铁电存储器的原理及应用

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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Ｅ２

ＰＲＯＭ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。２００１年Ｒａｍｔｒｏｎ

设计开发了更先进的“单管单容”（１Ｔ１Ｃ）存储单元。１Ｔ１Ｃ

的ＦＲＡＭ所有数据位使用同一个参考位，而不是对于每

一数据位使用各自独立的参考位。１Ｔ１Ｃ的ＦＲＡＭ产品

成本更低，而且容量更大。简化的１Ｔ１Ｃ存储单元结构

（未画出公共参考位）如图２（ｂ）所示。

２．２ＦＲＡＭ的读／写操作

ＦＲＡＭ保存数据不是通过电容上的电荷，而是由存 铁电晶体中心原子 的两个可能位置用

来保存“1”和“0” 图１ 铁电存储器晶体结构位线

（ａ）２Ｔ２Ｃ结构 （ｂ）１Ｔ１Ｃ结构

图２ ＦＲＡＭ的存储单元结构

储单元电容中铁电晶体的中心原子位置进行记录。直接对中心原子的位置进行检测是不能实现的。实际的读操作过程是：

在存储单元电容上施加一已知电场（即对电容充电），如果原来晶体中心原子的位置与所施加的电场方向使中心原子要达到的位置相同，中心原子不会移动；若相反，则中心原子将越过晶体中间层的高能阶到达另一位置，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（确定且已知）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”。无论是２Ｔ２Ｃ还是１Ｔ１Ｃ的ＦＲＡＭ，对存储单元进行读操作时，数据位状态可能改变而参考位则不会改变（这是因为读操作施加的电场方向与原参考位中原子的位置相同）。由于读操作可

能导致存储单元状态的改变，需要电路自动恢复其内容，所以每个读操作后面还伴随一个“预充”（ｐｒｅｃｈａｒｇｅ）过程来对数据位恢复，而参考位则不用恢复。晶体原子状态的切换时间小于１ｎｓ，读操作的时间小于７０ｎｓ，加上“预充”时间６０ｎｓ，一个完整的读操作时间约为１３０ｎｓ。写操作和读操作十分类似，只要施加所要的方向的电场改变铁电晶体的状态就可以了，而无需进行恢复。但是写操作仍要保留一个“预充”时间，所以总的时间与读操作相同。ＦＲＡＭ的写操作与其它非易失性存储器

的写操作相比，速度要快得多，而且功耗小。２．３ＦＲＡＭ的读写时序在ＦＲＡＭ读操作后必须有个“预充电”过程，来恢复数据位。增加预充电时间后，ＦＲＡＭ一个完整的读操作周期为１３０ｎｓ，如图３（ａ）所示。这是与ＳＲＡＭ和Ｅ２ＰＲＯＭ不同的地方。图３（ｂ）为写时序。３ＦＲＡＭ与其它存储技术比较目前Ｒａｍｔｒｏｎ公司的ＦＲＡＭ主要包括两大类：串行ＦＲＡＭ和并行ＦＲＡＭ。其中串行ＦＲＡＭ又分ＩＣ两线方式的ＦＭ２４××系列和ＳＰＩ三线方式的ＦＭ２５ｘｘ系列。串行ＦＲＡＭ与传统的２４ｘｘ、２５ｘｘ型的Ｅ２ＰＲＯＭ引脚及时序兼容，可以直接替换，如Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ、Ｘｉｃｏｒ公司的同型号产品；但各项性能要好得多，性能比较如表１所列（１６Ｋｂ存储器，访问速度４００ｋＨｚ）。并行ＦＲＡＭ价格较高但速度快，由于存在“预充”问题，在时序上有所不同，不能和传统的ＳＲＡＭ直接替换。

ＦＲＡＭ产品具有ＲＡＭ和ＲＯＭ优点，读写速度快并可以像非易失性存储器一样使用。因铁电晶体的固有缺点，访问次数是有限的，超出了限度，ＦＲＡＭ就不再具有非易失性。Ｒａｍｔｒｏｎ给出的最大访问次数是１００亿次（１０１０），但是并不是说在超过这个次数之后，ＦＲＡＭ就会

报废，而是它仅仅没有了非易失性，但它仍可像普通ＲＡＭ一样使用。

（１）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。但是决定使用

ＦＲＡＭ之前，必须确定系统中一旦超出对ＦＲＡＭ的１００

亿次访问之后绝对不会有危险。

（２）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。假设设计中需要大约３ＫＢ的ＳＲＡＭ，还要几百个字

节用来保存启动代码的Ｅ２ＰＲＯＭ配置。

（ｂ）　写时序

（ａ）　读时序图３ ＦＲＡＭ读／写时序

表１ 串行ＦＲＡＭ和Ｅ２ＰＲＯＭ性能比较　

供应商 型号 静态电流 /μA 写入电流/mA

(@100kHz) 写入 次数 位元写入 时间/ms 整个芯片

写满时间/s

Ramtron FM24C16 10 0.15 1010

0.072 0.047

Atmel AT24C16 18 3 106 10 1.3

ST ST24C16 300 2 106 10 1.3 Microchip 24AA16 100 3 106 10 1.3

Xicor X24C16 150 3 106 10 1.3