用于计算机系统的铁电随机存储器的研究进展

1、2011.02电脑编程技巧与维护铁电材料是具有自发极化,且自发极化有两个或多个取向,自发极化的取向可以在外加电场的作用下转向的材料1,2。铁电材料剩余极化的两种状态分别对应着存储器的“0”态和“1”态,并能通过外电场的方向的改变进而改变存储状态来读取信息,这为信息存储提供了可能。同时,随着计算机信息技术的迅速发展,对信息存储器的存储密度、读写速度、功耗和存储寿命等提出了更高的要求,而现有的传统非易失性存储器,如EEPROM 、Flash 等已经难以满足这些要求。同传统的非易失性存储器相比,铁电随机存储器(FeRAM具有一些独一无二的特征。铁电随机存储器能兼容RAM 的一切功能,并且和ROM 技

2、能一样,是一种非易失性的存储器。同时,它具有功耗小、读写速度快、抗辐照能力强、可存储大量资料的动态随机存储器(DRAM与高速运作的静态随机存储器(SRAM的优点,在断电后,资料不会消失,亦具备快闪存储器的优点。因此对应用于电子计算机系统的铁电存储器进行重点研究。1存储原理铁电晶体属于典型的ABO3型钙钛矿结构9,如图1所示。在居里温度(Tc以下,铁电晶体发生自发畸变,B 位原子相对晶胞中其他原子发生位移,产生净偶极矩,形成自发极化。没有外加电场的情况下,+Pr 和Pr 就表示了“0”、“1”两种稳定状态。当外电场作用于铁电晶体时,中心原子顺着外加电场的方向在晶体里上下移动,它需要通过一个能量势

3、垒,能引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并配置存储器。当电场从晶体移走后,中心原子会保持在原来的位置,存储器的状态也得以保存。铁电存储器不需要定时更新,断电后数据能够继续保存,速度快而且不容易写坏。铁电存储器是基于铁电材料的铁电特性进行信息存储的。这使得它在不加电场的情况下保持稳定不变,并且不受辐照等干扰源的影响,因而铁电存储器具有非挥发性、抗辐射、抗干扰和存储速度快的优良特性。2电路结构铁电存储器的电路结构主要分成以下3种:2晶体管-2电容(2T2C、1晶体管-1电容(1T1C、1晶体管-2电容(1T2C如图2所示。2T2C 结构的每一位都有两个相反的电容互为参考,可靠性比较好,但是所占面

4、积太大,不适合高密度存储的运用。1T1C 结构可以像DRAM 一样,运用单电容器为存储器阵列的每一列提供参考。与现有的2T2C 结构相比,它有效地把内存单元所需的面积减少一半。这种设计提高了用于计算机系统的铁电随机存储器的研究进展肖月宁(山东工艺美术学院计算机教研室,济南250014摘要:综述了铁电存储器的存储原理、电路结构及应用、尚未解决的主要铁电材料的环保问题、疲劳失效问题、信息保持力和破坏性读出等问题。关键词:计算机系统;铁电薄膜;铁电随机存储器Research Development of Ferroelectrical Random Memories forComputer Syst

5、emsXIAO Yuening(Dept.of computer ,Shandong University of Art &Design ,Jinan 250014Abstract:The Storage principle of ferroelectrical random memories,the structure and the application of ferroelectrical Ran -dom Memories were summarized.The problems ferroelectric memories were illustrated as follo

6、ws:fatigue,environmental problem,the poor retention and the breakage of the readout on the FeRAM,and so on.Key words:computer systems ;ferroelectric films ;ferroelectric random access memory 作者简介:肖月宁(1977-,女,讲师,硕士,研究方向:计算机网络教育。收稿日期:2010-11-16图1铁电薄膜电滞回线及存储原理示意图AOBABO3AO BABO3P OP r-E OE OE-P r922009.

7、2011.02人工智能及识别技术ARTIFICIAL INTELLIGENCE AND IDENTIFICATION TECHNIQUES 铁电存储器的效率,极大地降低了铁电存储器的生产成本。1T1C 结构的集成密度较高,但是可靠性较差。而1T2C 结构是这两种结构的折衷。目前,为了获得高密度的存储器,1T1C 结构的应用比较普遍。3研究进展及应用在上世纪80年代末,研究人员利用Pb (Zr,TiO3(PZT 铁电薄膜制备出了低密度铁电不挥发存储器件。尽管当时人们发现这种基于PZT 薄膜的铁电存储器抗疲劳性很差,但是研究人员对铁电薄膜和铁电不挥发存储器的研发表现出了极大的热情。通过采用掺杂和氧

8、化物电极的方法,基于PZT 薄膜的铁电存储器抗疲劳性能得到明显改善。铁电不挥发存储器的先驱之一美国的Ramtron 公司在PZT 薄膜的基础上已经开发出了永不疲劳的铁电不挥发存储器(器件的可读写次数超过了1015次。1991年,国际半导体公司把铁电薄膜集成在CMOS 上制作了1T1C 的DRAM 存储单元。此后,铁电存储器迈入了产业化阶段。1994年,在国际电子器件会议(IEDM上,Sharp 公司描述了基于0.6m 技术、1T1C 结构的256kbit 的铁电存储器。同年,在国际固态电路会议(ISSCC上,NEC 公司发布了基于1m 技术、1T1C 结构、工作于3.3V 、1Mbit 大小、

9、存取时间60ns 、读写时间100ns 的器件。目前嵌入式和分立式的铁电存储器已得到广泛应用。已经商业实用的低密度和嵌入式的FRAM 主要有Ramtron 公司的4k 、16k 和64k 锆钛酸铅基的RAM ,Matsushita 电子公司(MEC的64k 嵌入式的锶铋钽基的存储微控制器;Panasonic-Symetrix 公司的8位RISC 处理器中嵌入的64k 锶铋钽基存储器;NEC 公司开发的256字节嵌入式存储微控制器;Rohm 公司制作出1k 嵌入式锆钛酸铅基的存储微控制器;Motorola 公司用HC11E9微控制器开发出8k 嵌入式存储微控制器。Ramtron 公司已经开发出1

10、M 锆钛酸铅基的RAM ;MEC 推出了256k 的RAM;Symetrix 公司推出了256k 锶铋钽基的RAM 。21世纪,三星电子公司率先开发出4M 铁电随机存储器,并进行32M 产品的开发。最近,非易失性铁电随机存储器和集成半导体产品开发商及供应商Ramtron 公司宣布德国嵌入式软件和硬件供应商Fimicro 已在Active104新系列单板计算机以及智能I/O 扩展模块中采用非易失性铁电存储器。Fimicro 已将Ramtron 公司的FM22L16-4兆位并行存储器整合入Active104的单板计算机、RAID 、以太网和USB 板,标志着铁电随机存储器已经取代Flash,SRA

11、M 和EEPROM 技术,成为一种新兴的有潜力的存储器。铁电存储器也取代了Active104智能输入/输出模块接口逻辑中的静态随机存储器(SRAM。另外在Fimicro 每个RAID ,以太网和USB 模块中都集成了4MB 铁电存储器,以保证快速读/写访问以及数据的完整性。所有单板计算机和模块之间的数据转移都以总线速度存放在铁电存储器中,即使在电力故障时也能保护这些数据。而且在电力恢复时,模块能够在相同点恢复这些存储的数据。此外,铁电存储器也取代active104系统中的电可擦可编程只读存储器(EEPROM ,以备需要时来存储设备配置数据。4存在问题及解决方案目前,应用于存储器的铁电材料主要有

12、钙钛矿结构系列,包括PbZr1-xTixO3、SrBi2Ta2O9和Bi4-xLaxTi3O12等3-7。铁电存储器的存储原理是基于铁电材料的高介电常数和铁电极化特性,按工作模式可以分为破坏性读出和非破坏性读出。铁电随机存储器(FeRAM就是基于破坏性读出的工作模式。这种破坏性的读出后需重新写入数据,所以FeRAM 在信息读取过程中伴随着大量的擦除/重写的操作。随着不断地极化反转,此类FeRAM 会发生疲劳失效等可靠性问题。此外,众所周知,锆钛酸铅的含铅问题是其在铁电不挥发存储器中广泛应用的主要障碍。因此,对于铁电存储器的实用化及普及化方面还面临着相对大的挑战,需要铁电研究人员做大量工作。5结

13、语铁电存储器作为新兴的非易失性存储器,它的起步比较早,并且率先实现了产业化,由于其具有功耗小、读写速度快、抗辐照能力强的优点,其应用前景十分诱人。但铁电存储器要在实际应用上取得进一步重大突破,还有大量的研究工作要做。如铁电薄膜的疲劳问题、铁电极化的保持力问题、铁电薄膜的环保问题、铁电薄膜与器件结构设计等问题需要图2铁电存储器的(a 2T2C 、(b 1T1C 、(c 1T2C 结构(a2T2C(b1T1C(C1T2C932011.02电脑编程技巧与维护果的显示,它与JavaORB 建立连接后,就能通过引用对象hostservant 的变量Ps_host 来引用服务对象而不必知道其位置与连接等具

14、体信息。4结语通过介绍管理信息系统网络平台,并分析了基于Web 网络管理系统的工作原理,最后对其进行实现,并写出了一部分核心代码,由于篇幅所限,并没有给出完整的代码,读者可在此基础之上,进一步的设计和实现。参考文献2005.2张振国,贺贵明.Internet 网络管理的计算思想.计算机工程与应用,2007.3樊吉亮,管会生.新型分布式网络管理方案的设计与实现.计算机信息,2008.出版社,2005.(上接第73页研究人员的继续努力21,22。参考文献tigue -free ferroelectric capacitors with platinum electrodes.Nature (Lon

15、don,1995,374:627-629.bismuth titanate for use in non -volatile memories.Nature (London,1999,401:682-684.5Scott J F,Araujo C A.Ferroelectric memories J.Science,1989,246:1400-1405.6Gross S J,Tadigadapa S,Jackson T N,et al.Lead-Zirconate-Titanate -Based Piezoelectric Micromachined Switch.Appl Phys Lett

16、,2003,83:174-176.7Polla D L,Francis L F.Processing and Characterization ofand characterization of SrBi2Ta2O9thin films by a modified annealing method.Applied physics letters,1999,74(9:1221-1223.096109(1-3.properties of predominantly (100-oriented CaBi4Ti4O15103:056109(1-3.14Sei Ki Kim,Masaru Miyayam

17、a,Hiroaki Yanagida.Electricalanisotry and a plusible explanantion for dielectric anomaly of Bi4Ti3O12single crystal J.Mater Res Bull,1996,31:121-131.15L Nibou,A Aftati,M Eifarissi.Chemical fabrication SrBi4Ti-4O15thin film J.J Eur Ceramic Soc,1999,19:1383-1386.16范素华,徐静,张丰庆,等.Nd 掺杂Bi4T34O12陶瓷的制备及其电性能J.济南大学学报(自然科学版,2007,21(1:8-11.17温梅堂,桂治轮,李龙土,等.铌镁酸铅基弛豫铁电陶瓷中的焦绿石J.济南大学学报(自然科学版,1992,6(2:28-30.18L Nibou,Aftati,M Eifarissi.Chemical fabrication SrBi4Ti-4