FRAM: Grundlagen und Vorzüge ferroelektrischer Speicher

Autor / Redakteur: Manoj Bhatia * / Sebastian Gerstl

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.

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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)

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.

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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.

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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.

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 des 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 Kbitit 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.

Ergänzendes zum Thema
FRAM-Produkte von Cypress

Cypress bietet die nach eigenen Angaben branchenweit die größte Auswahl an äußerst energieeffizienten und zuverlässigen F-RAM-Produkten. Unter den in diesem Artikel aufgeführten technischen Voraussetzungen verbrauchen die Bausteine nur 30% der Leistung der fortschrittlichsten EEPROMs. Zugleich versprechen sie 100.000.000-fach höhere Wiederbeschreibbarkeit.

Cypress FRAM wird in Speicherdichten von 4 Kbit bis 4 Mbit für Versorgungsspannungen von 2,0 V bis 5,5 V geliefert. Die FRAM-Produkte mit SPI-Schnittstelle und seriellem I2C-Bus sind im SOIC8-, DFN8- und EIAJ-Gehäuse verfügbar

Weitere Informationen zur Cypress F-RAM-Technologie und den Produkten finden Sie auf der Webseite des Herstellers: www.cypress.com.

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.

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