铁电存储器FRAM

工业标准的封装类型

铁电存储器FRAM是一种结合了动态随机存取存储器（DRAM）的快速读写能力和只读存储器（ROM）的非易失性特性的存储器。

存储器简介

非易失性记忆体掉电后数据不丢失。可是所有的非易失性记忆体均源自ROM技术。你能想象到,只读记忆体的数据是不可能修改的。所有以它为基础发展起来的非易失性记忆体都很难写入，而且写入速度慢，它们包括EPROM（现在基本已经淘汰）,EEPROM和Flash，它们存在写入数据时需要的时间长，擦写次数低,写数据功耗大等缺点。

FRAM提供一种与RAM一致的性能,但又有与ROM 一样的非易失性。 FRAM 克服以上二种记忆体的缺陷并合并它们的优点，它是全新创造的产品，一个非易失性随机存取储存器。

FRAM技术

Ramtron的FRAM技术核心是铁电。这就使得FRAM产品既可以进行非易失性数据存储又可以像RAM一样操作。

F-RAM芯片包含一个锆钛酸铅[Pb(Zr,Ti)O3]的薄铁电薄膜，通常被称为PZT（如图1）。PZT 中的Zr/Ti原子在电场中改变极性，从而产生一个二进制开关。与RAM器件不同，F-RAM在电源被关闭或中断时，由于PZT晶体保持极性能保留其数据记忆。这种独特的性质让F-RAM成为一个低功耗、非易失性存储器。

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记忆体。移去电场后中心原子保持不动，记忆体的状态也得以保存。FRAM 记忆体不需要定时刷新，掉电后数据立即保存，它速度很快，且不容易写坏。

F-RAM、ROM都属于非易失性存储器，在掉电情况下数据不会丢失。新一代ROM，像EEPROM（可擦可编程只读存储器）和Flash存储器，可以被擦除，并多次重复编程，但它们需要高电压写入且写入速度非常慢。基于ROM技术的存储器读写周期有限（仅为1E5次），使它们不适合高耐性工业应用。

F-RAM比一般串口EEPROM器件有超过10,000倍的耐性，低于3,000倍的功耗和将近500倍的写入速度（图 2）。 F-RAM结合了RAM和ROM的优势，与传统的非易失存储器相比，具有高速、低功耗、长寿命的特点。

FRAM存储器技术和标准的CMOS制造工艺相兼容。铁电薄膜被放于CMOS base layers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。

Ramtron 的FRAM 记忆体技术从开始到现在已经相当成熟。最初FRAM 记忆体采用二晶体管/ 二电容器的( 2T/2C) 结构，导致元件体积相对较大。最近发展的铁电材料和制造工艺不再需要在铁电存储器每一单元内配置标准电容器。 Ramtron 新的单晶体管/ 单电容器结构记忆体可以像DRAM一样进行操作，它使用单电容器为存储器阵列的每一列提供参考。与现有的2T/2C结构相比，它有效地把内存单元所需要面积减少一半。新的设计极大的改进了die leverage并且降低了FRAM存储器产品的生产成本。

Ramtron公司现采用0.35微米制造工艺，相对于现有的0.5微米的制造工艺而言，这极大地降低芯片功耗，提高了成本效率。

这些令人振奋的发展使FRAM在人们日常生活的各个领域找到了应用的途径。从办公复印机、高档服务器到汽车安全气囊和娱乐设备， FRAM 使一系列产品的性能得到改进并在全世界范围内得到广泛的应用。

FRAM优势

FRAM有三种不同的特性使其优于浮栅技术器件：

1、快速写入

2、高耐久性

3、低功耗

以下列举了FRAM在一些行业应用领域中与其他存储器相比较的主要优势：

频繁掉电环境

任何非易失性存储器可以保留配置。可是，配置更改或电源失效情况随时可能发生，因此，更高写入耐性的FRAM允许无任何限制的变更记录。任何时间系统状态改变，都将写入新的状态。这样可以在电源关闭可用的时间很短或立即失效时状态被写入存储器。

高噪声环境

在嘈杂的环境下向EEPROM写数据是很困难的。在剧烈的噪音或功率波动情况下，EEPROM的写入时间过长会出现漏洞（以毫秒衡量），在此期间写入可能被中断。错误的概率跟窗口的大小成正比。FRAM的写入执行窗口少于200ns。

RFID系统

在非接触式存储器领域里，FRAM提供一个理想的解决方案。低功耗访问在RFID系统中至关重要，因为，能源消耗是以距离成指数下降的。想要以最小的能耗读写标签数据就必须保持标签有足够近的距离。通过对射频发射机和接收机改进写入距离，降低运动的灵敏性（区域内的时间）以及降低射频（RF）功率需求，使需要写入的应用（i.e.借记卡，在生产工序中使用的标签）获得优势。

诊断和维护系统

在一个复杂的系统里，记录系统失效时的操作历史和系统状态是非常宝贵的。如果没有这些数据，能够准确的解决或执行需求指令是很困难的。由于FRAM具备高耐久性的特点，可以生成一个理想的系统日志。从计算机工作站到工业过程控制不同的系统，都能从FRAM中获益。

铁电应用

数据采集与记录

存储器（FRAM）可以让设计者更快、更频繁地将数据写入非易失性存储器，而且价格比EEPROM低。数据采集通常包括采集和存储两部分，系统所采集的数据（除临时或中间结果数据外）需要在掉电后能够保存，这些功能是数据采集系统或子系统所具有的基本功能。在大多数情况下，一些历史记录是很重要的。

典型应用：仪表(电表、气表、水表、流量表)、RF/ID、仪器,、和汽车黑匣子、安全气袋、GPS定位系统、电力电网监控系统。

参数设置与存储

FRAM通过实时存储数据帮助系统设计者解决了突然断电数据丢失的问题。参数存储用于跟踪系统在过去时间内的改变，它的目的包括在上电状态时恢复系统状态或者确认一个系统错误。总的来说，数据采集是系统或子系统的功能，不论何种系统类型，设置参数存储都是一种底层的系统功能。

典型应用：影印机,打印机，工业控制，机顶盒(Set-Top-Box)，网络设备（网络调制解调器）和大型家用电器。

非易失性缓冲

铁电存贮器（FRAM）可以在数据传递储存在其它存储器之前快速存储数据。在此情况下，信息从一个子系统非实时地传送到另一个子系统去.。由于资料的重要性，缓冲区内的数据在掉电时不能丢失.，在某些情况下，目标系统是一个较大容量的存储装置。FRAM以其擦写速度快、擦写次数多使数据在传送之前得到存储。

典型应用：工业系统、银行自动提款机(ATM)，税控机，商业结算系统(POS)，传真机，未来将应用于硬盘非易失性高速缓冲存储器。