FeRAM的特点、原理及基本操作

FeRAM是一种兼具非易失性存储器的特性以及易失性存储器优点的存储器。除断电后数据不会丢失的非易失性外，还具备高重写耐久性和高速写入的特点。本文将详细解说FeRAM的特点、原理及基本操作。

FeRAM的特点

FeRAM（Ferroelectric Random Access Memory）是一种兼具非易失性存储器的特点以及易失性存储器优点的存储器。它具备非易失性存储器的特点，如断电后数据不会丢失（非易失性）和低功耗；同时也具备易失性存储器的优点，如数据重写次数多（高重写耐久性）和高速写入。因此FeRAM可谓融合了以上四大优点的存储器。表1显示了FeRAM与其他存储器产品的特性对比。FeRAM使用铁电材料作为存储元件，并通过相关工艺技术的发展，实现了100万亿次的高重写耐久性以及可耐受125℃高温的特性。

表1. 存储器特性比较

FeRAM的原理

FeRAM采用了一种叫做PZT（锆钛酸铅）的铁电材料。图1显示了PZT的晶体结构。PZT晶体的一个重要特性是：施加电压后 ，晶体内部的Zr和Ti原子会发生上下位移，产生极化现象。即使停止施加电压，这种极化状态仍会保持。因此，原子会在两个稳定点之间切换，根据电场的方向原子会处于不同的稳定点。这种特性被用来表示“0”和“1”，从而实现非易失性存储。

图1. PZT（锆钛酸铅）晶体结构

图2显示了PZT晶体的极化量与电压的关系图。可以看到，极化量呈现迟滞特性，当电压为0V时，晶体存在两个稳定的极化状态，分别对应“0”和“1”两种数据状态。Zr/Ti原子在晶体内部的上下移动对物理的损伤较小，因此成为具有高重写耐受性的存储元件。此外，在写入数据时，无论之前的稳定点状态是“0”还是“1”，只需改变电场的方向即可切换至下一个稳定点（“0”或“1”数据），在特性比较表中记述为“覆写”。

图2.PZT晶体的极化量与电压的关系图（迟滞特性）

FeRAM的存储单元结构

FeRAM的存储单元结构有两种类型：一种是由2个晶体管和2个铁电体电容器组成的2T2C型（图3），另一种是由1个晶体管和1个铁电体电容器组成的1T1C型（图4）。铁电体电容器是指由导电体（上电极和下电极）夹住铁电材料的电容器，导电体分别连接位线（BL）和板线（PL）（图5）。

图3. 2T2C型存储单元结构　　　图4. 1T1C型存储单元结构　　图5. 铁电体电容器

2T2C型FeRAM将实际存储单元（真实单元）和参考单元相邻配置，并通过电路设计使参考单元始终保持与实际单元相反的数据。通过比较实际单元的位线电压（BL）和参考单元的位线电压（BLb），来判断”1″和“0”数据。如BL大于BLb，则判定为“1”，反之则为“0”。由于采用了两个铁电体电容相辅设计可维持数据的稳定，因此被广泛应用于对可靠性要求较高的汽车电子等领域。

1T1C型FeRAM通过将真实单元的位线电压（BL）与另一单独电路产生的参考电压进行比较来判断数据。如参考电压大于BL，则判定为“1”，反之则为“0”。由于单个存储单元的面积仅为2T2C型的一半，因此更适合用于大容量产品。

FeRAM的基本操作

图6显示了内存单元的读取(Read)操作。将连接到铁电体电容位线（BL）的电极设置为低电平，并将连接到板线（PL）的电极电压从低电平加至高电平（BL=L，PL=L→H），以此实现读取操作。当PL的电压从低变高时，存储在铁电体中的电荷会被释放。而由于存储“0”或“1”数据的稳定点释放的电荷量Q会有所不同，通过测量电荷量的差异来判断“0”和“1”数据。而电路上电荷量的差异又会引起位线电压的差异，通过感知放大器将这种电压差激活放大后可以数据形式输出。

图6. 存储单元的读取操作（迟滞特性的变化）

图7和图8显示内存单元的写入(Write)操作。
写入数据“0”：将连接到铁电体电容的位线（BL）的电极设置为低电平，并将连接到板线（PL）的电极设置为高电平（BL=L，PL=H），即可写入数据“0”。写入完成后，将板线设置为低电平，进入待机状态，从而保持数据“0”。
写入数据“1”：将位线设置为高电平，将板线设置为低电平（BL=H，PL=L），即可写入数据“1”。写入完成后，将位线设置为低电平，进入待机状态，从而保持数据“1”。

图7. 存储单元的写入操作（迟滞特性的变化）：数据为“0”时

图8. 存储单元的写入操作（迟滞特性的变化）：数据为“1”时