鐵電存儲器的基礎知識

時間：2026/8/7閱讀：31

鐵電RAM（FeRAM：鐵電RAM）是一種讀寫半導體存儲器（RAM：隨機存取存儲器），它通過對鐵電電容施加電壓使其極化，從而將數據存儲在殘余極化的方向。

斷電時丟失內容的記憶稱為易失性存儲器，未丟失的記憶稱為非易失性記憶。主流的RAM類型——SRAM（統計RAM）和DRAM（動態RAM）是易失性存儲器，而鐵電存儲器則是非易失性。

鐵電存儲器因其高速、低功耗和高重寫頻率的非易失性存儲器，非常適合實時頻繁重寫數據的應用。因此，作為獨立存儲芯片，它們被廣泛應用于包括IC卡、射頻標簽、智能電力和燃氣表、行車記錄儀、醫療監視器、POS系統、多功能設備計數器和工業機器人等多個領域。

此外，通過為微控制器配備鐵電存儲器，可以實現比配備閃存或EEPROM的傳統產品更快的運行和更低的功耗，使得通用微控制器的應用也成為預期。

鐵電存儲器不僅在斷電后仍能保留數據，還具有低功耗、快速寫入速度以及大量保證數據重寫的特性。

寫入數據時，將字線設置為高電平，晶體管開啟，驅動位線和板線以極化鐵電電容器。如果位線電位設置為電源電壓（Vcc），板線電位為0V，則寫入數據“1";若位線電位為0V，板線電位為Vcc，則寫入數據“0"。

讀取數據時，將比特線設為0V后，將晶體管閾值電壓加到Vcc到字線上，使晶體管導通，并將板極線電位從0V提升到Vcc。如果數據“1"存儲在電容器中，極化反轉會導致顯著電荷轉移，從而顯著增加位線電位。

如果存儲數據為“0"，則不會發生極化反轉，位線電位的變化較小。這個電位差由連接到比特線的感應放大器檢測并讀取數據。

除了1T1C型外，鐵電存儲器還有一種稱為2T2C型的類型。 2T2C模型使用兩個1T1C類型的存儲單元作為基本存儲單元。通過將成對的鐵電電容在不同方向極化并增加讀出時的電位差，可以提高存儲讀出的準確性。

在鐵電存儲器中，讀取數據“1"后，數據被銷毀，電容器內的數據變為“0"。因此，讀取數據后，板線電位必須從Vcc調整到0V，并進行數據重寫

鐵電存儲器通常由單個晶體管和一個電容器組成，作為基本存儲單元。這種鐵電存儲器稱為1T1C型，其構型類似于DRAM。

與DRAM的區別在于，鐵電存儲器使用鐵電電容器，如鉛鋯酸鈦酸鹽（PZT）和鍶鉍鉭酸鹽（SBT），除了DRAM結構中的字線和比特線外，還需要板線。

鐵電存儲器無法僅通過打開晶體管就能將數據輸出到位線。數據存儲在鐵電薄膜中，除非對電容器施加電壓，否則信息無法讀取。

由于鐵電極化需要外部讀取，鐵電存儲器配備了解碼電路來驅動板線和特定的單元板線。

除了電容型鐵電存儲器外，還有使用場效應晶體（FET）柵極絕緣膜中的鐵電器件的場效應晶體（FET）型鐵電存儲器。可以設計出與晶體管尺寸相匹配的單元面積。

FET型鐵電存儲器的缺點是當電極在斷電后達到接地水平時，數據會很快丟失。記憶保持時間大約可達30天。

當電場施加于介質時，構成介質的原子或分子之間會發生電荷失衡。當電場設為零時，典型導數材料中的電荷偏置消失并恢復到原始狀態。

另一方面，在鐵電體中，即使電場為零，極化態也不會恢復。因此，存在于零電場中的電荷偏置稱為殘余極化。如上所述，鐵電存儲器以殘差極化方向存儲數據。

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