Der Lesevorgang

Bild 6.A zeigt den statischen Zustand der Zelle: Bitleitung low, Anodenleitung low und Wortleitung low. Der Zugriff beginnt mit dem Anlegen einer Spannung an der Wortleitung und der Anodenleitung, wie in Bild 6.B zu sehen ist. So wird am ferroelektrischen Kondensator ein Feld angelegt, das dazu führt, dass der ferroelektrische Kondensator umschaltet.

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Diesen Schaltvorgang zeigt schließlich Bild 6.C: Die induzierte Ladung (Qs) wird auf die Streukapazität der Bitleitung (Cbit) und den geschalteten ferroelektrischen Kondensator (Cs) aufgeteilt. Damit ist die Spannung auf der Bitleitung proportional zum Kapazitätsverhältnis Cs/Cbit (Cs enthält einen geringen Anteil vom Transistor und der Streukapazität der Verbindungen).

Wenn die Polarisierung in der in Abbildung 6 gezeigten Sequenz „Up“ ist, schaltet der Kondensator nicht um und es wird keine zusätzliche Ladung induziert. Die im umgeschalteten Kondensator induzierte Ladung ist mindestens zweimal größer als die im nicht umgeschalteten Kondensator verfügbare Ladung (Qu). Es gilt: Qs ≥ 2 × Qu.

Daher beträgt die umgeschaltete Kapazität (Cs) mindestens das Doppelte der nicht umgeschalteten Kapazität (Cu), also: Cs ≥ 2 × Cu. Daraus folgt, dass die Spannung der Bitleitung im umgeschalteten Fall mindestens zweimal so hoch ist wie im nicht umgeschalteten Fall.

Die Erkennungsschaltung ist der von DRAM sehr ähnlich. Die Spannung der Bitleitung wird mit einer Referenzspannung verglichen, die über dem nicht umgeschalteten Wert und unter dem umgeschalteten Wert liegt. Der Sensorverstärker verstärkt die Spannung der Bitleitungen auf die Rail-Spannungen und das Ausgangssignal des Sensorverstärkers ist entweder HIGH oder LOW (1 oder 0). Dieser Zugriff wird in weniger als 100 ns abgeschlossen.

Am Ende des Zugriffs werden die Bitleitungen für den umgeschalteten Fall auf High und für den nicht umgeschalteten Fall auf Low gesetzt. Abgeschlossen wird der Zyklus, indem die Anodenleitung auf Low gesetzt wird. Das stellt den Zustand der geschalteten Kondensatoren wieder her. Anschließend wird die Bitleitung auf 0 V vorgeladen. Dieser Vorgang der Wiederherstellung bzw. Vorladung läuft ebenfalls sehr schnell ab (< 100 ns). Die kürzesten erreichbaren Zugriffs- bzw. Zykluszeiten werden vornehmlich durch die Kapazität der Speicherzelle bestimmt. Der ferroelektrische Kondensator schaltet nahezu verzögerungsfrei um und damit trägt der Schaltmechanismus nicht zur gesamten Zykluszeit bei.

Ein Vergleich von DRAM und FRAM zeigt, dass die Zustandserkennung ähnlich arbeitet, da in beiden Fällen eine Ladung erkannt werden muss. Die Ladung in einem DRAM ist in einem linearen Kondensator gespeichert, der Verluste hat und aufgefrischt werden muss. Die Ladung im FRAM ist als Zustand im Kristall gespeichert, somit nicht flüchtig und es ist auch kein Refresh erforderlich. Wie DRAM hat auch FRAM eine Zykluszeit. Daher entspricht die Mindestzeit zwischen zwei wahlfreien Zugriffen der Zykluszeit (typisch 90 bis 140 ns) und nicht der Zugriffszeit.

Der Schreibvorgang

Der Schreibvorgang ist dem Lesevorgang sehr ähnlich. Die Schaltung legt ein elektrisches Feld in der gewünschten Richtung über dem ferroelektrischen Kondensator an.

Vorteile und Anwendungsfelder von FRAM

Herkömmlicher beschreibbarer nichtflüchtiger Speicher, der mit der Speicherung von Ladungen arbeitet, verwendet Ladungspumpen, um auf dem Chip hohe Spannungen (gewöhnlich 10 V oder mehr) zu erzeugen, die die Ladungsträger durch das Gate-Oxid zwingen. Die Folgen sind lange Verzögerungen und hohe Leistung beim Schreiben. Außerdem schädigt der Schreibvorgang die Speicherzelle. Floating-Gate-Komponenten sind auf rund 106 Schreibzugriffe beschränkt. In der Praxis wäre ein Datenrecorder mit EEPROM, der Daten mit 1 Sample pro Sekunde aufzeichnet, in weniger als 12 Tagen sozusagen verschlissen. Im Vergleich dazu bieten FRAM-Produkte für 3 V eine praktisch unbegrenzte Wiederbeschreibbarkeit (10¹⁴ Zugriffe).

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FRAM ist Ladungsspeichern sowohl bei der Schreibgeschwindigkeit als auch beim Energieverbrauch bei weitem überlegen. Bei einem typischen seriellen EEPROM mit einer Taktrate von 20 MHz würden 5 ms benötigt, um 256 Bit zu schreiben (32 Byte Seiten-Puffer) und 1283,6 ms, um die gesamten 64 KBit zu beschreiben. Dabei würden 3900 µJ an Energie verbraucht. Bei einem entsprechenden FRAM dauert dieser Vorgang nur 14 µs für 256 Bit bzw. 3,25 ms für die gesamten 64 KBit bei einem Verbrauch von nur 17 µJ.

Außerdem benötigt FRAM keine „Einwirkzeit“ (zusätzliche Zeit zum Abschluss des Schreibens der Seite, nachdem die Daten an den Eingangspuffern anliegen). Somit entfällt die Notwendigkeit weiterer Kondensatoren oder Batterien, um das Schreiben der Seite bei einem Spannungsausfall abzuschließen. Im Übrigen sind FRAM-Zellen von Natur aus tolerant gegenüber Gamma-Strahlung. Auch der Einfluss von Magnetfeldern beeinträchtigt ihren Inhalt nicht weiter.

Zusammenfassend bieten FRAM-Speicherbausteine die folgenden Vorteile:

• Die Zugriffszeit beim Lesen entspricht der Zugriffszeit beim Schreiben: Sie liegt unter 100 ns.

• Die Energie beim Lesen entspricht der Energie beim Schreiben. Die ist nach den oben genannten Ausführungen geringer als bei jedem anderen nichtflüchtigen Speicher.

• FRAMs besitzen eine hohe Wiederbeschreibbarkeit mit bis zu 10¹⁴ Zugriffen.

• Es besteht keine Einwirkzeit. Somit sind auch keine zusätzlichen Kondensatoren oder Batterien erforderlich.

• FRAMs sind tolerant gegenüber Gamma-Strahlung und unempfindlich gegenüber Magnetfeldern.

FRAM-Speicher in unterschiedlichen Anwendungsfeldern

Dank dieser Vorteile eignen sich FRAM-Bausteine für eine hohe Anzahl an Applikationen in unterschiedlichen Industriebereichen. Im Automotive-Markt wird FRAM in intelligenten Airbags, Fahrerassistenzsystemen (ADAS), Navigations- und Infotainmentsystemen, Motorsteuereinheiten (ECU), Ereignisdatenschreibern (EDR) und Antriebssystemen eingesetzt.

Auch für die Messung eignen sich ferroelektrische Speicher hervorragend. Intelligente Stromzähler messen die verbrauchte Energiemenge und senden die Daten zur Überwachung und Abrechnung regelmäßig an das Versorgungsunternehmen. Jeder intelligente Stromzähler hat einen nichtflüchtigen Speicher zum Ablegen der Daten zwischen der Erfassung und der Übertragung zum Versorgungsunternehmen. Für diese Anwendung sind FRAMs wegen ihrer hohen Wiederbeschreibbarkeit gefragt, denn ist eine häufige Datenerfassung möglich. Weitere Argumente sind der geringe Energieverbrauch und die Fähigkeit der Bausteine, Daten beim Stromausfall augenblicklich zu speichern, um Datenverluste zu vermeiden.

Ein drittes Beispiel ist der Wearables-Markt. Wearables sind bereits in großer Vielfalt auf dem Consumer-Markt zu finden Consumer-Elektronik, z.B. in Form von Smartwatches. Doch auch in der Medizintechnik sind kleine, tragbare Geräte sehr gefragt, beispielsweise in Hörgeräten. Diese immer komplexeren Systeme benötigen nichtflüchtigen Speicher mit niedrigem Energieverbrauch und hoher Zuverlässigkeit sowie schnellem Zugriff und hoher Wiederbeschreibbarkeit. Genau das bietet FRAM. Da FRAM außerdem effektiv als RAM und ROM eingesetzt werden kann, wird nur ein Chip benötigt, um Boot-Code und Protokolldaten zu speichern.

* Manoj Bhatia ist Business Development Director Europe bei Cypress Semiconductor. Diesen Beitrag haben wir von unserem Partnerportal Elektronik Praxis übernommen.

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