同一鐵電晶體時，中心原子順著電場的方向在晶體裡移動並停在另一低能量狀態II。大量中心原子在晶體單胞中移動耦合形成鐵電疇，鐵電疇在電場作用下形成極化電荷。鐵電疇在電場下反轉所形成的極化電荷較高，鐵電疇在電場下無反轉所形成的極化電荷較低，這種鐵電材料的二元穩定狀態使得鐵電可以作為存儲器。
特別是當移去電場後，中心原子處於低能量狀態保持不動，存儲器的狀態也得以保存不會消失，因此可利用鐵電疇在電場下反轉形成高極化電荷，或無反轉形成低極化電荷來判別存儲單元是在 」1」或 「0」 狀態。鐵電疇的反轉不需要高電場，僅用一般的工作電壓就可以改變存儲單元是在 」1」或 「0」 的狀態；也不需要電荷泵來產生高電壓數據擦除，因而沒有擦寫延遲的現象。這種特性使鐵電存儲器在掉電後仍能夠繼續保存數據，寫入速度快且具有無限次寫入壽命，不容易寫壞。所以，與快閃記憶體和EEPROM 等較早期的非易失性內存技術比較，鐵電存儲器具有更高的寫入速度和更長的讀寫壽命。
FRAM保存數據不是通過電容上的電荷，而是由存儲單元電容中鐵電晶體的中心原子位置進行記錄。直接對中心原子的位置進行檢測是不能實現的，實際的讀操作過程是：在存儲單元電容上施加一已知電場（即對電容充電），如果原來晶體的中心原子的位置與所施加的電場方向使中心原子要達到的位置相同，則中心原子不會移動；若相反，則中心原子將越過晶體中間層的高能階到達另一位置，則在充電波形上就會出現一個尖峰，即產生原子移動的比沒有產生移動的多了一個尖峰，把這個充電波形同參考位（確定且已知）的充電波形進行比較，便可以判斷檢測的存儲單元中的內容是「1」或「0」。
無論是2T2C還是1T1C的FRAM，對存儲單元進行讀操作時，數據位狀態可能改變而參考位則不會改變（這是因為讀操作施加的電場方向與原參考位中原子的位置相同）。由於讀操作可能導致存儲單元狀態的改變，需要電路自動恢復其內容，所以每個讀操作後面還伴隨一個「預充」（precharge）過程來對數據位恢復，而參考位則不用恢復。晶體原子狀態的切換時間小於1ns，讀操作的時間小於70ns，加上「預充」時間60ns，一個完整的讀操作時間約為130ns。
寫操作和讀操作十分類似，只要施加所要方向的電場改變鐵電晶體的狀態就可以了，而無需進行恢復。但是寫操作仍要保留一個「預充」時間，所以總的時間與讀操作相同。FRAM的寫操作與其它非易失性存儲器的寫操作相比，速度要快得多，而且功耗小。
責任編輯：YYX
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