您好, 欢迎来到化工仪器网
最新产品
暂无信息 |
比较全面的铁电随机存取记忆体技术说明！
阅读：1505 发布时间：2012-10-13
铁电随机存取记忆体（FRAM）
铁电随机存取记忆体（FRAM：Ferroelectric RAM）是由美国Ramtron公司首先提出的结构，早期也有日本Panasonic公司推出16MB的产品，韩国Sumsang公司推出16KB的产品，目前这种记忆体的容量都已经增加到256MB以上，已经具有实用价值。在开始介绍FRAM的构造与原理之前，我们先介绍几个基本的名词与观念。
铁电效应（Ferroelectric effect）
某些材料的晶体结构在不外加电场的情况下，就具有天然的“电偶极矩（Electric dipole moment）”，也就是固体材料的一端带正电而另一端带负电，如**图6-29（a）所示，这种材料称为“铁电材料（Ferroelectric materials）”，这类材料大多是陶瓷（金属氧化物），例如：钛锆酸铅（PZT：PbZrTiO3）、钽铋酸锶（SBT：SrBiTa2O9）、钛锶酸钡（BST：BaSrTiO3）等。科学家们发现，当我们外加电场，由于同性相斥、异性相吸，可以改变铁电材料的电偶极矩（极化方向），如图6-29（b）所示，这种现象称为“铁电效应（Ferroelectric effect）”。
电偶极矩（Electric dipole moment）是材料内一端带正电而另一端带负电所产生的，图6-29中箭头的方向代表材料带正电的一端，其实和前面介绍极化光时提到的“极化方向（Polarized direction）”意义是相同的，别忘了，光波（电磁波）的电场方向称为极化方向。
电容（Capacitor）
“电容”是利用“电压”来储存能量的元件，储存能量的方式是储存“电能”，也就是用来暂时储存电荷（电子与电洞）的元件，电容的构造如**图6-30（a）所示。通常*使用一层绝缘材料夹在两层金属电极之间制作成电容元件。
当电容两端分别连接电池的正极与负极时，电子由负极注入电容而电洞由正极注入电容，由于电容*是绝缘体，电子与电洞注入电容后隔着绝缘体遥遥相望却无法相通，电子与电洞不断地注入以后会不断地累积在绝缘体两端，就好像是将电子与电洞“储存”在电容内一样，如图6-30（b）所示，这个动作称为“充电”。此时若将电池移去，而用金属导线将电容两端的电极连接在某一个主动元件（例如：灯泡），则原先储存在电容的电子与电洞则向外流出，如图6-30（c）所示，这个动作称为“放电”，看看图6-30中电容充电和放电的情形，不是好像一个小电池一样吗？
在积体电路（IC）中，电容是非常重要的被动元件，特别是应用在记忆体中，一般是将积体电路中微小的金属导线连接一层绝缘体，来暂时储存电荷。DRAM使用一个电晶体（CMOS）与一个电容来储存一个位元（bit）的资料（一个0或一个1），如**图6-31（a）所示，当电晶体（CMOS）不导通时没有电子流过，电容没有电荷，代表这一个位元的资料是0，如图6-31（b）所示；当电晶体（CMOS）导通时（在闸极施加正电压），电子会由源极流向汲极，电容有电荷，代表这一个位元的资料是1，为了要将这些流过来的电荷“储存起来”，因此必须使用一个微小的电容，如图6-31（c）所示，DRAM就是因为电容需要时间充电，所以速度比SRAM还慢。
介电常数（Dielectric constant） （参考资料 http://www.jiance17.com 显微镜百科）
绝缘材料的绝缘特性通常使用“介电常数（Dielectric constant）”的大小来代表，“K”就是指介电常数。
＞介电常数大（High K）的绝缘材料：代表这种绝缘材料容易吸引电子与电洞，所以适合用来制作“电容”，因为电容原本就是用来储存（吸引）电子与电洞的。
＞介电常数小（Low K）的绝缘材料：代表这种绝缘材料不容易吸引电子与电洞，所以适合用来制作积体电路（IC）内多层导线之间的“绝缘层”，这样电子才可以在多层导线之间自由流动而不会被吸住。
铁电随机存取记忆体（FRAM）的构造与工作原理
FRAM的元件构造有两大类，*类是使用MFSFET结构（金属－铁电－半导体场效电晶体：Metal Ferroelectric Semiconductor Field Effect Transistor），第二类是DRAM结构（动态随机存取记忆体：Dynamic Random Access Memory），以下将分别介绍它们的构造与工作原理：
＞MFSFET结构
在*P型矽晶圆上方成长一层铁电材料薄膜，再成长一层金属薄膜，形成“金属－铁电－半导体”的结构，如**图6-32（a）所示。当闸极施加负电压，使铁电薄膜的电偶极矩向上代表写入0；此时如果由源极通入电子，则电子无法流到汲极，造成汲极电流比较小，代表读取0，如图6-32（b）所示。当闸极施加正电压，使铁电薄膜的电偶极矩向下代表写入1；此时如果由源极通入电子，则电子可以流到汲极，造成汲极电流比较大，代表读取1，如图6-32（c）所示。
＞DRAM结构
顾名思义就是使用DRAM的结构，使用一个电晶体（CMOS）与一个电容来储存一个位元（bit）的资料，由于传统DRAM的电容都是使用“氧化矽”做为绝缘体，如**图6-33（a）所示，氧化矽的介电常数不够大（K值不够大），因此不容易吸引电子与电洞，造成必须不停地补充电子与电洞，所以称为“动态（Dynamic）”，只要电脑的电源关闭，电容所储存的电子与电洞就会流失，DRAM所储存的资料也就会流失。
FRAM是使用“钛锆酸铅（PZT）”与“钽铋酸锶（SBT）”这种介电常数很大（K值很大）的铁电材料来制作电容，如图6-33（b）所示，如此就很容易吸引电子与电洞而不会流失，不需要补充电子与电洞，就算电脑的电源关闭资料也不会流失了，不过要将钛锆酸铅（PZT）与钽铋酸锶（SBT）这种材料制作在矽晶圆上目前只能使用“溅镀法（Sputter）”，而且这种成份複杂的化合物成长薄膜的技术仍然不够成熟，所以良率较低。
铁电随机存取记忆体（FRAM）的优缺点
＞优点
1.属于“非挥发性记忆体”，电源关闭后资料仍然可以保存。
2.不需要高电压就可以存取资料，耗电量很小。
3.不需要高电压强迫电子注入浮动闸极，存取速度很快（理论上可以接近DRAM的存取速度）。
4.不需要使用旋转马达与读取头，所以很省电、耐撞击、不跳针。
＞缺点
1.必须使用CMOS或电容制作在矽晶圆上，构造比较複杂，必须经过十几道的光罩才能制作完成，所以储存每一个位元的成本比较高。
2.必须使用“钛锆酸铅（PZT）”与“钽铋酸锶（SBT）”这种很特别的材料，制程不够成熟，良率较低。
3.许多由国外公司掌握，如果支付费用，则生产成本较高，售价也较高。