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鐵電存儲技術早在1921年提出,直到1993年美國Ramtron國際公司成功開發出第一個4K位的鐵電存儲器FRAM產品,目前所有的FRAM產品均由Ramtron公司製造或授權。最近幾年,FRAM又有新的發展,採用了0.35 m工藝,推出了3V產品,開發出「單管單容」存儲單元的FRAM,最大密度可達256K位。

1 鐵電存儲器 -主要技術特點

  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,通常是多晶元硅層形成的 (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晶體管時,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晶體管時,中心原子順著電場的方向在晶體里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。
  特別是當移去電場后,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后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。

2 鐵電存儲器 -FRAM原理

  FRAM利用鐵電晶體的鐵電效應實現數據存儲,鐵電晶體的結構如圖1所示。鐵電效應是指在鐵電晶體上施加一定的電場時,晶體中心原子在電場的作用下運動,並達到一種穩定狀態;當電場從晶體移走後,中心原子會保持在原來的位置。這是由於晶體的中間層是一個高能階,中心原子在沒有獲得外部能量時不能越過高能階到達另一穩定位置,因此FRAM保持數據不需要電壓,也不需要像DRAM一樣周期性刷新。由於鐵電效應是鐵電晶體所固有的一種偏振極化特性,與電磁作用無關,所以FRAM存儲器的內容不會受到外界條件諸如磁場因素的影響,能夠同普通ROM存儲器一樣使用,具有非易失性的存儲特性。
  FRAM的特點是速度快,能夠像RAM一樣操作,讀寫功耗極低,不存在如E2PROM的最大寫入次數的問題。但受鐵電晶體特性制約,FRAM仍有最大訪問(讀)次數的限制。

3 鐵電存儲器 -FRAM存儲單元結構

  FRAM的存儲單元主要由電容和場效應管構成,但這個電容不是一般的電容,在它的兩個電極板中間沉澱了一層晶態的鐵電晶體薄膜。前期的FRAM每個存儲單元使用兩個場效應管和兩個電容,稱為「雙管雙容」(2T2C),每個存儲單元包括數據位和各自的參考位,簡化的2T2C存儲單元結構如圖2(a)所示。2001年Ramtron設計開發了更先進的"單管單容"(1T1C)存儲單元。1T1C的FRAM所有數據位使用同一個參考位,而不是對於每一數據位使用各自獨立的參考位。1T1C的FRAM產品成本更低,而且容量更大。簡化的1T1C存儲單元結構(未畫出公共參考位)如圖2(b)所示。

4 鐵電存儲器 -FRAM的讀/寫操作

  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。

5 鐵電存儲器 -FRAM的讀寫時序

  在FRAM讀操作后必須有個"預充電"過程,來恢復數據位。增加預充電時間后FRAM一個完整的讀操作周期為130ns,如圖3(a)所示,這是與SRAM和E2PROM不同的地方。圖3(b)為寫時序。

6 鐵電存儲器 -FRAM與其它存儲技術比較

  目前Ramtron公司的FRAM主要包括兩大類:串列FRAM和并行FRAM。其中串列FRAM又分I2C兩線方式的FM24 系列和SPI三線方式的FM25 系列。串列FRAM與傳統的24 、25 型的E2PROM引腳及時序兼容,可以直接替換,如Microchip、Xicor公司的同型號產品,但各項性能要好得多,性能比較如表1所示。并行FRAM價格較高但速度快,由於存在"預充"問題,在時序上有所不同不能和傳統的SRAM直接替換。
  FRAM產品具有RAM和ROM優點,讀寫速度快並可以像非易失性存儲器一樣使用。因鐵電晶體的固有缺點,訪問次數是有限的,超出了限度,FRAM就不再具有非易失性。Ramtron給出的最大訪問次數是100億次(1010),但是並不是說在超過這個次數之後,FRAM就會報廢,而是它僅僅沒有了非易失性,但它仍可像普通RAM一樣使用。
  1.FRAM與E2PROM
  FRAM可以作為E2PROM的第二種選擇,它除了E2PROM的性能外,訪問速度要快得多。但是決定使用FRAM之前,必須確定系統中一旦超出對FRAM的100億次訪問之後絕對不會有危險。
  2.FRAM與SRAM
  從速度、價格及使用方便來看SRAM優於FRAM,但是從整個設計來看,FRAM還有一定的優勢。
  假設設計中需要大約3K位元組的SRAM,還要幾百個位元組用來保存啟動代碼的E2PROM配置。
  非易失性的FRAM可以保存啟動程序和配置信息。如果應用中所有存儲器的最大訪問速度是70ns,那麼可以使用一片FRAM完成這個系統,使系統結構更加簡單。
  3.FRAM與DRAM
  DRAM適用於那些密度和價格比速度更重要的場合。例如DRAM是圖形顯示存儲器的最佳選擇,有大量的像素需要存儲,而恢復時間並不是很重要。如果不需要下次開機時保存上次內容,使用易失性的DRAM存儲器就可以。DRAM的作用與成本是FRAM無法比擬的,事實證明,DRAM不是FRAM所能取代的。
  4.FRAM與Flash
  現在最常用的程序存儲器是Flash,它使用十分方便而且越來越便宜。程序存儲器必須是非易失性的並且要相對低廉,且比較容易改寫,而使用FRAM會受訪問次數的限制。FRAM與單片機介面
  下面介紹并行FRAM --FM1808與8051/52的實際應用。

7 鐵電存儲器 -預充電信號的產生

  在大多數的8051系統中,對存儲器的片選信號 通常允許在多個讀寫訪問操作時保持為低。但這對FM1808不適用,必須在每次訪問時由硬體產生一個正跳變。標準8051核的一個機器周期包括12個時鐘周期,ALE信號在每個機器周期中兩次有效,除了對外部數據存儲器訪問時僅有效一次。8051對外部存儲器的讀或寫操作需要兩個機器周期。快速型8051如DS87C520或W77E58的一個機器周期僅需4 個時鐘周期,而在一些新的如PHILIPS的8051中一個機器周期為6個時鐘周期,而在任何一個機器周期中ALE信號都兩次有效。儘管有這些不同,仍可以用ALE信號和地址片選來產生可用作FRAM訪問CE的信號。要保證對FM1808的正確訪問,必須注意兩點:
  第一,訪問時間必須大於70 ns(即FRAM的訪問時間);
  第二,ALE的高電平寬度必須大於60 ns。
  對於標準的8051/52ALE信號的寬度因不同廠家略有不同,一些快速的8051/52系列如DALLAS的DS87C520,WINBOND的W77E58則更窄一些,如表2所示。
  根據前面的介紹,要實現對FM1808的正常操作,對於標準8051/52來說主頻不能高於20MHZ,而對於高速型的8051/52主頻不應高於23MHz。

8 鐵電存儲器 -FM1808與8051的介面電路

  FM1808與8051介面電路如圖4所示,這裡使用8051的ALE信號和由地址產生的片選信號相「或」來產生CE的正跳變。兩片32K 8的FRAM存儲器,A15與ALE通過74FC32相"或"作為U2的片選,取反後作為U3的片選。所以,U2的地址為0~7FFFH,U3的地址為8000H~FFFFH。8051的RD信號與PSEN信號相「與」後作為U3的輸出允許,所以U3作為程序或數據存儲器使用。當J1跳接塊在右邊時,U2與U3用法相同,而J1跳接在左邊時,U2僅作為程序存儲器。要保證代碼不會意外地被改寫,僅需斷開J2即可。圖4 FM1808與8051/52的介面電路(略) 需要注意的是,由於邏輯門電路都有6~8ns的延時時間,在主頻較高時應使用快速型邏輯晶元(F系列)。

9 鐵電存儲器 -結束語

  總之,FRAM產品為我們提供了可使用的存儲器的一種新選擇,在原來使用E2PROM的應用中表現會更出色,為某些原來認為需要使用SRAM和E2PROM的應用系統找到一種新的途徑。鐵電已經解決了最大訪問次數的限制,已可成為所有的嵌入式和通用式存儲器。

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