铁电存储器存储单元结构和读写操作

铁电存储器存储单元结构

铁电存储器的存储单元主要有两部分构成，分别是场效应管和电容。初研发出来的铁电存储器称为“双管双容”，它的每个存储单元有两个场效应管和两个电容，每个存储单元都包含数据位和各自的参考位。后来美国铁电公司设计开发了更“单管单容”存储单元。单管单容的铁电存储器并不是对于每一数据位使用各自的参考位，而是数据位都使用同一个参考位。所以单管单容的铁电存储器产品的容量更大，而且生产成本也变的更低。但这里所说的电容不是我们常见的那种电容，在这种电容的两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。

铁电存储器的读写操作

铁电存储器的写操作与其它非易失性存储器的写操作相比，速度要快得多，而且功耗小。铁电存储器不是通过电容上的电荷来保存数据的，所以我们不能对中心原子的位置直接进行检测，而是需要由存储单元电容中铁电晶体的中心原子位置进行记录。正确的访问操作过程应该是：在电容上施加一个已知的电场，也就是对存储单元的电容进行充电，如果原来晶体中心原子的位置与所施加的电场方向使中心原子要达到的位置相同，中心原子不会移动；若相反，则中心原子将越过晶体中间层的高能阶到达另一位置，在充电波形上就会出现一个尖峰，即产生原子移动的比没有产生移动的多了一个尖峰。把这个充电波形同参考位的充电波形进行比较，便可以判断检测的存储单元中的内容是“1”或“0”。无论是双管双容还是单管单容的铁电存储器，对存储单元进行读操作时，数据位状态可能改变。但因为读操作施加的电场方向与原参考位中原子的位置相同，所以参考位是不会改变的。

由于读操作可能导致存储单元状态的改变，需要电路自动恢复其内容，所以在每个铁电存储器读操作后必须有个“预充电”过程，来恢复数据位，而参考位则不用恢复。晶体原子状态的切换时间小于1ns，读操作的时间大概为70ns，加上“预充电”的时间为60ns，所以一个完整的读操作周期约为130ns。这是与SRAM和E2PROM不同的地方。写操作和读操作十分类似，只要施加所要的方向的电场改变铁电晶体的状态就可以了，而无需进行恢复。但是写操作仍要保留一个“预充”时间，所以总的时间与读操作相同。