铁电随机存取存储器，FRAM单元结构，应用

铁电随机存取存储器，即FeRAM或FRAM，是一种高性能的非易失性存储器。它类似于DRAM(动态内存)，并提供超过1万亿(10¹³)读写循环。本文将介绍铁电随机存储器(FRAM)的工作原理、单元结构、应用及优缺点。

什么是铁电随机存储器(FRAM)

铁电随机存取存储器(FeRAM或FRAM)是一种理想的非易失性存储器，它兼有动态RAM和ROM的优点。这种类型的存储器功耗更低，速度快许多倍，可提供超过1万亿(1013)个读/写周期。即使电源被移除，存储在FRAM存储器中的数据也不会丢失。FRAM不受磁场的影响，因为芯片中没有黑色材料(铁)。

图1 -铁电随机存储器(FRAM)简介

该存储单元由一个Ferro电容器和一个MOS晶体管组成，通过对电容器施加电场来读取数据。如果外部场从FRAM中移除，它将保持极化。这被称为残余极化，它是非线性极化。因此，铁电随机存取存储器是非易失性的。

铁电随机存取存储器(FRAM)是如何工作的

为了了解Ferro电随机存储器(FRAM)的工作原理，我们先来了解Ferro电晶体，如图所示。2.

图2 -铁电晶体结构

铁电晶体由离子晶体组成，结构呈立方状，钡离子在立方角，氧离子在面中心，钛离子在体中心。只要在晶体表面施加电场，原子就会沿着给定电场的方向移动。而反转磁场会使原子向相反的方向移动。晶体顶部和底部的原子位置被认为是稳定的。

中心原子沿外加电场的方向运动。当原子通过晶体中的能量势垒位移时，就会产生电流脉冲，内部电路会感应到这个尖峰并设置内存。如果电场从晶体中移除，中心原子保持静止，从而保留存储器的状态。

铁电随机存储器(FRAM)的工作原理

铁电随机存储器的工作原理包括两个功能:

• 读操作
• 写操作

铁电随机存储器(FRAM)中的读操作

当电场施加在电容器上时，移动原子将在电场的方向上在晶体上移位，从而产生电流脉冲。传感放大器检测脉冲表示存储的数据为' 0 '或' 1 '。由于“读”操作内存涉及状态变化，电路将自动恢复内存状态，因为每次读访问都伴随着恢复内存状态的预充电操作。

虽然“读”操作会破坏存储在电容器中的数据，但它会被感知放大器在70 ns以下写回，类似于DRAM。

图3 - FRAM模块

铁电随机存储器(FRAM)的写操作

与读操作类似，预充操作在写访问之后进行。

该电路将“写入”数据应用于铁电电容器。如果有必要，新的数据可以简单地转换铁电晶体的状态。

写操作包括两个步骤:

• 写作' 1 '进入记忆细胞
• 写作' 0 '进入记忆细胞

写作' 1 '进入记忆细胞

初始位线与源电压施加如图4所示。这允许全电压横跨费罗电电容器。板使能被脉冲，字线保持激活，直到位线被驱动回' 0 '，板使能被完全拉下。电容器的最终状态是负的。

写作' 0 '进入记忆细胞

在此操作中，位线在激活字线之前被驱动到' 0'V。接下来是Word Line保持激活，Plate Enable完全下拉，这类似于写“1”。即使晶体管处于“关闭”状态，数据仍然保留在电池中，因此它是非易失性的。

图4 - FRAM记忆单元结构

铁电随机存储器的应用

铁电随机存储器的应用有:

• 它被用于工业微控制器。
• 它们也用于射频识别。
• 适用于电子计量、医疗器械等行业。
• FRAM存储器也用于航天器。

铁电随机存储器的优点

铁电随机存储器的优点是:

• 作为内存的数据保留是非易失性的。
• 功耗低。
• 在低电压下工作。

铁电随机存储器(FRAM)的缺点

铁电随机存取存储器(FRAM)的缺点是:

• 成本很高。
• 与DRAM和SRAM相比，密度较小。

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