MEMORY系列之“FRAM”

新型的NVM主要有FRAM、RRAM、MRAM等，本文主要介绍FRAM的存储结构、对外接口及引脚定义、读写操作等。

FRAM（Ferroelectric RAM）存储单元的基本原理是铁电效应，是应用铁电薄膜的自发性极化形式储存的铁电存储器件，由于FRAM通过外部电场控制铁电电容器的自发性极化，与通过热电子注入或隧道效应而完成写入动作的EEPROM以及Flash相比，FRAM具有写入速度快（为EEPROM、Flash的1000倍以上），因为它在擦写时不需要高压，因此写入时的功耗大为降低（为EEPROM、Flash的1/1000~1/100000），尤其适合用于低功耗的应用场合。另外，由于不需要使用隧道氧化膜，其数据的重写次数，与Flash和EEPROM相比也大大提高（EEPROM或Flash为10^5~10^6，FRAM可以达到10^12以上）。

1、FRAM存储单元结构

FRAM的存储单元主要由电容和场效应管构成，但这个电容不是一般的电容，在它的两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。前期的FRAM的每个存储单元使用2个场效应管和2个电容，称为“双管双容”(2T/2C)，每个存储单元包括数据位和各自的参考位。2001年Ramtron设计开发了更先进的“单管单容”(1T/1C)存储单元。1T/1C的FRAM所有数据位使用同一个参考位，而不是对于每一数据位使用各自独立的参考位。1T/1C的FRAM产品成本更低，而且容量更大。

DRAM和FRAM的结构区别

2T/2C与1T/1C结构

2、FRAM接口类型及引脚

目前Ramtron公司的FRAM主要包括两大类：串行FRAM和并行FRAM。其中串行FRAM又分I2C两线方式的FM24xx系列和SPI三线方式的FM25xx系列。

3、FRAM的读写操作

FRAM保存数据不是通过电容上的电荷，而是由存储单元电容中铁电晶体的中心原子位置进行记录。直接对中心原子的位置进行检测是不能实现的。实际的读操作过程是：在存储单元电容上施加一已知电场(即对电容充电)，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(确定且已知)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2T/2C还是1T/1C的FRAM，对存储单元进行读操作时，数据位状态可能改变而参考位则不会改变(这是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)。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，所以每个读操作后面还伴随一个“预充”(precharge)过程来对数据位恢复，而参考位则不用恢复。晶体原子状态的切换时间小于1ns，读操作的时间小于70ns，加上“预充”时间60ns，一个完整的读操作时间约为130ns。

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。FRAM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。

详细操作流程参见I2C、SPI和SRAM接口操作时序。