相变存储器的基础理论
相变存储的原理
相变存储的原理1. 相变及相变存储的原理：物质在一种相态（或物态，简称相）下拥有单纯的化学组成和物理特质。
相变指一种物质从一种相转变为另一种相的过程，随着物质相的改变，其物理、化学性质也随之改变。
同时相变是由于有序和无序两种倾向的相互竞争，相互作用引起有序，热运动造成无序，不同相态下的同一种物质能量各异，所以相变的过程伴随着能量的改变。
通常气体和液体分别只有一种相即气相、液相。
而对于固体，不同点阵结构的物理性质不同，分属不同的相，因此同一固体可以有不同的相。
如铁有a铁、β铁、γ铁和δ铁4个固相；固态硫有单斜晶硫和正交晶硫两相；碳有金刚石和石墨两相等。
相变材料在不同相下呈现无序和有序两种状态，此时其电阻值有明显差异，所以可以利用这种差异来表示数据存储的“0”和“1”。
在非晶态时材料表现为半导体性，其电阻值高；在晶态时，其电阻值低。
(Crespi L, Ghetti A, Boniardi M, Lacaita A L. Electrical conductivity at melt in phase change memory. Electron Device Letters, IEEE, 2014, 7:747-749.)2. 相变存储器的工作原理和特点：相变存储器(PCRAM)是一种新型的非易失性存储器，主要指基于硫系化合物薄膜的随机存储器，利用电能（热量）使相变材料在晶态（低阻）与非晶态（高阻）之间的相互转换来实现信息的存储和擦除，通过测量电阻的变化读出信息。
(Wuttig M, Raoux S. The science and technology of phase change materials.10 DEC 2012, 15: 2455–2465.)因为不同相态下物质所含能量不同，所以从亚稳态的非晶态到稳定状态的晶态的转变是通过在其结晶温度以上对其加热足够长时间使其充分结晶而得到；相反的过程即将晶态结构加热至熔化并使其快速冷却，历经一个快速退火过程凝结而得到。
相变存储器材料研究综述
相变存储器材料研究1相变存储器介绍相变存储器（PCM）是一种非易失存储设备，它利用材料的可逆转的相变来存储信息。
相变存储器有高读写速度、寿命长，存储稳定,、工艺简单，潜力大，所以相变存储器被认为最有可能取代当今主流存储器而成为未来存储器的主流产品。
2相变存储器原理及设备相变存储器利用电能（热量）使相变材料在晶态（低阻）与非晶态（高阻）之间相互转换，实现信息的读取、写入和擦除，工作原理是将数据的写入和读取分为3个过程—分别是“设置（Set）”、“重置（Reset）”和“读取（Read）”。
“Set”过程就是施加一个宽而低的脉冲电流于相变材料上,使其温度升高到晶化温度Tx以上、熔点温度Tm以下，相变材料形核并结晶，此时相变材料的电阻较低，代表数据“1”。
“Reset”过程就是施加一个窄而强的脉冲电流于相变材料上，使其温度升高到熔点温度Tm以上，随后经过一个快速冷却的淬火过程（降温速率＞109K/s）,相变材料从晶态转变成为非晶态，此时相变材料的电阻很高，代表数据“0”。
“Read”过程则是在器件2端施加低电压，如果存储的数据是“0”，那么器件的电阻较高，因而产生的电流较小，所以系统检测到较小的电流回馈时就判断是数据“0”；如果存储的数据是“1”，那么器件的电阻较低，因而产生的电流较大，所以系统检测到较大的电流回馈时就判断是数据“1”。
图1是相变存储器的工作原理。
图1 相变存储器的工作原理3GST材料相变机理作为相变存储器的存储介质, 相变材料性能的优劣直接关系到器件性能。
相变存储器中最为核心的是以硫系化合物为基础的相变材料。
其中Ge2Sb2Te5(GST) 相变材料是到目前为止使用和研究最广泛的相变材料, 并已经实现了产品应用。
虽然工业界已经将GST作为相变存储器的存储介质实现了产品和应用, 但是对于GST为何在纳秒甚至皮秒量级的时间内实现非晶态和晶态的可逆相变仍然未有统一的结论。
主要原因是非晶态GST中原子排列是无序的,传统晶体学的理论和结构研究方法已不适用,因而对GST的非晶态很难获得一个清晰的认识, 更不能得到可逆相变过程中微观结构的变化。
相变存储器(PCM)技术基础.
相变存储器（PCM）技术基础相变存储器（PCM）技术基础类别：存储器相变存储器技术基础相变存储器（PCM）是一种非易失存储设备，它利用材料的可逆转的相变来存储信息。
同一物质可以在诸如固体、液体、气体、冷凝物和等离子体等状态下存在，这些状态都称为相。
相变存储器便是利用特殊材料在不同相间的电阻差异进行工作的。
本文将介绍相变存储器的基本技术与功能。
发展历史与背景二十世纪五十年代至六十年代，Dr.Stanford 1968年，他发现某些玻璃在变相时存在可逆的电阻系数变化。
1969年，他又发现激光在光学存储介质中的反射率会发生响应的变化。
1970年，他与他的妻子Dr.Iris Intel的Gordon Moore合作的结果。
1970年9月28日在Electronics发布的这一篇文章描述了世界上第一个256位半导体相变存储器。
近30年后，能量转换装置（ECD）公司与Micron Technology前副主席Tyler Lowery建立了新的子公司Ovonyx。
在2000年2月，Intel与Ovonyx发表了合作与许可协议，此份协议是现代PCM研究与发展的开端。
2000年12月，STMicroelectronics（ST）也与Ovonyx开始合作。
至2003年，以上三家公司将力量集中，避免重复进行基础的、竞争的研究与发展，避免重复进行延伸领域的研究，以加快此项技术的进展。
2005年，ST与Intel发表了它们建立新的闪存公司的意图，新公司名为Numonyx。
在1970年第一份产品问世以后的几年中，半导体制作工艺有了很大的进展，这促进了半导体相变存储器的发展。
同时期，相变材料也愈加完善以满足在可重复写入的CD与DVD中的大量使用。
Intel开发的相变存储器使用了硫属化物（Chalcogenides），这类材料包含元素周期表中的氧/硫族元素。
Numonyx的相变存储器使用一种含锗、锑、碲的合成材料（Ge2Sb2Te5），多被称为GST。
相变存储器：基本原理与测量技术
相变存储器：基本原理与测量技术相变存储器(可缩略表示为PCM、PRAM或PCRAM)是一种新兴的非易失性计算机存储器技术。
它可能在将来代替闪存，因为它不仅比闪存速度快得多，更容易缩小到较小尺寸，而且复原性更好，能够实现一亿次以上的擦写次数。
本文将为您介绍相变存储器的基本原理及其最新的测试技术。
何为PCM，它是如何工作的? PCM存储单元是一种极小的硫族合金颗粒，通过电脉冲的形式集中加热的情况下，它能够从有序的晶态(电阻低)快速转变为无序的非晶态(电阻高得多)。
同样的材料还广泛用于各种可擦写光学介质的活性涂层，例如CD和DVD。
从晶态到非晶态的反复转换过程是由熔化和快速冷却机制触发的(或者一种稍慢的称为再结晶的过程)。
最有应用前景的一种PCM材料是GST(锗、锑和碲)，其熔点范围为500º–600ºC。
这些合金材料的晶态和非晶态电阻率大小的差异能够存储二进制数据。
高电阻的非晶态用于表示二进制0;低电阻的晶态表示1。
最新的PCM设计与材料能够实现多种不同的值[1]，例如，具有16种晶态，而不仅仅是两种状态，每种状态都具有不同的电气特性。
这使得单个存储单元能够表示多个比特，从而大大提高了存储密度，这是目前闪存无法实现的。
非晶态与晶态 简单介绍非晶态与晶态之间的差异有助于我们搞清楚PCM器件的工作原理。
在非晶态下，GST材料具有短距离的原子能级和较低的自由电子密度，使得其具有较高的电阻率。
由于这种状态通常出现在RESET操作之后，我们一般称其为RESET状态，在RESET操作中DUT的温度上升到略高于熔点温。
相变存储器
相变存储器（phase change memory）,简称PCM，利用硫族化合物在晶态和非晶态巨大的导电性差异来存储数据的。
初次听到"相变"这个词,很多读者朋友会感到比较陌生.其实,相(phase)是物理化学上的一个概念,它指的是物体的化学性质完全相同,但是物理性质发生变化的不同状态.例如水有三种不同的状态,水蒸气(汽相)，液态水（液相）以及固态水（固相）。
物质从一种相变成另外一种相的过程叫做…相变‟例如水从液态转化为固态。
在很多物质中相变不是大家想象的只有气，液，固，三相那么简单。
例如我们这里介绍的相变存储器就是利用特殊材料在晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性差异来存储数据的。
所以我们称之为相变存储器。
相变材料制作的相变内存无论是在专利布局、芯片试产及学术论文上开始有优异的表现，已开始商业应用，其cell size于201 1年将小于NOR Flash，未来可望大规模取代NOR Flash市场。
NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。
Int el于1988年首先开发出NOR flash技术，彻底改变了原先由EPRO M和EEPROM一统天下的局面。
紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND flash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。
但是经过了十多年之后，仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR和NAND闪存。
相“flash存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。
许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处，因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时NOR闪存更适合一些。
而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。
NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。
N OR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。
相变存储器的原理和发展
相变存储器的原理和发展相变存储器，作为一种新型存储器，正在逐渐成为人们关注的热门话题。
相比于传统的存储器技术，相变存储器由于具有高密度、高可靠性、低功耗等特点，正在逐渐走向成熟。
在这篇文章中，我们将会探讨相变存储器的原理和发展。
一、相变存储器的原理相变存储器（Phase Change Memory，PCM）是一种通过将物质的状态从一个相转变到另一个相来实现存储和擦除信息的存储器。
它具有非易失性、快速读写、高密度、低功耗等优点，而且不会受到电磁干扰的影响。
相变存储器的基本原理是利用材料的相变来存储信息。
在相变存储器中，通过在材料中通入电流，可以将材料由非晶态（amorphous）转变为结晶态（crystalline），或者由结晶态转变为非晶态，从而实现信息的存储和擦除。
相变存储器由一个导电介质薄膜和一层相变材料薄膜组成。
当通入电流时，相变薄膜的温度会上升，从而引起相变。
相变后，材料的导电性和抗电性会发生明显变化，这种变化被采集和存储在导电介质薄膜中。
从而实现了信息的存储。
相变存储器的最大特点是它可以在非常短的时间内进行快速的写和读操作。
相变薄膜的相变速度很快，写入时间只需要几十纳秒，读取时间也只需要几纳秒。
同时，相变存储器还具有非常高的可靠性，因为相变材料可以进行无限次的相变。
二、相变存储器的发展相变存储器的历史可以追溯到上世纪60年代，但要真正进入实用化的阶段还有很长的路要走。
在过去的几十年中，相变存储器的研究一直处于实验室阶段。
直到近年来，随着存储技术的进一步发展，相变存储器才开始逐渐受到人们的关注。
在过去的几年中，相变存储器已经从实验室阶段进入了产品研发阶段。
英特尔公司已经推出了一款基于相变存储器的高速固态硬盘（SSD），号称可以提供比传统硬盘更快的读写速度和更高的可靠性。
同时，三星、东芝、半导体制造商Micron等公司也在积极推进相变存储器技术的研发。
相比于传统的NAND闪存存储器，相变存储器具有更高的存储密度和更快的访问速度。
相变存储器
2.c
读取速度 擦写次数 读取方法
相变存储器基本性能
与FLASH同等水平 与FeRAM一样10-12 与MRAM一样非破坏性，
与其他存储器相比具有的性能优势
元件尺寸
耗电方面
约为MRAM或FeRAM的1／3
可以在2．5 V下工作
制造简单
多级存储
在CMOS工艺上增加2-4次
其他存储器不能实现
2.b
相变存储器结构
无定形物质是一类没有表现出确定、有序的结晶结构的物质；
● 1968年，Ovshinsky发现某些玻璃在变相时存在可逆的电阻系数变化； ● 1969年，Ovshinsky又发现激光在光学存储介质中的反射率会发生响应的变 化； ● 1970年，Ovshinsky与他的妻子Dr. Iris Ovshinsky共同建立的能量转换装置
GST材料的特点
结晶速度快
优点 非晶态和晶态的光性能和电性
能差别大 最广泛的相变 存储器材料 需提高性能
晶态电阻率和结晶温度低
缺点
热稳定性差
改进GST性能手段—掺杂
不同的元素掺杂后形成不同的化学键性质及结 构形式，决定了掺杂GST的性能差异，也会导致热 传导机理的不同。其中非金属N掺杂由于倾向于与 Ge、Sb或Te形成共价键，能够提高GST的晶态电 抗性及热稳定性；而金属Sn掺杂由于取代了部分 Ge形成了SnTe-Sb2Te3结构，大大加快了再结晶 速度，都被认为是很有前途的掺杂元素。
1 0
2.a
高阻与低阻：
工作原理
对于固定结构的相变存储器，其存储单元晶态电阻 是一个相对稳定恒定的值，容易测量定标，定义其晶态 时的电阻值为低阻，非晶态电阻值在一定的范围内波动。 在表征存储信息时，通常是将存储单元晶态时的电 阻作为一个基值用于表征一种信息值，用大于此基值一 定倍数的非晶态电阻值来表征其它一个或多个信息值。 对于目前二值存储的器件定义存储单元处于非晶态时表 现出的大于晶态一定倍数的电阻值为高阻。
相变存储器介绍 PPT
金属导电细丝的形成过程
以 Ag/Insulator/Pt 器件的阻变机理为例: 在 Ag 顶电极施加正电压，Ag原子被氧化成 Ag+， Ag → Ag++ e． 当施加的电场足够强时，这些 Ag 离子向 Pt 电极移动，到达 Pt 电极时得到电 子被还原为 Ag 原子，被还原的 Ag 离子在 Pt 电极上不断堆积，金属 Ag 细丝最终到达 Ag 电 极，形成金属导电通道． 与此同时，器件的阻 值急剧降低，器件到达低阻态(ON state)，此过 程称为 SET 过程． 需要指出的是，可以通过调 节 SET 过程中的限制电流，得到不同的 LRS， 适当的增大限流，会得到更小的低阻态阻值， 这种低阻态阻值的减小，可以致使金属导电细 丝直径的增大．当施加在顶电极的电压极性反 转为负压时，随着阻变层薄膜里的金属 Ag 细丝 在相反方向的氧化还原反应的作用下断裂或熔 解，器件重新回到高阻态(OFF state)，此为 RESET 过程．
忆阻器
——PRAM
PRAM：Phase Change Random Access Memory
研究动机
1.当代计算机性能提升最重要的一大障碍在于处理器从大容量存储中获 取数据花费的时间。（存储墙问题） 2.用户希望存储器能同时具有 DRAM 的高速度、高寿命和 FLASH 的低 成本、非易失的优点。
十字交叉阵列结构中发生电流串扰示意图
为了解决这种串扰问题，提出了三种结构:1T1R，1D1R和具有自整流特性 的 1Ｒ 结构，图 11 所示为此三种结构的 3D 示意图． 1T1Ｒ 结构单元的最 小尺寸是由选择晶体管的尺寸来决定，这种集成结构的单元面积大，可缩 小性受到晶体管的限制，并且这种平面集成方式不利于 3D 的堆叠，而 1D1Ｒ 结构和 1Ｒ 结构都没有这样的缺陷，被认为是解决串扰现象理想的 结构．因此，选用适当的堆叠结构，再利用其他改善性能的方法，可以制 备出性能优越的阻变存储器器件．
电子级单晶硅片的相变存储器研究与实现
电子级单晶硅片的相变存储器研究与实现近年来，随着存储器技术的不断发展，相变存储器作为一种新型的非易失性存储器，受到了广泛的关注和研究。
相变存储器具备高密度、高速度、低功耗和长寿命等特点，因此在智能手机、计算机等电子产品中有着广泛的应用前景。
而电子级单晶硅片作为相变存储器的芯片载体，对于相变存储器的研究和实现起着至关重要的作用。
本文将深入研究电子级单晶硅片的相变存储器，并探讨其研究与实现的方法与技术。
首先，我们需要了解相变存储器的基本原理。
相变存储器是利用了各向同性相变材料的特性，通过在电流的作用下使相变材料发生相变的属性，来实现存储信息的目的。
而电子级单晶硅片作为相变存储器的基底材料，其优良的热稳定性和电性能使之成为相变存储器的理想载体。
在研究与实现电子级单晶硅片的相变存储器时，首先需要选择合适的相变材料，并制备出单晶硅片。
常用的相变材料有锗锑碲（GST）和锗碲锡（GTS），其热稳定性高、相变速度快的特点使其成为相变存储器的首选。
其次，我们需要对电子级单晶硅片进行制备和加工。
电子级单晶硅片具有较高的纯度和均匀性，可以提供一个良好的基底环境，确保相变存储器的性能和稳定性。
制备电子级单晶硅片的基本工艺包括单晶硅的种植和拉晶、单晶硅片的切割、晶圆的抛光和清洗等步骤。
当制备好电子级单晶硅片后，可以使用光刻技术在单晶硅片表面形成电极和电路结构，为相变存储器的实现奠定基础。
然后，我们需要进行相变存储器的设计和优化。
相变存储器的设计需要考虑到存储容量、数据保持时间、读写速度和功耗等多个方面的要求。
通过优化电极和相变材料的结构，可以提高相变存储器的读写速度和存储容量。
同时，优化电流脉冲的形状和功耗控制策略，可以降低功耗并提高数据保持时间。
此外，还可以通过多层次和交叉叠层的结构设计，提高存储密度和可靠性。
最后，我们需要对电子级单晶硅片的相变存储器进行实现和测试。
实现相变存储器的关键技术之一是相变材料的热控制和相变状态的检测。
课外阅读相变存储器PPT课件
铜网上蒸发碳膜作为支持膜，然后沉积40 nm厚的 Ge2Sb2Te5薄膜
（1）沉积态薄膜 并不是完全非晶
（2）退火温度250℃ 较大的晶粒（>50 nm）已经形成
（3）退火温度250℃ 晶粒（100 nm-200） •13 已经形成
空洞产生的推论和揣测： 1.结晶过程中形成更为致 密的结构，局部体积收缩 形成空洞 2.高温导致的Ge2Sb2Te5 中Sb和Te的挥发。
转变，利用其光学反射率的巨大差异。
•5
1968. Stanford R. Ovshinsky，电场激发下具有 高低阻值的转变现象。
1.实验装置
2.实验样品 Ge10Si12As30Te48
3.实验结果
Stanford R. Ovshinsky, Reversible Electrical Switching Phenomena in Disordered Structures, Physical Rev•i6ew Letter, vol. 21, no.20, pp. 1450-1452,1968.
框架
1.相变存储器 1.1 相变存储器的基本原理 1.2相变材料的性质和性能优化 1.3新型相变材料 1.4相变存储器的结构 2.存储器和集成光学 2.1基于相变材料的门开关
•1
1.1相变存储器 （OUM,PCRAM）的基本原理
2
最早的“存储器” 器
相变存储
结绳记事
晶态
低阻
1
非晶态
Zhang T, Liu B, et al, Struture and electrical Properties of Ge thin film used for Ovonic Unified Memory,
相变存储器的工作原理
相变存储器的工作原理相变存储器是一种新型的非易失性存储器，具有电阻式随机存取存储器（Resistive Random-Access Memory，RRAM）或相变存储（Phase-Change Memory，PCM）的别名。
相较于传统的存储器，它具有更高的存储密度、更快的读写速度和更低的功耗，被广泛认为是未来存储器的发展方向之一。
本文将详细介绍相变存储器的工作原理，并从相变材料、电阻调制和读取操作三个方面进行阐述。
一、相变材料相变存储器采用了特定的相变材料，最常见的是硫化锌（ZnS）和掺硅锗（Ge2Sb2Te5）。
这类材料是一种非晶态和结晶态之间可逆转变的物质，能够在电流的刺激下发生相变。
相变材料的特殊结构和成分决定了存储器的工作性能。
二、电阻调制相变存储器的工作原理基于相变材料在不同电阻状态下的相变特性，通过改变相变材料的电阻来实现数据的写入和存储。
具体来说，当相变材料处于非晶态时，其电阻较高，表示存储位为逻辑“0”；而当相变材料转变为结晶态时，其电阻较低，表示存储位为逻辑“1”。
这种电阻的调制过程是可逆的，能够实现多次读写操作。
三、读取操作相变存储器的读取操作是通过测量存储位的电阻来实现的。
一般来说，读取操作是非破坏性的，即不会改变存储位的状态。
通过在相变存储器上施加一定的电压，可以测量存储位的电阻大小，从而确定其状态。
例如，当读取操作的电压小于设定阈值时，可将存储位判定为逻辑“0”；反之，当读取操作的电压大于设定阈值时，可将存储位判定为逻辑“1”。
四、应用前景相变存储器具有许多优点，使其在未来的存储器应用中具有广阔的前景。
首先，相变存储器的存储密度非常高，可以将更多的存储单元集成在一个芯片上，提高存储器的容量。
其次，相变存储器的读写速度快，可以实现更快的数据传输和处理。
再次，相变存储器的功耗低，比传统存储器更加节能环保。
此外，相变存储器还具备较长的存储寿命和较高的工作温度范围，适用于各种场景的应用。
相变存储器的工作原理
相变存储器的工作原理
嘿！今天咱们来聊聊相变存储器的工作原理呀！这可真是个超级有趣又厉害的东西呢！
哎呀呀，你知道吗？相变存储器的核心就在于材料的相变哟！它使用的特殊材料能够在不同的状态之间切换，从而实现数据的存储和读取呢。
比如说呀，这些材料可以在结晶态和非晶态之间变化。
当处于结晶态的时候，电阻比较低；而非晶态的时候呢，电阻就会变高啦！哇，是不是很神奇？
那它到底是怎么实现相变的呢？这就涉及到加热和冷却的过程啦！通过施加电流产生热量，让材料升温或者降温，从而改变状态。
就好像是在给材料“做桑拿”或者“吹冷风”一样呢！
在写入数据的时候呀，会给存储单元施加一个比较强的电流脉冲，产生高温，让材料变成非晶态，代表“0”；如果是较弱的电流脉冲，让材料保持或者变成结晶态，那就是“1”啦！
读取数据的时候呢，就测量存储单元的电阻。
电阻低就是“1”，电阻高就是“0”，是不是挺简单明了的呀？
相变存储器还有很多优点呢！它的读写速度快得惊人，比传统的存储器可强多啦！而且呀，它的耐久性也不错，能够反复进行读写操作，不容易损坏哟！
哎呀呀，相变存储器的工作原理真的是太巧妙啦！相信在未来，它一定会在计算机存储领域发挥更大的作用呢！哇，想想都让人兴奋
不已呀！。
未来存储谁主沉浮？且看我“72变”!——深度了解相变存储器的秘密
多 ！ 还 算是好 的 ， 这 如
ｌ ＭＢ的 图１ 在处理 器的核心（ Nhomakorabeaｉ 中缓存 占 果你 说 要买５ ２ Ｄｃ ）
的 面积 相 当大 ，图示 为９ ｎ － ０ ｍＪ 艺晶 Ｓ ＲＡＭ ， 那你 肯 定 疯
圆的切割图， 图中非常整 齐的部分 了……奢侈 的 Ｓ ＲＡＭ 就是处理器的缓存。
磁 场 ， 以也没有办 法 适应 “ 天候 ” 所 全 的工作环 境 。 ＮＡＮＤ闪 存 是最 近兴 起 非 常 快 的 存储 技 术 ， 们 人 更习惯 用 “ 存硬 盘”或 者 “ 闪 固态 硬 盘”来 称呼 它们 。目
前 ， 存 硬 盘 闪 在 容 量 上 一 路 高歌 猛 进 ， 从
结果 。 而且 定 时刷 新 还 会消 耗更 多 的 电能以 及更 大 的发
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热量 ， 来 “ 看 定时刷 新”的确 不是一 个好 习惯 。
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相变储能分类-概述说明以及解释
相变储能分类-概述说明以及解释1.引言1.1 概述相变储能是一种利用物质的相变过程将能量储存和释放的技术。
相变储能利用物质在相变过程中吸热或放热的特性，实现能量的转化和储存。
随着能源需求的不断增长和对环境保护的要求日益严格，相变储能技术的研究和应用引起了广泛关注。
相变储能技术的研究起源于人们对能量转化和储存的需求。
在过去的几十年里，科学家们通过研究不同物质的相变过程，发现了相变储能的潜力并不断进行探索和创新。
目前，相变储能已经在多个领域得到应用，比如太阳能电池、储能设备等。
本文将对相变储能进行详细的分类和介绍。
首先，我们将对相变储能的定义和原理进行阐述，以便读者对其基本概念有更加清晰的认识。
其次，我们将介绍相变储能的分类方法，包括根据相变物质的类型、相变过程的性质以及储能设备的结构等方面进行分类。
通过对不同分类方法的介绍，我们可以更好地了解相变储能技术的多样性和应用场景。
最后，在结论部分，我们将总结相变储能的分类及其应用，并展望相变储能的未来发展。
相信通过本文的阅读，读者们能够对相变储能有更深入的了解，为其在能源领域的应用和发展提供一定的参考和借鉴。
1.2文章结构文章结构部分的内容应当包括对整篇文章的结构和各个章节的简要描述。
文章结构部分可以按照以下方式进行编写：文章结构：本篇文章主要分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要介绍相变储能的概述、文章的结构和目的。
正文部分主要包括相变储能的定义和原理以及相变储能的分类方法的详细讲解。
结论部分主要总结相变储能的分类及其应用，并展望相变储能的未来发展。
通过以上结构，读者可以清晰地了解本篇文章的组织和内容安排。
本篇文章将全面介绍相变储能的相关知识，从定义和原理出发，详细讲解相变储能的分类方法，最后对相变储能的应用进行总结，并展望其未来的发展前景。
1.3 目的本文的目的是对相变储能进行分类研究和探讨，并总结相变储能的分类及其应用。
通过对相变储能的定义和原理进行详细解析，我们将介绍不同类型的相变储能以及它们的特点和优缺点。
相变存储器及其发展
将 硫 系 化 合 物 (如 Ge 2 Sb 2 Te 5 )应 用 于 PCRAM时 ， 主 要 使 用 它 在 无 序 与 有 序 两 态 时差距明显的电阻值来作为数据存储的两 态，在非晶态时材料表现为半导体特性， 其电阻值高，在晶态时材料表现为半金属 特 性 ， 其 电 阻 值 低 。 不 同 于 DVD中 使 用 激 光脉冲来转变材料的微观结构，驱动 PCRAM的 是 电 脉 冲 。 通 过 施 加 一 个 较 长 时 间、强度中等的电脉冲于非晶态硫系化合 物材料上，可在脉冲作用区域实现对非晶 态 材 料 的 加 热 (电 能 转 化 成 的 焦 耳 热 )， 使 其 温度升高到结晶温度以上、熔化温度以下 从 而 结 晶 ， 此 过 程 通 常 被 称 为 设 置 (SET)过 程；如使用一个强度更高但作用时间短促 的电脉冲于晶态硫系化合物材料上，在焦 耳热的作用下，当温度升高到材料熔点之 上 后 ， 经 过 一 个 快 速 的 热 量 释 放 过 程 (淬 火 ， 降 温 速 率 超 过 10 9 K/s)， 材 料 由 熔 融 态 直接进入非晶态，此过程则被定义为重置 (RESET)过 程 ； 数 据 的 读 取(READ)则 是 通 过 测 量 硫系化合物材料的电阻值来实现的，此 时所加电脉冲的强度很弱，控制硫系化合物 温度升高到结晶温度以下，避免激发不必要 的材料相变，确保读出已存储的信息。 2 相 变存 储 器研 究 现状 进 入 21世 纪 以 后 ， 伴 随 着 集 成 电 路 特 征 尺 寸 缩 小 至180nm，PCRAM在 被 发 明 几 十 年后终于迎来了真正的发展契机。同时， 得益于早期在光存储领域积累了大量材料 研发的基础以及科研工作者对相变机理更
然而硫系化合物真正被应用到电学存储器中也只是最近十几年的事情都归因于微电子行业这些年的发展为电学存储器件的实现提供了技术前提因为只有在微米甚至纳米尺度的情况下硫系化合物材料相变所需要的功耗才能大大降低业化存储芯片才被提上日程
相变存储器浅谈
计算机科学
Ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｅ ｒ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｍａ ｇ ａ ｚ ｉ ｎ ｅ
２ ０ １ ３ 年 ７月下
相变存储器浅谈
杨 小鹿
（ 吉林 大学 ，长春
１ ３ ０ ０ １ ２）
摘 要 ：非易失性存储 器在 日常生活中起 着重要 作用 ，它断电后 可以继续保存数 据。存储 器也朝着更小、更快、 低 功耗 的方 向发展 。而相 变存储 器（ ｐ ｈ ａ ｓ Ｐ —ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ Ｍｅ ｍｏ ｒ ｙ ，Ｐ Ｃ Ｍ） 由于其 高密度、低功耗 、工 艺兼容等特点 ，引起 了广泛的注意。本文 简单地对相变存储 器介绍和说明。 关键 词 ：相 变存储 器；非 易失性存储 器 ・ 中图分类号 ：Ｔ Ｐ ３ ３ ３ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１ ６ ７ ４ — ７ ７ １ ２（ ２ ０ １ ３ ）１ ４ － ０ ０ ９ ８ － ０ １
（ 二）缺点 １ ． ‘ 单位成本 高。相对 目前流行 的 Ｍ Ｌ Ｃ Ｎ Ａ Ｄ Ａ ，单位容量成 本较高 ， 这也 是当年 闪存所经历 的过程 ， 随着工艺的完善相信 能够得 到解 决。 ２ ． 发热和耗 能过大 。因为完成相变过程就是依靠 电压 、电 流控制 发热 功率来实现 的。随着节 点的越来越小 ， 对加热控制 元件要求也就越 高， 与此带来 的发热 问题就越来越 明显 。 发热 和耗胄 甚 是 目前制约其发展 的重要原 因。 ３ ． 电路设计不 完善 。 目前 相变材料五花 八 门和热传 导效 应 ，Ｐ Ｃ Ｍ电路设计较其他存储器有很大不 同当高速度、大数据
相 是理化 上的一个概念 ， 它表示某种物 质化 学性 质没 有变 化 ，但是其物 理状 态 已经改变 ，如水在物理上有气相 、液相 、 固相的状态 。 而相变就是 当外部环境变化 时从一种相 到另 外一 种相 的过程 。相变 导致很 多物 理性 质的改变 ，如光的折射率、
相变存储器
世 界 电 子 元 器 件 ２ ０． ｅｃ． ｃｎｃｏ ０］ １ ｇ ｅｃ ． ｒ ｎ
液 态 水 （ 相 ）以及 固 液
伸和扩 展 的网络 ； ，其用 户端延伸和 扩展到 了任何物 品 二
与物 品之间 ，进行信息交换和通讯。 物联 网把新一代 ｌ Ｔ技术充 分运 用在 各行 各业 之中 ，具 体地说 ， 就是把感 应器 嵌入和装 备到 电网 、 铁路 、 桥梁 、 隧道 、 公路 、建筑 、供水 系统 、大 坝 、油气管道 等各种 物体 中 ，
１ ０倍 ，是硬盘驱动器 的 １ ０ ０ ０ ０ ０倍左右 。Ｐ ０ ＣＭ的读取延
时仅为是 ５ ｎ － ０ ｎ ， ＳＬ Ａ ０ ｓ １０ ｓ是 Ｃ Ｎ ＮＤ闪存的 １ ０ ０ 倍左 右 ，
硬 盘 驱 动 器 的 １ ００， 达到 “ 智慧”
状态 ，提 高资 源利用率和生 产力水 平 ，改善人 与 自然 问的
关 系
３ Ｄ液 晶 电视
３ Ｄ液 晶 电视 ，顾 名思义 即能实 现 ３ Ｄ显 示效果 的 电 视设 备。３ Ｄ即三维立 体 图形 ，由于人 的双 眼观察物体 的
智 能 电 网
智能 电网就是 电网的智能化 ，也被 称为 “ 电网 ２ ” ． ， Ｏ
态水（ 固相 ） 物质从一种相变成 另外一种相的过程 叫做 “ 。 相 变” ，例如水从液态转化为固态 。 在很 多物 质 中相变 不是 大家 想象 的 只有气 、液 、固 三相那 么简单。在相变存储器 中 ，就 是利用特 殊材料在 晶
态和非 晶态之 间相互转化时所发生 的相变 来存储数据的 。
３ Ｄ液晶 电视 正是 利用这个 原理 ，把 左右 眼所看到 的影像
分离 ，实现立体 显示效果 。具体 即通过在 液晶面板上加上 特殊 的精密柱面透镜 屏 ，将经过 编码处理 的 ３ Ｄ视 频影像
相变存储器的基础理论
• 忆阻器最简单的应用是非易失性存储器，
也就是在断电后仍然能够保存数据的存储 器。 • 目前，电脑广泛使用动态随机存储器作为 内存。这种技术最大问题是，当用户关闭 PC电源时，内存中的数据就消失了，下次 打开计算机电源，用户必须等所有需要运 行的数据全部从硬盘重新装入内存，这个 过程有时长达几分钟。有了非易失性存储 器，PC 会在开机的一瞬间回到关闭前的状 态。
相变存储原理
Байду номын сангаас
Ovshinsky的多值设想
• 相变电阻可以编写为多种介于完全非晶态 和完全多晶态之间的状态，且这些状态下 的阻值同样也介于完全非晶态的高阻值和 完全多晶态的低阻值之间，如下图所示。 若能够利用相变电阻的多值编写能力 多值编写能力而实 多值编写能力 现单元内多值(即多态)存储，则实现较高的 存储密度将成为可能。
Ovshinsky 效应
• S．R．Ovshinsky在1969年发现硫系化合 物的晶态和非晶态可呈现出不同的光学特 性和电学特性，并且可以进行快速可逆的 转变，利用此特性可以存储数据 • Ovshinsky光学效应：相变光盘如，CD、 DVD-RAM等 • Ovshinsky光学效应：相变存储器
忆阻器
• 晶态(低阻)和非晶态(高阻)，分别对应着逻 辑数值“1”和“0”，利用电脉冲可以使材料 在晶态与非晶态之间相互转换实现信息的 写入与擦除，然后通过流经器件电流的大 小来识别数据存储状态
相变工作原理
相变材料：硫系化合物
相变存储器浅谈
相变存储器浅谈摘要：非易失性存储器在日常生活中起着重要作用，它断电后可以继续保存数据。
存储器也朝着更小、更快、低功耗的方向发展。
而相变存储器（phase—Change Memory，PCM）由于其高密度、低功耗、工艺兼容等特点，引起了广泛的注意。
本文简单地对相变存储器介绍和说明。
关键词：相变存储器；非易失性存储器中图分类号：TP333 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 14-0000-01一、引言非易失性存储器（non—volatile memory，NVM）在信息技术中扮演着重要的角色。
传统非易失性存储器主要包括EPROM（可擦写可编程只读存储器）、EEPROM（电可擦可编程只读存储器）、Flash （闪存）等。
在当前市场中，Flash存储器渐渐占据了统治地位。
但是，flash存储器也存在着一些问题.其在读写过程中的高能热电子可能会引起存储器本身的损坏，影响器件可靠性；同时，Flash存储器在对某一位数据进行擦除时，需要将整个数据块的数据擦除，这大大影响了存储器的速度。
随着技术的进步，铁电存储器、磁存储器等也开始崭露头脚，目前最引人瞩目的当属相变存储器了。
二、相和相变相是理化上的一个概念，它表示某种物质化学性质没有变化，但是其物理状态已经改变，如水在物理上有气相、液相、固相的状态。
而相变就是当外部环境变化时从一种相到另外一种相的过程。
相变导致很多物理性质的改变，如光的折射率、电阻率等等。
如果想利用物质的相变存储信息，就必须保证相的状态是稳定的。
目前相变存储器就是利用硫族化合物晶态和非晶态之间转化后导电性的差异来存储数据。
三、相变存储器的原理相变存储器的数据的写入和读取分为三个过程，分别是“Set”、“Reset”和“Read”。
“Reset”是逻辑复位“0”：瞬间施加一个窄而强的电流，大约10ns。
而后快速的冷却，让相变材料从晶体变为非晶体，电阻率提高两个数量级以上。
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• 晶态(低阻)和非晶态(高阻)，分别对应着逻 辑数值“1”和“0”，利用电脉冲可以使材料 在晶态与非晶态之间相互转换实现信息的 写入与擦除，然后通过流经器件电流的大 小来识别数据存储状态
相变工作原理
相变材料：硫系化合物
• 目前使用最多的相变存储材料为硫系半导 体化合物，如GeSbTe，GeTe，GeSb， AsSbTe，AglnSbTe和AulnTe等。 • Ge2Sb2Te5(GST)是目前相变存储器研究中 最为成熟的材料，其非晶态和晶态很稳定， 无需能量的供给即可保持存储信息，从而 可以应用于非易失性存储器。
多值存储方法
• 通过不同强度的编程脉冲来改变同一层相 变材料的相变程度，进而构建多重电阻值。
2：高阻介质层 3：非晶相变材料
相变存储原理
Ovshinsky的多值设想
• 相变电阻可以编写为多种介于完全非晶态 和完全多晶态之间的状态，且这些状态下 的阻值同样也介于完全非晶态的高阻值和 完全多晶态的低阻值之间，如下图所示。 若能够利用相变电阻的多值编写能力而实 现单元内多值(即多态)存储，则实现较高的 存储密度将成为可能。
忆阻器
• 1971年，美国加州大学伯克利分校教授蔡 少棠语言了忆阻器的存在。 • 一种有记忆功能的非线性电阻。 • 通过控制电流的变化可以改变其阻值，如 果，把高阻定义为“1”，低阻值定义为“0”， 则这种电阻可以实现数据的存储功能
• 忆阻器最简单的应用是非易失性存储器，
也就是在断电后仍然能够保存数据的存储 器。 • 目前，电脑广泛使用动态随机存储器作为 内存。这种技术最大问题是，当用户关闭 PC电源时，内存中的数据就消失了，下次 打开计算机电源，用户必须等所有需要运 行的数据全部从硬盘重新装入内存，这个 过程有时长达几分钟。有了非易失性存储 器，PC 会在开机的一瞬间回到关闭前的状 态。