В ферроэлектрических FRАМ (Ferroelectric RАМ) основой запоминающего элемента служит материал, в кристаллическойструктуре которого имеется бистабильный атом. Занимая одно из двух возможных пространственных положений ("верхнее" или "нижнее"), этот атом создает вферроэлектрическом материалевнутренние диполи того или иного знака(спонтанная поляризация).
С помощью электрического поля можно придать внутреннему диполю тот или инойзнак. Под воздействием внешнего электрического поляи притемпературе не выше определенной (связанной с точкойКюри) материал поляризуется, делали выстраиваются упорядоченное состояниематериала может отображать двоичные данные 0 и 1. Зависимость поляризации Р от напряжения U имеет петлю гистерезиса,показанную нарис. 4.9. а Через Uс на рисунке обозначены коэрцитивные напряжения,через PR - остаточные поляризации, до сохраняются после снятияэлектрических полей.
Еслибы вместо ферроэлектрического конденсатора был включенобычный, соединенный не с Рlatе-линией, в с обшейточкой схемы (схемнойземлей), то получился бы запоминающий элементобычного динамического ЗУ, и подключение конденсатора через ключевойтранзистор к линиизаписи/считыванияЛЗС позволяло бы считывать хранимую элементоминформацию (ЛВ – линия выборки), т.к. в зависимости от заряженности или разряженности конденсатора при его подключении по-разному изменялось бы напряжение на линии ЛЗС. Здесь же нужно выявить не наличие или отсутствие заряда конденсатора, а знак поляризации запоминающего элемента. Простым подключением ферроэлектрического конденсатора к линии ЛЗС этого не определить. Поэтому после отпирания транзистора выборки на Plate-линию подается импульс длительностью около 10 нс. Если этот импульс вызовет переполяризацию элемента, то через него пройдет большой ток, который сможет ощутимо изменить напряжение на линии ЛЗС (на ее емкости, изображенной на рисунке 4.9 б штриховыми линиями). Если же знак поляризации был иным и переполяризации элемента не будет, то ток через него будет малым и не сможет заметно повлиять на потенциал линии ЛЗС.
а б
Рисунок 4.9 – Петля гистерезиса ферроэлектрического материала (а) и схема запоминающего элемента FRAM (б)
После пропускания импульса от Plate-линии подается питание на усилитель считывания УСч, логическое состояние которого определяется тем, смогла ли линия ЛЗС зарядиться выше или ниже опорного напряжения, т.е. в конечном счете знаком поляризации запоминающего элемента. При этом выходной сигнал усилителя фиксируется (защелкивается) для обратной подачи на разрядную линию и возвращения фотоэлектрического конденсатора в его первоначальное состояние после проведенной разрушающей операции чтения. Такая обратная перезапись информации занимает время около 10-20 нс и сохраняет считанные данные. Процессы в ЗУ синхронизированы с фронтами управляющих импульсов.
Рассмотренный запоминающий элемент называют элементом типа 1Т/1С, т.к. в его схеме используется один транзистор и один фотоэлектрический конденсатор. Существуют также элементы типа 2Т/2, похожие на сдвоенный элемент 1Т/1С. В таких элементах две ячейки 1Т/1С программируются в противоположных направлениях и в элементе имеются две разрядные линии с взаимоинверсными сигналами. Используется дифференциальный канал для восприятия сигналов, а это повышает помехоустойчивость ЗУ и улучшает также некоторые другие параметры.
Достоинства FRAM: быстрые запись и чтение, практически неограниченное число циклов чтения/записи, малые напряжения питания и потребляемая мощность, компактность запоминающего элемента (площадь его соизмерима с площадью обычного запоминающего элемента DRAM), высока радиационная стойкость, энергонезависимость.
Такой набор достоинств позволяет FRAM выступить в роли конкурента как по отношению к динамическим ОЗУ, не обладающим энергонезависимостью, так и по отношению к EEPROM и Flash, не обеспечивающим быструю запись данных. В настоящее время ЗУ типа FRAM уже выпускаются рядом фирм (Ramtron International, Samsung, NEC и др.)
