铁电存储器的主要技术特点

scarletnet — Thu, 07 Oct 2021 07:13:05 GMT

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电能表经过一个世纪多的演进：由机械式电表到今日的各种不同型式的电子电能表，包含新的预付费电能表复费率电能表以及具有双向通讯能力的电子式电能表等，其提供的扩展功能包括：自动读表(AMR)、线上查询、远程连接/断开，以及复杂的计费结构等等。这些电能表还可让使用者对其耗电量有更好的控制，以便节省电费及更有效地分配用电量。

如图1所示，电子电能表的基本架构包括下列各主要功能模块：电压电流取样电路；16位以上分辨率的ADC；计量与控制单元；通信接口；操作界面；显示器；存储器。本文将以存储器为重点说明为何电子式电能表需要使用铁电存储器(F-RAM)。

铁电存储器的技术特点

首先要说明的是铁电存储器和浮动栅存储器的技术差异。现有闪存和EEPROM都是采用浮动栅技术，浮动栅存储单元包含一个电隔离门，浮动栅位于标准控制栅的下面及通道层的上面。浮动栅是由一个导电材料，通常是多芯片硅层形成的 (如图2所示)。浮动栅存储单元的信息存储是通过保存浮动栅内的电荷而完成的。利用改变浮动栅存储单元的电压就能达到电荷添加或擦除的动作，从而确定存储单元是在 ”1”或“0” 的状态。但是浮动栅技术需使用电荷泵来产生高电压，迫使电流通过栅氧化层而达到擦除的功能，因此需要5-10ms的擦写延迟。高写入功率和长期的写操作会破坏浮动栅存储单元，从而造成有限的擦写存储次数（例如：闪存约十万次，而EEPROM则约1百万次)。

铁电存储器是一种特殊工艺的非易失性的存储器，是采用人工合成的铅锆钛(PZT) 材料形成存储器结晶体，如图3所示。当一个电场被施加到铁晶体管时，中心原子顺着电场停在低能量状态I位置，反之，当电场反转被施加到同一铁晶体管时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动并停在另一低能量状态II。大量中心原子在晶体单胞中移动耦合形成铁电畴，铁电畴在电场作用下形成极化电荷。铁电畴在电场下反转所形成的极化电荷较高，铁电畴在电场下无反转所形成的极化电荷较低，这种铁电材料的二元稳定状态使得铁电可以作为存储器。

图1、电子电能表的基本电路方块图。

图2、浮动栅存储单元

图3、铁电存储器结晶单元。

特别是当移去电场后，中心原子处于低能量状态保持不动，存储器的状态也得以保存不会消失，因此可利用铁电畴在电场下反转形成高极化电荷，或无反转形成低极化电荷来判别存储单元是在 ”1”或 “0” 状态。铁电畴的反转不需要高电场，仅用一般的工作电压就可以改变存储单元是在 ”1”或 “0” 的状态；也不需要电荷泵来产生高电压数据擦除，因而没有擦写延迟的现象。这种特性使铁电存储器在掉电后仍能够继续保存数据，写入速度快且具有无限次写入寿命，不容易写坏。所以，与闪存和EEPROM 等较早期的非易失性内存技术比较，铁电存储器具有更高的写入速度和更长的读写寿命。

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