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![铁电存储器 [自动保存的]](https://img.taocdn.com/s1/m/11a7c8076529647d2628523c.png)
完美的铁电存储器一. Fujitsu铁电存储器(FRAM) 技术原理日本Fujitsu公司是全球最大的铁电存储器(FRAM)供货商，至2010年12月31日，全球已经累计出货17亿颗铁电存储器！Fujitsu公司铁电存储器(FRAM)的核心技术是铁晶体管材料，这一特殊材料使得铁电存储产品同时拥有随机存取内存(RAM) 和非挥发性存贮产品(ROM)的特性。
铁晶体管材料的工作原理是：当我们把电场加载到铁晶体管材料上，晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动，到达稳定状态，晶阵中的每个自由浮动的中心原子只有两个稳定状态，一个我们拿来记忆逻辑中的０、另一个记亿１，中心原子能在常温，没有电场的情况下停留在此状态达一百年以上。
铁电存储器不需要定时刷新，能在断电情况下保存资料。
二、Fujitsu铁电存储器(FRAM) 技术优点传统半导体内存有两大体系：挥发性内存(Volatile Memory)，和非挥发性内存(Non-volatile Memory)。
挥发性内存如SRAM和DRAM 在没有电源的情况下都不能保存资料，但这种内存拥有高性能、易用等优点。
非挥发性内存像 EPROM、 EEPROM和 FLASH 能在断电后仍保存资料，但由于所有这些内存均起源自只读存储器 (ROM) 技术，所以您不难想象得到它们都有不易写入的缺点，确切的来说，这些缺点包括写入缓慢、有限次写入次数、写入时需要特大功耗等等。
FRAM第一个最明显的优点是FRAM可跟随总线(Bus Speed)速度写入，若比较起 EEPROM/Flash的最大不同的是 FRAM在写入后无须任何等待时间(NoDelayTM Write)，而 EEPROM/Flash须要等 3~10毫秒 (mS) 才能写进下一笔资料。
铁电存储器(FRAM)的第二大优点是近乎无限次读写。
当 EEPROM/Flash只能应付十万次 (10的5次方)至一百万次写入时，新一代的铁电存储器(FRAM)已达到一百亿个亿次(10的 10次方)的写入寿命。
ÿÿÿÿÿÿÿÿ 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。
２．１ＦＲＡＭ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。
FRAM技术Faler整理 2007-4-2FRAM的工作原理FRAM技术的核心是将微小的铁电晶体集成进电容内，使到FRAM产品能够象快速的非易失性RAM那样工作。
通过施加电场，铁电晶体的电极化在两个稳定状态之间变换。
内部电路将这种电极化的方向感知为高或低的逻辑状态。
每个方向都是稳定的，即使在电场撤除后仍然保持不变，因此能将数据保存在存储器中而无需定期更新。
相对于其它类型的半导体技术而言，铁电存储器具有一些独一无二的特性。
传统的主流半导体存储器可以分为两类--易失性和非易失性。
易失性的存储器包括静态存储器SRAM(static random access memory)和动态存储器DRAM(dynamic random access memory)。
SRAM和DRAM在掉电的时候均会失去保存的数据。
RAM 类型的存储器易于使用、性能好，可是它们同样会在掉电的情况下会失去所保存的数据。
非易失性存储器在掉电的情况下并不会丢失所存储的数据。
然而所有的主流的非易失性存储器均源自于只读存储器(ROM)技术。
所有由ROM技术研发出的存储器则都具有写入信息困难的特点。
这些技术包括有EPROM(几乎已经废止)、EEPROM和Flash。
这些存储器不仅写入速度慢，而且只能有限次的擦写，写入时功耗大。
铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。
铁电存储器在这两类存储类型间搭起了一座跨越沟壑的桥梁--一种非易失性的RAM。
当一个电场被加到铁电晶体时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。
当原子移动时，它通过一个能量壁垒，从而引起电荷击穿。
内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。
移去电场后，中心原子保持不动，存储器的状态也得以保存。
铁电存储器不需要定时更新，掉电后数据能够继续保存，速度快而且不容易写坏。
铁电存储器技术和标准的CMOS制造工艺相兼容。
铁电薄膜被放置于CMOS 基层之上，并置于两电极之间，使用金属互连并钝化后完成铁电制造过程。
铁电存储器FM24C16原理及其综合应用Ramtron铁电存储器FRAM1、铁电存储器技术原理、特性及应用美国Ramtron公司铁电存储器(FRAM)的核心技术是铁电晶体材料。
这一特殊材料使铁电存储器同时拥有随机存取记忆体(RAM)和非易失性存储器的特性。
铁电晶体的工作原理是：当在铁电晶体材料上加入电场，晶体中的中心原子会沿着电场方向运动，达到稳定状态。
晶体中的每个自由浮动的中心原子只有2个稳定状态，一个记为逻辑中的0，另一个记为1。
中心原子能在常温、没有电场的情况下，停留在此状态达100年以上。
铁电存储器不需要定时刷新，能在断电情况下保存数据。
由于整个物理过程中没有任何原子碰撞，铁电存储器有高速读写、超低功耗和无限次写入等特性。
铁电存储器和E2PROM比较起来，主要有以下优点：(1)FRAM可以以总线速度写入数据，而且在写入后不需要任何延时等待，而E2PROM在写入后一般要5～10ms的等待数据写入时间；(2)FRAM有近乎无限次写入寿命。
一般E2PROM的寿命在十万到一百万次写人时，而新一代的铁电存储器已经达到一亿个亿次的写入寿命。
(3)E2PROM的慢速和大电流写入使其需要高出FRAM 2 500倍的能量去写入每个字节。
由于FRAM有以上优点，其特别适合于那些对数据采集、写入时间要求很高的场合，而不会出现数据丢失，其可靠的存储能力也让我们可以放心的把一些重要资料存储于其中，其近乎无限次写入的使用寿命，使得他很适合担当重要系统里的暂存记忆体，用来在于系统之间传输各种数据，供各个子系统频繁读写。
从FRAM问世以来，凭借其各种优点，已经被广泛应用于仪器仪表、航空航天、工业控制系统、网络设备、自动取款机等。
在设计的碳控仪系统中，由于对控制碳势适时性的要求较高，而且系统由2个子系统构成，每个子系统都要频繁读写存储器，所以我们把原来的X25045换成FM24C16以满足要求。
2 FM24C16引脚说明及工作过程FM24C16-P(8脚双列直插)外形图及引脚定义如图1及表1所示。
Ramtron推出首款2兆位串行F-RAM存储器FM25H20类别：新品推荐发布时间：2008-4-17 阅读：879Ramtron推出首款2兆位串行F-RAM存储器，采用8脚TDFN (5.0 x 6.0 mm) 封装。
FM25H20采用先进的130纳米CMOS工艺生产，是高密度的非易失性F-RAM存储器，以低功耗操作，并备有高速串行外设接口(SPI)。
该3V、2Mb串行F-RAM器件以最大的总线速度写入，具有几乎无限的耐用性，通过微型封装提供更大的数据采集能力，使系统设计人员能够在计量和打印机等高级应用中减少成本和板卡空间。
FM25H20是串行闪存的理想替代产品，用于要求低功耗和最小板卡空间的精密电子系统中，包括便携式医疗设备如助听器等，它们实际上是微型数据处理器，但受到空间有限及功耗低的限制。
与闪存相比，F-RAM的优势包括大幅降低工作电流、写入速度更快、写入耐用性更比闪存高出多个数量级。
Ramtron 战略市场拓展经理Duncan Bennett 解释道：“对于那些需要在其新一代应用中提高数据采集能力，却不增加板卡空间的计量和打印机客户而言，这款2Mb 串行F-RAM 是自然的产品延伸。
FM25H20以相同的小占位面积，为半兆位串行F-RAM 客户提供高达四倍的存储能力。
除提升现有系统外，这种技术发展还推动F-RAM 进入多个需要低功耗存储器而空间严重受限的新兴市场，如便携式医疗设备。
”FM25H20是256K x 8位非易失性存储器，以高达40MHz的总线速度进行读写操作，具有几乎无限的耐用性、10年的数据保存能力，以及低工作电流。
该器件设有工业标准SPI接口，优化了F-RAM的高速写入能力。
FM25H20还备有软件和硬件写保护功能，能避免意外的写入与数据损坏。
该2Mb串行F-RAM以低功耗工作，在40MHz下读/写操作的耗电低于10mA，待机状态下耗电为80μA (典型值)，超低电流睡眠模式下耗电为3μA (典型值)。
FRAM 铁电存贮器技术原理美国Ramtron公司铁电存贮器（FRAM）的核心技术是铁电晶体材料．这一特殊材料使得铁电存贮产品同时拥有随机存取记忆体(RAM) 和非易失性存贮产品的特性．铁电晶体材料的工作原理是: 当我们把电场加载到铁电晶体材料上，晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动，到达稳定状态．晶阵中的每个自由浮动的中心原子只有两个稳定状态．一个我们拿来记亿逻辑中的０，另一个记亿１．中心原子能在常温，没有电场的情况下停留在此状态达一百年以上．铁电记忆体不需要定时刷新，能在断电情况下保存数据．由于在整个物理过程中没有任何原子碰撞，铁电记忆体 (FRAM)拥有高速读写，超低功耗，和无限次写入等超级特性．存贮器的基础知识传统半导体记忆体有两大体系：易失性记忆体待(volatile memory), 和非易失性记忆体 (non-volatile memory).易失性记忆体像SRAM和DRAM 在没有电源的情况下都不能保存数据．但这种存贮器拥有高性能，易用等优点．非易失性记忆体像EPROM, EEPROM和 FLASH 能在断电后仍保存资料．但由于所有这些记忆体均起源自唯读存贮器 (ROM) 技术, 所以您不难想象得到它们都有不易写入的缺点．确切的来说，这些缺点包括写入缓慢，有限写入次数，写入时需要特大功耗等等．我们可以做一个简单的比较：图一是16K比特铁电存贮器（FRAM）的性能和16K比特EEPROM 的比较. FRAM第一个最明显的优点是FRAM可以跟随总线速度写入. 比较起EEPROM的最大不同的是FRAM在写入后无须任何等待时间.而EEPROM要等几毫秒 (mS) 才能写进下一笔资料.铁电存贮器（FRAM)的第二大优点是近乎无限次写入.当EEPROM只能应付十万 (10的5次方) 至一百万次写入时, 新一代的铁电存贮器（FRAM) 已达到一亿个亿次 (10的16次方) 的写入寿命.铁电存贮器（FRAM)的第三大优点是超低功耗. EEPROM的慢速和高电流写入令它需要高出FRAM 2,500倍的能量去写入每个字节 (见下图).铁电存贮器（FRAM）含盖RAM技术的优点，又同时拥有ROM技术的非易失性特点．铁电存贮器（FRAM）为业界提供了一个崭新的存贮器产品:一个非易失性的RAM．FRAM铁电存贮器的应用我们向来用EEPROM 来存储设置资料和启动程式，用SRAM 来暂存系统或运算变数．如果掉电后这些数据仍需保留的话，我们会通过加上后备电池的方法去实现．很久以来我们没有检验这种记忆体架构的合理性．铁电存贮器（FRAM）的出现为大家提供了一个简洁而高性能的一体化存贮技术．１．数据采集和记录铁电存贮器（FRAM) 的出现使工程师可以运用非易失性的特点进行多次, 高速写入. 在这以前, 在只有EEPROM的情况下, 大量数据采集和记录对工程师来说是一件非常头疼的事.数据采集包括记录和贮存数据. 更重要的是能在失去电源的情况下,不丢失任何资料. 在数据采集的过程中, 数据需要不断高速写入,对旧资料进行更新. EEPROM的写入寿命和速度往往不能满足要求.典型应用包括: 仪表(电力表, 水表, 煤气表, 暖气表, 记程车表), 测量, 医疗仪表, 非接触式聪明卡(RFID), 门禁系统, 汽车记录仪(了解汽车事故的黑匣子)…２．存储配置参数以往在只有EEPROM的情况下, 由于写入次数限制, 工程师们只能在侦测到掉电的时候,才把更新了的配置参数及时地存进EEPROM里. 这种做法很明显地存在着可靠性的问题. 铁电存贮器（FRAM)的推出使工程师可以有更大的发挥空间去选择实时记录最新的配置参数. 免去是否能在掉电时及时写入的忧虑.典型应用包括: 电话里的电子电话簿, 影印机,打印机, 工业控制, 机顶盒 (Set-Top-Box), 网络设备, TFT 屏显, 游戏机,自动贩卖机….３．非易失性缓冲记忆铁电存贮器（FRAM)无限次快速擦写令这种产品十分适合担当重要系统里的暂存记忆体.在一些重要系统里, 往往需要把资料从一个子系统非实时地传到另一个子系统去. 由于资料的重要性, 缓冲区内的数据在掉电时不能丢失. 以往, 工程师们只能通过SRAM加后备电池的方法去实现.虽然知道这种方法隐藏着电池耗乾, 化学液体泄出等安全, 可靠性问题. 铁电存贮器（FRAM) 的出现为业界提供了一个高可靠性, 但低成本的方案.典型应用包括: 银行自动提款机 (ATM), 税控机, 商业结算系统 (POS), 传真机…４．SRAM的取代和扩展铁电存贮器（FRAM) 无限次快速擦写和非易失性的特点,令系统工程师可以把现在在线路板上分离的SRAM和EEPROM器件整合到一个铁电存贮器（FRAM)里. 为整个系统节省功耗, 成本, 空间.同时增加了整个系统的可靠性.典型应用包括: 用铁电存贮器（FRAM) 加一个便宜的单片机(microcontroller) 来取代一个较贵的SRAM嵌入式单片机和外围EEPROM.RAMTRON FRAM铁电存贮器产品Ramtron 串行 (serial) 非易失性RAM尊循标准工业接口．2-wire产品为单片机 (microcontroller) 配选最少的接线．SPI产品需要多一至两个接线，但具有高速和通讯协议简单的优点．Ramtron 并行 (parallel) 非易失性RAM与标准SRAM管脚兼容．并行FRAM对SRAM加后备电池方案做出了一大改进．系统工程师再不需要担心电池干涸，和在系统里加上笨拙的机械置．FRAM 的封装就象SRAM一样有简单的贴片封装 (SOIC) 或插脚封装 (DIP) －而您也该是时候把电池仍掉了!RAMTRON 公司和铁电存贮器产品的发展方向Ramtron公司成立于1984年. 总部设在美国科罗拉多州的Colorado Springs市. 公司于1992年在美国纳斯达克上市．Ramtron是当今领先的铁电存贮器技术和产品供应商．世界上决大部分重要的半导体存贮器制造商都向Ramtron申请授权专利来做铁电存贮器的研究. 他们包括日本的Toshiba, Hitachi, Fujistu, Rohm, Asahi,韩国的Samsung, 和德国的Infineon.在未来的几年里, Ramtron 会继续努力不断降低成本.令外, 将在明年上半年推出兆级 (Mbit) 密度的铁电体. 大密度的铁电体 (FRAM)将来会取代各类记亿体,成为真正的超级存贮器”.。
Sept. 2007
Ramtron International Corporation
1850 Ramtron Drive, Colorado Springs, CO 80921
(800) 545-FRAM, (719) 481-7000, Fax (719) 481-7058
F-RAM Technology Brief
Overview
Established semiconductor memory technologies are divided into two categories: 1. RAMs are Random Access Memories, which simply means that the access time for reads and writes are symmetric.
2. Nonvolatile memories have traditionally been ROM (Read Only Memory) until the advent of floating gate technology, which produced electrically erasable memories such as Flash and EEPROM. These products allow for in-system programming but read and write access times are dissimilar. In fact, the write access times can be several orders of magnitude greater than the read access times.
Ferroelectric Random Access Memory or F-RAM has attributes that make it the ideal nonvolatile memory. It is a true nonvolatile RAM. The write advantages and non-volatility make it quite suitable for storing data in the absence of power.
Ferroelectric Property
The ferroelectric property is a phenomena observed in a class of materials known as Perovskites. Figure 1 shows a Perovskite crystal. The atom in the center has two equal and stable low energy states. These states determine the position of the atom. If a field is applied in the proper plane, the atom will move in the direction of the field.
Applying an electric field across the crystal causes the low energy state or position to be in the direction of the field and, conversely, the high energy state in the opposite position. The applied field will, therefore, cause the atom to move from the high energy state to the low energy state. This transition produces energy in the form of charge generally referred to as switch charge (Qs). Therefore, applying an alternating electric field across the crystal will cause the atom to move from the top of the crystal to the bottom and back again. Each transition will produce charge, Qs.
Figure 1. Ferroelectric (Perovskite) Crystal
A common misconception is that ferroelectric crystals are ferromagnetic or have similar properties. The term “ferroelectric” refers to similarity of the graph of charge plotted as a function of voltage
(Figure 2) to the hysteresis loop (BH curve) of ferromagnetic materials. Ferroelectric materials switch in an electric field and are not affected by
The ferroelectric material has two states, the atom at the top, which is referred to as up polarization, and the atom at the bottom, which is referred to as down polarization (Figure 3). Therefore, with a viable sensing scheme a binary memory can be produced.
Figure 3. Crystal Polarization
Figure 4. Ferroelectric Capacitor Polarization The ferroelectric capacitor symbol indicates that the capacitance is variable and is not a traditional linear capacitor. If a ferroelectric capacitor is not switched when an electric field is applied (no change in polarization), it behaves like a linear capacitor. If it is switched, there is an additional charge induced, Figure 5. F-RAM Memory Cell B)
Figure 6. Memory Cell Access Sequence Figure 6 shows the switched case. Had the polarization been up in this sequence, the capacitor would not switch and there would be no additional charge induced. The charge induced in the switched capacitor is at least two times greater than the charge available in the unswitched capacitor (Qu).。
