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铁电存储器原理及应用比较

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要: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FPGA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。

    关键词:铁电存储器 FRAM原理 8051 存储技术

1 背景

铁电存储技术最在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,最大密度可在256Kb。

2 FRAM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,(范文先生网www.fwsir.com收集整理)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。

2.1 FRAM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。

2.2 FRAM的读/写操作

FRAM保存数据不是通过电容上的电荷,而是由存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类峰。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。

图2

    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。

2.3 FRAM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。

3 FRAM与其它存

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