铁电随机存储器(FRAM)的工作原理(EN)

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FeRAM铁电存储器魏双

FeRAM铁电存储器魏双

特点
射频识别系统 在非接触式存储器领域里,FeRAM提供一个理想的解决方案。低功耗访 问在射频识别系统中至关重要,因为能源消耗是以距离成指数下降的。 想要以最小的能耗读写标签数据就必须保持标签有足够近的距离。通 过对射频发射机和接收机改进写入距离,降低运动的灵敏性以及降低 射频功率需求,使需要写入的应用获得优势。 诊断和维护系统 在一个复杂的系统里,记录系统失效时的操作历史和系统状态是非常 宝贵的。如果没有这些数据,能够准确的解决或执行需求指令是很困 难的。由于FeRAM具备高耐久性的特点,可以生成一个理想的系统日志。 从计算机工作站到工业过程控制等的系统,都能从FeRAM中获益
制造工艺
铁电存储器技术和标准的CMOS制造工艺相兼容。铁电薄膜被放置 于CMOS基层之上,并置于两电极之间,使用金属互连并钝化的方 法完成铁电存储器的制造。
特点
FeRAM具有快速写入、高耐久性、低功耗的特性,以下列举了FeRAM在一 些领域中与其他存储器相比的主要优势: 频繁掉电环境 任何非易失性存储器可以保留配置。可是,配置更改或电源失效情况随 时可能发生,因此,更高写入耐性的FeRAM允许无限的变更记录。任何时 间系统状态改变,都将写入新的状态。这样可以在电源关闭可用的时间 很短或立即失效时状态被写入存储器。 高噪声环境 在嘈杂的环境下向EEPROM写数据是很困难的。在剧烈的噪音或功率波动 情况下,EEPROM的写入时间过长会出现漏洞(以毫秒衡量),在此期间 写入可能被中断。错误的概率跟窗口的大小成正比。FeRAM的写入执行窗 口少于200ns。
结构原理
铁电存储器工作原理
FeRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储 ,铁电晶体的结构如图所示。铁电效应是指在 铁电晶体上施加一定的电场时,晶体中心原子 在电场的作用下运动,并达到一种稳定状态; 当电场从晶体移走后,中心原子会保持在原来 的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶 ,中心原子在没有获得外部能量时不能越过高 能阶到达另一稳定位置,因此FeRAM保持数据 不需要电压,也不需要像DRAM一样周期性刷新 。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振 极化特性,与电磁作用无关,所以FeRAM存储 器的内容不会受到外界条件(诸如磁场因素) 的影响,能够同普通ROM存储器一样使用,具 有非易失性的存储特性。

FeRAM铁电存储器魏双

FeRAM铁电存储器魏双

结构原理
铁电存储器器件结构
目前铁电存储器最常见的器件结构是 Planar (平面式)和Sபைடு நூலகம்ack(堆叠式)结 构,两者的区别在于铁电电容的位置 和电容与MOS管互连的方式。在平面式 结构中,将电容置于场氧上面,通过 金属铝,将电容上电极和MOS管有源区 相连,工艺相对简单,但单元面积较 大;而在堆叠式结构中,将电容置于 有源区,通过塞子(Plug)将电容下电 极和MOS管源端相连,需要CMP工艺, 集成密度较高。另外,堆叠式结构可 以采用铁电电容制作在金属线上的做 法,从而减少铁电电容在形成过程中 对工艺的相互影响。
应用
三、非易失性缓冲
铁电存贮器(FeRAM)可以在其它存储器之前快速存储数据。在此情况 下,信息从一个子系统非实时地传送到另一个子系统去。由于资料的 重要性, 缓冲区内的数据在掉电时不能丢失,在某些情况下,目标系 统是一个较大容量的存储装置。FeRAM以其擦写速度快、擦写次数多使 数据在传送之前得到存储。 典型应用:工业系统、银行自动提款机 (ATM), 税控机, 商业结算系 统 (POS), 传真机,未来将应用于硬盘非易失性高速缓冲存储器。
应用
二、参数设置与存储 FeRAM通过实时存储数据帮助系统设计者解决了突然断电数据丢失的问 题。参数存储用于跟踪系统在过去时间内的改变,它的目的包括在上电 状态时恢复系统状态或者确认一个系统错误。总的来说,数据采集是系 统或子系统的功能,不论何种系统类型,设置参数存储都是一种底层的 系统功能。 典型应用: 影印机,打印机,工业控制,机顶盒,网络设备和大型家用电 器
制造工艺
铁电存储器技术和标准的CMOS制造工艺相兼容。铁电薄膜被放置 于CMOS基层之上,并置于两电极之间,使用金属互连并钝化的方 法完成铁电存储器的制造。

铁电存储器 [自动保存的]

铁电存储器 [自动保存的]

二、FRAM原理及特点
写入方法与DRAM稍有不同。DRAM利用电容器中有无电荷记录数据,因此使用名 为位线的布线单向加压。而FeRAM由于必须双向加压,因此除位线以外,还添加 了名为板线的线路。写入“1”时,由板线向位线加压。写入“0”时则反过来由 位线向板线加压。 读取方法也不同于DRAM。DRAM根据电容器中有无电荷判定 “1”或“0”。而FeRAM则不能直接读出电容器的状态。因此读取时通过强行写 入“1”,来判定“0”还是“1”。数据为1时由于状态不变,因此电荷移动少。 而数据为0时由于状态发生反转,因此会产生大的电荷移动。利用这种电荷差判 定1和0, FeRAM在读取时也进行写入动作。
铁电存储器成品图
五、FRAM与其它存储技术比较
FRAM与E2PROM FRAM可以作为E2PROM的第二种选择,它除了 E2PROM的性能外,访问速度要快得多。
FRAM与SRAM 从速度、价格及使用方便来看SRAM优于FRAM,但 是从整个设计来看,FRAM还有一定的优势。 非易失性的FRAM可以保存启动程序和配置信息。如 果应用中所有存储器的最大访问速度是70ns,那么可以 使用一片FRAM完成这个系统,使系统结构更加简单。
但是在铁电电容中反复写入会使之加速老化。
也就是说不仅是写入时,读取时FeRAM也会产生 老化,并且FeRAM在读取时与DRAM一样,是破坏 性读取,所以也需要像DRAM那样进行回写操作
FRAM的读操作
FRAM读操作过程是:在存储单元电容上施加一已 知电场,如果原来晶体的中心原子的位置和施加的电 场方向后使中心原子达到的位置相同,则中心原子不 会移动;若不相同,则中心原子将越过晶体中间层的 高能阶到达另一位置,则在充电波形上就会出现一个 尖峰,即产生原子移动的比没有产生移动的多了一个 尖峰,把这个充电波形 同参考位的充电波形进行比较, 便可以判断检测的存储单元中的内容是“1”或“0”。。

完美的铁电存储器

完美的铁电存储器

完美的铁电存储器一. Fujitsu铁电存储器(FRAM) 技术原理日本Fujitsu公司是全球最大的铁电存储器(FRAM)供货商,至2010年12月31日,全球已经累计出货17亿颗铁电存储器!Fujitsu公司铁电存储器(FRAM)的核心技术是铁晶体管材料,这一特殊材料使得铁电存储产品同时拥有随机存取内存(RAM) 和非挥发性存贮产品(ROM)的特性。

铁晶体管材料的工作原理是:当我们把电场加载到铁晶体管材料上,晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动,到达稳定状态,晶阵中的每个自由浮动的中心原子只有两个稳定状态,一个我们拿来记忆逻辑中的0、另一个记亿1,中心原子能在常温,没有电场的情况下停留在此状态达一百年以上。

铁电存储器不需要定时刷新,能在断电情况下保存资料。

二、Fujitsu铁电存储器(FRAM) 技术优点传统半导体内存有两大体系:挥发性内存(Volatile Memory),和非挥发性内存(Non-volatile Memory)。

挥发性内存如SRAM和DRAM 在没有电源的情况下都不能保存资料,但这种内存拥有高性能、易用等优点。

非挥发性内存像 EPROM、 EEPROM和 FLASH 能在断电后仍保存资料,但由于所有这些内存均起源自只读存储器 (ROM) 技术,所以您不难想象得到它们都有不易写入的缺点,确切的来说,这些缺点包括写入缓慢、有限次写入次数、写入时需要特大功耗等等。

FRAM第一个最明显的优点是FRAM可跟随总线(Bus Speed)速度写入,若比较起 EEPROM/Flash的最大不同的是 FRAM在写入后无须任何等待时间(NoDelayTM Write),而 EEPROM/Flash须要等 3~10毫秒 (mS) 才能写进下一笔资料。

铁电存储器(FRAM)的第二大优点是近乎无限次读写。

当 EEPROM/Flash只能应付十万次 (10的5次方)至一百万次写入时,新一代的铁电存储器(FRAM)已达到一百亿个亿次(10的 10次方)的写入寿命。

铁电存储器的原理及应用

铁电存储器的原理及应用

ÿÿÿÿÿÿÿÿ 摘 要关键词介绍铁电存储器(FRAM)的一般要领和基本原理,详细分析其读写操作过程及时序。

将FRAM与其它存储器进行比较,分析在不同场合中各自的优缺点。

最后以FM1808为例说明并行FRAM与8051系列单片机的实际接口,着重分析与使用一般SRAM的不同之处。

铁电存储器 FRAM原理 8051 存储技术1背 景铁电存储技术早在1921年提出,直到1993年美国Ramtron国际公司成功开发出第一个4Kb的铁电存储器FRAM产品,目前所有的FRAM产品均由Ramtron公司制造或授权。

最近几年,FRAM又有新的发展,采用了0.35μm工艺,推出了3V产品,开发出“单管单容”存储单元的FRAM,最大密度可达256Kb。

2FRAM原理FRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储,铁电晶体的结构如图1所示。

铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时,晶体中心原子在电场的作用下运动,并达到一种稳定状态;当电场从晶体移走后,中心原子会保持在原来的位置。

这是由于晶体的中间层是一个高能阶,中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置,因此FRAM保持数据不需要电压,也不需要像DRAM一样周期性刷新。

由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振极化特性,与电磁作用无关,所以FRAM存储器的内容不会受到外界条件(诸如磁场因素)的影响,能够同普通ROM存储器一样使用,具有非易失性的存储特性。

FRAM的特点是速度快,能够像RAM一样操作,读写功耗极低,不存在如E2PROM的最大写入次数的问题;但受铁电晶体特性制约,FRAM仍有最大访问(读)次数的限制。

2.1FRAM存储单元结构FRAM的存储单元主要由电容和场效应管构成,但这个电容不是一般的电容,在它的两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。

前期的FRAM的每个存储单元使用2个场效应管和2个电容,称为“双管双容”(2T2C),每个存储单元包括数据位和各自的参考位,简化的2T2C存储单元结构如图2(a)所示。

铁电随机存储器(FRAM)的工作原理

铁电随机存储器(FRAM)的工作原理

FRAM技术Faler整理 2007-4-2FRAM的工作原理FRAM技术的核心是将微小的铁电晶体集成进电容内,使到FRAM产品能够象快速的非易失性RAM那样工作。

通过施加电场,铁电晶体的电极化在两个稳定状态之间变换。

内部电路将这种电极化的方向感知为高或低的逻辑状态。

每个方向都是稳定的,即使在电场撤除后仍然保持不变,因此能将数据保存在存储器中而无需定期更新。

相对于其它类型的半导体技术而言,铁电存储器具有一些独一无二的特性。

传统的主流半导体存储器可以分为两类--易失性和非易失性。

易失性的存储器包括静态存储器SRAM(static random access memory)和动态存储器DRAM(dynamic random access memory)。

SRAM和DRAM在掉电的时候均会失去保存的数据。

RAM 类型的存储器易于使用、性能好,可是它们同样会在掉电的情况下会失去所保存的数据。

非易失性存储器在掉电的情况下并不会丢失所存储的数据。

然而所有的主流的非易失性存储器均源自于只读存储器(ROM)技术。

所有由ROM技术研发出的存储器则都具有写入信息困难的特点。

这些技术包括有EPROM(几乎已经废止)、EEPROM和Flash。

这些存储器不仅写入速度慢,而且只能有限次的擦写,写入时功耗大。

铁电存储器能兼容RAM的一切功能,并且和ROM技术一样,是一种非易失性的存储器。

铁电存储器在这两类存储类型间搭起了一座跨越沟壑的桥梁--一种非易失性的RAM。

当一个电场被加到铁电晶体时,中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。

当原子移动时,它通过一个能量壁垒,从而引起电荷击穿。

内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。

移去电场后,中心原子保持不动,存储器的状态也得以保存。

铁电存储器不需要定时更新,掉电后数据能够继续保存,速度快而且不容易写坏。

铁电存储器技术和标准的CMOS制造工艺相兼容。

铁电薄膜被放置于CMOS 基层之上,并置于两电极之间,使用金属互连并钝化后完成铁电制造过程。

储存器的终结者FRAM铁电存储器

储存器的终结者FRAM铁电存储器

个非易失性 的 R M存储器产 品。 A
I CC
个 我 们 拿 来 记 忆 逻辑 中 的“ ”另 一 个 记 忆 … ’ 中 心 原 子 能 在 0, 1。 常 温 , 有 电 场 的情 况 下 停 留 在 此 状 态 达 一 百 年 以 上 。铁 电 记 没 忆 体 不 需 要 定 时 刷 新 , 在 断 电 情 况 下 保 存 数据 。 能 由 于 在 整 个 物 理 过 程 中没 有 任 何 原 子 碰 撞 ,铁 电记 忆 体 (R M) 有 高 速 读 写 、 低 功 耗 和 无 限 次 写 入 等 超级 特 性 。 FA 拥 超 传 统 半 导 体 记 忆 体 有 易失 性 记 忆 体 (o tem m r) 非 vl i e oy 和 al 易 失 性 记 忆 体 (o —vl i e r) 大 体 系 , 失 性 记 忆 体 n n oa l m mo 两 te y 易 如 S A 和 D A 在 没 有 电 源 的情 况 下 都 不 能 保 存 数 据 , RM R M, 但 这 种 存 储 器 拥 有 高 性 能 、易 用 等 优 点 。非 易 失 性 记 忆 体 如 E — P O 、 E R M 和 F A H 能 在 断 电后 仍 保 存 数 据 , 由于 所 R M E PO LS 但
S ̄o s tc n0
有这些记忆 体均源 自只读存储 器 ( O 技术 ,所 以它们都 有 R M)
不 易写 入 的 缺 点 。确 切 地 说 , 这些 缺 点 包 括 写 入 缓 慢 、 限 写 有 入 次 数 、 入 时 需 要 特 大 功 耗 等 等 。图 1 1 K 比特 铁 电存 储 写 为 6
Ra r n FM2 mto 4C1 6 At l me S T AT2 4C1 6 s '4C1 12 6

铁电存储器FM24C16原理及其综合应用

铁电存储器FM24C16原理及其综合应用

铁电存储器FM24C16原理及其综合应用Ramtron铁电存储器FRAM1、铁电存储器技术原理、特性及应用美国Ramtron公司铁电存储器(FRAM)的核心技术是铁电晶体材料。

这一特殊材料使铁电存储器同时拥有随机存取记忆体(RAM)和非易失性存储器的特性。

铁电晶体的工作原理是:当在铁电晶体材料上加入电场,晶体中的中心原子会沿着电场方向运动,达到稳定状态。

晶体中的每个自由浮动的中心原子只有2个稳定状态,一个记为逻辑中的0,另一个记为1。

中心原子能在常温、没有电场的情况下,停留在此状态达100年以上。

铁电存储器不需要定时刷新,能在断电情况下保存数据。

由于整个物理过程中没有任何原子碰撞,铁电存储器有高速读写、超低功耗和无限次写入等特性。

铁电存储器和E2PROM比较起来,主要有以下优点:(1)FRAM可以以总线速度写入数据,而且在写入后不需要任何延时等待,而E2PROM在写入后一般要5~10ms的等待数据写入时间;(2)FRAM有近乎无限次写入寿命。

一般E2PROM的寿命在十万到一百万次写人时,而新一代的铁电存储器已经达到一亿个亿次的写入寿命。

(3)E2PROM的慢速和大电流写入使其需要高出FRAM 2 500倍的能量去写入每个字节。

由于FRAM有以上优点,其特别适合于那些对数据采集、写入时间要求很高的场合,而不会出现数据丢失,其可靠的存储能力也让我们可以放心的把一些重要资料存储于其中,其近乎无限次写入的使用寿命,使得他很适合担当重要系统里的暂存记忆体,用来在于系统之间传输各种数据,供各个子系统频繁读写。

从FRAM问世以来,凭借其各种优点,已经被广泛应用于仪器仪表、航空航天、工业控制系统、网络设备、自动取款机等。

在设计的碳控仪系统中,由于对控制碳势适时性的要求较高,而且系统由2个子系统构成,每个子系统都要频繁读写存储器,所以我们把原来的X25045换成FM24C16以满足要求。

2 FM24C16引脚说明及工作过程FM24C16-P(8脚双列直插)外形图及引脚定义如图1及表1所示。

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Sept. 2007
Ramtron International Corporation
1850 Ramtron Drive, Colorado Springs, CO 80921
(800) 545-FRAM, (719) 481-7000, Fax (719) 481-7058
F-RAM Technology Brief
Overview
Established semiconductor memory technologies are divided into two categories: 1. RAMs are Random Access Memories, which simply means that the access time for reads and writes are symmetric.
2. Nonvolatile memories have traditionally been ROM (Read Only Memory) until the advent of floating gate technology, which produced electrically erasable memories such as Flash and EEPROM. These products allow for in-system programming but read and write access times are dissimilar. In fact, the write access times can be several orders of magnitude greater than the read access times.
Ferroelectric Random Access Memory or F-RAM has attributes that make it the ideal nonvolatile memory. It is a true nonvolatile RAM. The write advantages and non-volatility make it quite suitable for storing data in the absence of power.
Ferroelectric Property
The ferroelectric property is a phenomena observed in a class of materials known as Perovskites. Figure 1 shows a Perovskite crystal. The atom in the center has two equal and stable low energy states. These states determine the position of the atom. If a field is applied in the proper plane, the atom will move in the direction of the field.
Applying an electric field across the crystal causes the low energy state or position to be in the direction of the field and, conversely, the high energy state in the opposite position. The applied field will, therefore, cause the atom to move from the high energy state to the low energy state. This transition produces energy in the form of charge generally referred to as switch charge (Qs). Therefore, applying an alternating electric field across the crystal will cause the atom to move from the top of the crystal to the bottom and back again. Each transition will produce charge, Qs.
Figure 1. Ferroelectric (Perovskite) Crystal
A common misconception is that ferroelectric crystals are ferromagnetic or have similar properties. The term “ferroelectric” refers to similarity of the graph of charge plotted as a function of voltage
(Figure 2) to the hysteresis loop (BH curve) of ferromagnetic materials. Ferroelectric materials switch in an electric field and are not affected by
The ferroelectric material has two states, the atom at the top, which is referred to as up polarization, and the atom at the bottom, which is referred to as down polarization (Figure 3). Therefore, with a viable sensing scheme a binary memory can be produced.
Figure 3. Crystal Polarization
Figure 4. Ferroelectric Capacitor Polarization The ferroelectric capacitor symbol indicates that the capacitance is variable and is not a traditional linear capacitor. If a ferroelectric capacitor is not switched when an electric field is applied (no change in polarization), it behaves like a linear capacitor. If it is switched, there is an additional charge induced, Figure 5. F-RAM Memory Cell B)
Figure 6. Memory Cell Access Sequence Figure 6 shows the switched case. Had the polarization been up in this sequence, the capacitor would not switch and there would be no additional charge induced. The charge induced in the switched capacitor is at least two times greater than the charge available in the unswitched capacitor (Qu).。

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