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Grundlagen und Vorzüge ferroelektrischer Speicher

| Autor / Redakteur: Manoj Bhatia * / Rainer Graefen

Robuste ferroelektrische Speicher werden im zunehmenden Maß in immer mehr industriebereichen verbaut, so auch im Automotive-Sektor. Dort kommen FRAMs in intelligenten Airbags, Fahrerassistenzsystemen (ADAS), Navigations- und Infotainmentsystemen, Motorsteuereinheiten (ECU), Ereignisdatenschreibern (EDR) und Antriebssystemen zum Einsatz.
Robuste ferroelektrische Speicher werden im zunehmenden Maß in immer mehr industriebereichen verbaut, so auch im Automotive-Sektor. Dort kommen FRAMs in intelligenten Airbags, Fahrerassistenzsystemen (ADAS), Navigations- und Infotainmentsystemen, Motorsteuereinheiten (ECU), Ereignisdatenschreibern (EDR) und Antriebssystemen zum Einsatz. (Bild: Cypress)

Große Zuverlässigkeit, hohe Wiederbeschreibbarkeit, geringe Leistungsaufnahme. Nichtflüchtige Speicherbausteine müssen mehrere Voraussetzungen zugleich erfüllen. Ferroelektrische Speicher (FRAM) bedienen diese Vorzüge nicht nur, sie verbinden effektiv die Vorteile von statischem RAM und nichtflüchtigem Speicher.

Halbleiterspeicher gibt es in zwei unterschiedlichen Technologien: Zum einen ist da der flüchtige Speicher, der beim Abschalten der Spannungsversorgung seine Daten verliert und gewöhnlich gleich schnell gelesen und beschrieben werden kann (RAM). Zum anderen gibt es den nichtflüchtigen Speicher, bei dem die Daten auch nach dem Abschalten erhalten bleiben. Ursprünglich war dies ein Nur-Lese-Speicher (ROM). Erst später erschienen auch wiederprogrammierbare Technologien mit Ladungsspeicherung auf dem Markt.

Die Ladungsspeicherung ermöglichte elektrisch löschbaren Speicher, z.B. Flash und EEPROM. Diese Produkte können im System programmiert werden, wobei die Zugriffszeiten beim Lesen und Schreiben unterschiedlich sind. So können die Zugriffszeiten beim Schreiben um mehrere Größenordnungen über denen beim Lesen liegen.

Ein perfekter nichtflüchtiger Speicher würde außerdem alle folgenden Bedingungen erfüllen:

1. Zuverlässiger Schreibvorgang beim Spannungsausfall: Bei dem Speicherbaustein ist keine weitere Aufrechterhaltung der Versorgungsspannung erforderlich, um den Schreibvorgang abzuschließen. In diesem Fall würde der Speicher keine zusätzlichen Kondensatoren oder Batterien benötigen. Das führt mit sich, dass externe Strahlung und Magnetfelder die Zuverlässigkeit des Speichers nicht beeinträchtigen.

2. Keine Beschränkungen bei der Anzahl der Schreibzyklen: Die Beschränkung bei den Schreibzyklen liegt über der geforderten Lebensdauer des Systems. Das heißt, der Speicher benötigt kein Wear-Levelling oder zusätzliche Software, um die Wiederbeschreibbarkeit zu verbessern.

3. Möglichst geringe Leistungsaufnahme: Der Speicher besitzt eine gute Energieeffizienz, was für einen minimal möglichen Energieverbrauch des Gesamtsystems sorgt.

Echtes, nichtflüchtiges RAM

Ferroelektrisches RAM oder FRAM ist ein echtes nichtflüchtiges RAM. Es verbindet die Vorteile von RAM und nichtflüchtigem Speicher. Es zeichnet sich durch hohe Schreibgeschwindigkeit, hohe Wiederbeschreibbarkeit und niedrigen Energieverbrauch aus und speichert die Daten mit Hilfe einer ferroelektrischen Technologie. Dadurch eignet es sich für die zuverlässige Speicherung von Daten bei nicht anliegender Versorgungsspannung.

Grundlagen der Ferroelektrizität

Ferroelektrisches Verhalten ist ein Phänomen, das bei einer bestimmten Klasse von Stoffen, z.B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), auftritt. PZT hat eine in Bild 1 gezeigte perowskitische Kristallstruktur. Das Kation im Zentrum hat zwei gleiche und stabile Zustände niedriger Energie. Diese Zustände bestimmen die Position des positiv geladenen Teilchens. Wenn ein elektrisches Feld in der richtigen Richtung angelegt wird, bewegt sich das Kation in der Richtung des Felds.

Wenn ein elektrisches Feld quer zum Kristall einwirkt, richtet sich der Zustand oder die Position niedriger Energie in der Richtung des Felds aus. Dementsprechend verändert sich auch der Zustand hoher Energie in der Gegenposition. Das einwirkende Feld führt somit dazu, dass sich das Kation vom Zustand hoher Energie in den Zustand niedriger Energie bewegt. Dieser Übergang erzeugt Energie in Form einer Ladung, die allgemein als Schaltladung (Qs) bezeichnet wird.

Ein verbreiteter Irrtum ist, dass ferroelektrische Kristalle ferromagnetisch sind oder ähnliche Eigenschaften haben. Der Begriff „ferroelektrische“ bezieht sich auf die Ähnlichkeit des Graphen der Ladung als Funktion der Spannung zur Hysteresekurve (BH-Kurve) von ferromagnetischem Material, wie in Bild 2 gezeigt. Ferroelektrische Werkstoffe schalten in einem elektrischen Feld und werden durch Magnetfelder nicht beeinflusst.

Der ferroelektrische Werkstoff hat zwei Zustände: Einerseits das Kation oben, auch als „Polarization Up“. Andererseits das Kation unten, auch als „Polarization Down“ bezeichnet (siehe auch Bild 3). Aufgrund dieser zwei unterschiedlichen Zustände lässt sich mit einer geeigneten Erkennungstechnik ein binärer Speicher produzieren.

Funktion eines FRAM

Das eigentliche Speicherelement ist ein ferroelektrischer Kondensator. Dieser Kondensator kann durch Anlegen eines elektrischen Felds nach oben oder nach unten polarisiert werden. Zu sehen ist dies schematisch in Bild 4.

Das Symbol des ferroelektrischen Kondensators zeigt, dass die Kapazität variabel ist. Es handelt sich also nicht um einen herkömmlichen linearen Kondensator. Ein ferroelektrischer Kondensator kann sich zwar wie ein linearer Kondensator verhalten. Dies ist der Fall, wenn er beim Anlegen eines elektrischen Felds nicht umschaltet, also wenn hierbei keine Änderung des Polarisierungszustands eintritt.

Schaltet er beim Anlegen eines elektrischen Felds dagegen um, wird eine zusätzliche Ladung induziert. Damit muss die Kapazität zunehmen. Der ferroelektrische Kondensator wird kombiniert mit einem Zugangstransistor, einer Bitleitung und einer Anodenleitung. Zusammen bilden sie die Speicherzelle, wie in Bild 5 zu sehen ist.

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