鐵電存儲器存儲單元結構和讀寫操作

鐵電存儲器存儲單元結構

鐵電存儲器的存儲單元主要有兩部分構成，分別是場效應管和電容。初研發出來的鐵電存儲器稱為“雙管雙容”，它的每個存儲單元有兩個場效應管和兩個電容，每個存儲單元都包含數據位和各自的參考位。后來美國鐵電公司設計開發了“單管單容”存儲單元。單管單容的鐵電存儲器并不是對于每一數據位使用各自獨立的參考位，而是數據位都使用同一個參考位。所以單管單容的鐵電存儲器產品的容量大，而且生產成本也變的低。但這里所說的電容不是我們常見的那種電容，在這種電容的兩個電極板中間沉淀了一層晶態的鐵電晶體薄膜。

鐵電存儲器的讀寫操作

鐵電存儲器的寫操作與其它非易失性存儲器的寫操作相比，速度要快得多，而且功耗小。鐵電存儲器不是通過電容上的電荷來保存數據的，所以我們不能對中心原子的位置直接進行檢測，而是需要由存儲單元電容中鐵電晶體的中心原子位置進行記錄。正確的訪問操作過程應該是：在電容上施加一個已知的電場，也就是對存儲單元的電容進行充電，如果原來晶體中心原子的位置與所施加的電場方向使中心原子要達到的位置相同，中心原子不會移動；若相反，則中心原子將越過晶體中間層的高能階到達另一位置，在充電波形上就會出現一個尖峰，即產生原子移動的比沒有產生移動的多了一個尖峰。把這個充電波形同參考位的充電波形進行比較，便可以判斷檢測的存儲單元中的內容是“1”或“0”。無論是雙管雙容還是單管單容的鐵電存儲器，對存儲單元進行讀操作時，數據位狀態可能改變。但因為讀操作施加的電場方向與原參考位中原子的位置相同，所以參考位是不會改變的。

由于讀操作可能導致存儲單元狀態的改變，需要電路自動恢復其內容，所以在每個鐵電存儲器讀操作后必須有個“預充電”過程，來恢復數據位，而參考位則不用恢復。晶體原子狀態的切換時間小于1ns，讀操作的時間大概為70ns，加上“預充電”的時間為60ns，所以一個完整的讀操作周期約為130ns。這是與SRAM和E2PROM不同的地方。寫操作和讀操作十分類似，只要施加所要的方向的電場改變鐵電晶體的狀態就可以了，而無需進行恢復。但是寫操作仍要保留一個“預充”時間，所以總的時間與讀操作相同。