铁电存储器

铁电存储器（FRAM，ferroelectric RAM）是一种随机存取存储器，它将动态随机存取存储器（DRAM）的快速读取和写入访问——它是个人电脑存储中最常用的类型——与在电源关掉后保留数据能力（就像其他稳定的存储设备一样，如只读存储器和闪存）结合起来。

简介铁电存储器（FRAM，ferroelectric RAM）是一种随机存取存储器，它将动态随机存取存储器（DRAM）的快速读取和写入访问——它是个人电脑存储中最常用的类型——与在电源关掉后保留数据能力（就像其他稳定的存储设备一样，如只读存储器和闪存）结合起来。由于铁电存储器不像动态随机存取存储器（DRAM）和静态随机存取存储器（SRAM）一样密集（即在同样的空间中不能存储像它们一样多的数据），它很可能不能取代这些技术。然而，由于它能在非常低的电能需求下快速地存储，它有望在消费者的小型设备中得到广泛地应用，比如个人数字助理（PDA）、手机、功率表、智能卡以及安全系统。铁电存储器（FRAM）比闪存更快。在一些应用上，它也有可能替代电可擦除只读存储器（EEPROM）和静态随机存取存储器（SRAM），并成为未来的无线产品的关键元件1。

简史铁电存储技术早在1921年提出，直到1993年美国Ramtron国际公司成功开发出第一个4K位的铁电存储器FRAM产品，所有的FRAM产品均由Ramtron公司制造或授权。FRAM有新的发展，采用了0.35 um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256K位。

技术特点首先要说明的是铁电存储器和浮动栅存储器的技术差异。现有闪存和EEPROM都是采用浮动栅技术，浮动栅存储单元包含一个电隔离门，浮动栅位于标准控制栅的下面及通道层的上面。浮动栅是由一个导电材料，通常是多芯片硅层形成的 (如图2所示)。浮动栅存储单元的信息存储是通过保存浮动栅内的电荷而完成的。利用改变浮动栅存储单元的电压就能达到电荷添加或擦除的动作，从而确定存储单元是在 ”1”或“0” 的状态。但是浮动栅技术需使用电荷泵来产生高电压，迫使电流通过栅氧化层而达到擦除的功能，因此需要5-10ms的擦写延迟。高写入功率和长期的写操作会破坏浮动栅存储单元，从而造成有限的擦写存储次数（例如：闪存约十万次，而EEPROM则约1百万次)。

铁电存储器是一种特殊工艺的非易失性的存储器，是采用人工合成的铅锆钛(PZT) 材料形成存储器结晶体，如图3所示。当一个电场被施加到铁晶体管时，中心原子顺着电场停在低能量状态I位置，反之，当电场反转被施加到同一铁晶体管时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动并停在另一低能量状态II。大量中心原子在晶体单胞中移动耦合形成铁电畴，铁电畴在电场作用下形成极化电荷。铁电畴在电场下反转所形成的极化电荷较高，铁电畴在电场下无反转所形成的极化电荷较低，这种铁电材料的二元稳定状态使得铁电可以作为存储器2。

特别是当移去电场后，中心原子处于低能量状态保持不动，存储器的状态也得以保存不会消失，因此可利用铁电畴在电场下反转形成高极化电荷，或无反转形成低极化电荷来判别存储单元是在 ”1”或 “0” 状态。铁电畴的反转不需要高电场，仅用一般的工作电压就可以改变存储单元是在 ”1”或 “0” 的状态；也不需要电荷泵来产生高电压数据擦除，因而没有擦写延迟的现象。这种特性使铁电存储器在掉电后仍能够继续保存数据，写入速度快且具有无限次写入寿命，不容易写坏。所以，与闪存和EEPROM 等较早期的非易失性内存技术比较，铁电存储器具有更高的写入速度和更长的读写寿命。

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。

存储结构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每个存储单元使用两个场效应管和两个电容，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。

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），如果原来晶体的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，则中心原子不会移动；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，则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。

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。

技术比较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I2C两线方式的FM24 系列和SPI三线方式的FM25 系列。串行FRAM与传统的24 、25 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所示。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100万次，比flash寿命长10倍，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100万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3K字节的SRAM，还要几百个字节用来保存启动代码的E2PROM配置。

非易失性的FRAM可以保存启动程序和配置信息。如果应用中所有存储器的最大访问速度是70ns，那么可以使用一片FRAM完成这个系统，使系统结构更加简单。

3、FRAM与DRAM

DRAM适用于那些密度和价格比速度更重要的场合。例如DRAM是图形显示存储器的最佳选择，有大量的像素需要存储，而恢复时间并不是很重要。如果不需要下次开机时保存上次内容，使用易失性的DRAM存储器就可以。DRAM的作用与成本是FRAM无法比拟的，事实证明，DRAM不是FRAM所能取代的。

4、FRAM与Flash

最常用的程序存储器是Flash，它使用十分方便而且越来越便宜。程序存储器必须是非易失性的并且要相对低廉，且比较容易改写，而使用FRAM会受访问次数的限制，多次读取之后会失去其非易失性1。

充电信号在大多数的8051系统中，对存储器的片选信号通常允许在多个读写访问操作时保持为低。但这对FM1808不适用，必须在每次访问时由硬件产生一个正跳变。标准8051核的一个机器周期包括12个时钟周期，ALE信号在每个机器周期中两次有效，除了对外部数据存储器访问时仅有效一次。8051对外部存储器的读或写操作需要两个机器周期。快速型8051如DS87C520或W77E58的一个机器周期仅需4 个时钟周期，而在一些新的如PHILIPS的8051中一个机器周期为6个时钟周期，而在任何一个机器周期中ALE信号都两次有效。尽管有这些不同，仍可以用ALE信号和地址片选来产生可用作FRAM访问CE的信号。要保证对FM1808的正确访问，必须注意两点：

第一，访问时间必须大于70 ns（即FRAM的访问时间）；

第二，ALE的高电平宽度必须大于60 ns。

对于标准的8051/52ALE信号的宽度因不同厂家略有不同，一些快速的8051/52系列如DALLAS的DS87C520，WINBOND的W77E58则更窄一些。

要实现对FM1808的正常操作，对于标准8051/52来说主频不能高于20MHZ，而对于高速型的8051/52主频不应高于23MHz。

接口电路FM1808与8051接口电路使用8051的ALE信号和由地址产生的片选信号相“或”来产生CE的正跳变。两片32K 8的FRAM存储器，A15与ALE通过74FC32相"或"作为U2的片选，取反后作为U3的片选。所以，U2的地址为0~7FFFH，U3的地址为8000H~FFFFH。8051的RD信号与PSEN信号相“与”后作为U3的输出允许，所以U3作为程序或数据存储器使用。当J1跳接块在右边时，U2与U3用法相同，而J1跳接在左边时，U2仅作为程序存储器。要保证代码不会意外地被改写，仅需断开J2即可。FM1808与8051/52的接口电路(略) 需要注意的是，由于逻辑门电路都有6~8ns的延时时间，在主频较高时应使用快速型逻辑芯片（F系列）。

结束语总之，FRAM产品提供了可使用的存储器的一种新选择，在原来使用E2PROM的应用中表现会更出色，为某些原来认为需要使用SRAM和E2PROM的应用系统找到一种新的途径。铁电已经解决了最大访问次数的限制，已可成为所有的嵌入式和通用式存储器3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学