Ferroelectric Random Access Memory
Als Ferroelectric Random Access Memory (FRAM oder FeRAM) bezeichnet man einen elektronischen Speichertyp auf der Basis von Kristallen mit ferroelektrischen Eigenschaften (ferroelektrische Kristalle ähneln in ihrem Verhalten Ferromagneten).
Der Aufbau entspricht dem einer DRAM-Zelle, nur wird anstelle eines "normalen" Kondensators ein "ferroelektrischer Kondensator" (FC) eingesetzt. Ferroelektrische Materialien können analog zu ferromagnetischen Materialien eine permanente Polarisation auch ohne externes Feld besitzen. Durch ein externes Feld kann diese Polarisation in eine andere Richtung "umgeschaltet" werden, worauf auch der Speicher-Mechanismus beruht.
Ein gut verstandenes Beispiel eines Ferroelektrikums ist Bariumtitanat BaTiO3. Die positiv geladenen Ti-Ionen richten sich zu einer Seite des Kristalls aus, während sich die negativ geladenen Sauerstoff-Ionen zur gegenüberliegenden Seite ausrichten, wodurch sich ein Dipolmoment und damit die permanente Polarisation des gesamten Kristalls ergibt.
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Herstellung
Auf einem Halbleiter-Wafer wird eine dünne ferroelektrische Schicht aufgebracht, die den Gate-Isolator der sonst üblichen FET-Speicherzelle ersetzt. Die Schicht besteht aus z.B. Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) oder chemisch Pb(ZrxTi1-x)O3) oder SBT (SrBi2Ta2O9). Der Speicher- und Löschvorgang wird durch eine Polarisationsänderung in der ferroelektrischen Schicht realisiert.
Schaltung
Es gibt verschiedene Schaltungsvarianten für ferroelektrische Speicher. Die gebräuchlichsten sind die 1T1C-, bzw. 2T2C-Zellen mit jeweils einem, bzw. zwei Transistoren und Kondensatoren (mit ferroelektrischem Dielektrikum). Der Transistor wird in jedem Fall zur Auswahl der zu beschreibenden Speicherzelle benötigt, da Ferroelektrika keine scharfe Umschaltspannung besitzen, sondern die Umschaltwahrscheinlichkeit mit der Stärke der Spannung und der Dauer des Spannungspulses steigt. Beschrieben werden Zellen, indem nach Auswahl der gewünschten Speicherzelle über die Word- und Bitlines die Polarisation des Ferroelektrikums durch einen Spannungspuls gesetzt wird. Gelesen werden die Speicherzellen ebenfalls über Spannungspulse, wobei die Speicherzelle mit einem definierten Zustand beschrieben wird. Je nachdem, ob sich dabei die Polarisationsrichtung umkehrt oder gleich bleibt, ergibt sich ein unterschiedlicher Verschiebungsstrom, der von einem "Sense-Amplifier" in ein entsprechendes Spannungssignal auf der Bitline umgesetzt wird. Da dieser Lesevorgang die bestehende Polarisation zerstört, muss die Zelle danach neu beschrieben werden.
Weiterhin gibt es noch 1T-Zellen, die nur aus einem ferroelektrischen Feldeffekttransistor bestehen ("FeFET"). Bei diesem ist die Gate-Elektrode mit einem ferroelektrischen Dielektrikum ersetzt (analog zum Floating-Gate beim Compact-Flash-FET). Durch die Polarisation dieses Dielektrikums wird die Strom-Spannungs-Charakteristik des Source-Drain-Übergangs beeinflusst: Je nach Polarisationsrichtung sperrt der Transistor oder schaltet auf Durchgang. Beschrieben wird der FeFET durch Anlegen einer entsprechenden Spannung zwischen Gate und Source. Ausgelesen wird der FeFET durch Messung des Stroms bei Anlegen einer Spannung zwischen Source und Drain. Der Auslesevorgang ist nicht destruktiv.
Eigenschaften
- nichtflüchtig (im Gegensatz zu DRAMs)
- kompatibel zu den gängigen EEPROMs
- Daten bleiben über 10 Jahre erhalten, auch bei starken Temperaturschwankungen
- Schreibzeit ca. 100 ns (entspricht Standard-SRAM)
- 1010 Schreib- und Lesezyklen garantiert
Fehler
FRAMs werden nach einer gewissen Zeit der Benutzung unbrauchbar. Hohe Temperaturen beschleunigen dabei den Verfall. Es gibt zwei mögliche Ursachen für Fehler: Depolarisierung und Imprint. Bei der Depolarisierung senkt sich mit der Zeit das Polarisierungslevel der Zelle. Dadurch wird nach einer gewissen Zeit der aktuelle Zustand nicht mehr korrekt erkannt. Dieser Effekt verstärkt sich bei hohen Temperaturen. Imprint bedeutet, dass die Zelle in einem Polarisierungszustand gefangen bleibt, der Schreibimpuls genügt nicht mehr, um eine Polarisationsumkehr zu bewirken.