Перспективні технології флеш-пам’яті

а) MRAM (англ.: Magnetoresistive Random Access Memory – магніторезистивна пам’ять з довільним доступом) базується на використанні магніторезистивного ефекту.

Електронна схема MRAM відрізняється від DRAM (див. рис. 2.40) присутністю замість конденсатора елемента, що складається з двох розділених діамагнетиком (оксид алюмінію) магнітних шарів.

Один із феромагнітних шарів (нижній) є постійним магнітом з визначеним напрямком магнітного моменту. Намагнічення іншого шару може змінюватись на 180⁰ шляхом прикладання зовнішнього магнітного поля або напруги. Це можливе завдяки використанню матеріалу надрешіток і переходу з магнітним тунелюванням MTJ (Magnetic Tunnel Junction). Якщо магнітні моменти обох шарів паралельні, електричний опір всього елементу невеликий, це відповідає стану логічної „1”. Якщо „антипаралельні” – опір малий, і це відповідає стану „0” (див. рис. 2.47). Напрямок магнітних моментів шарів можна змінювати пропускаючи струм великого значення по шинах з якими контактують магнітні шари. Як відомо, навколо таких провідників із струмом виникає магнітне поле, яке і перемагнічує відповідний феромагнітний шар.

Переваги:

1. енергонезалежність;

2. простота контролю намагнічення;

3. висока швидкість доступу (декілька нс).

Недоліки:

1. необхідність великого струму перемагнічення;

2. вплив перезапису біта на сусідні комірки.

Саме ці недоліки поки що гальмують широке впровадження MRAM.

б) FeRAM (англ.: Ferroelectric Random Access Memory – сегнетоелектрична пам’ять з довільним доступом).

Комірка пам’яті FeRAM може випускатись в чотирьох наступних модифікаціях:

1. Комірка має структуру DRAM, лише замість конденсатора з діелектриком між пластинами використовується сегнетоконденсатор (конденсатор з сегнетоелектриком між пластинами, позначається 1Т-1С FeRAM);

2. Комірка є МДН транзистором, з тою різницею, що замість діелектрика між управляючим затвором і напівпровідником знаходиться сегнетоелектрик і лінії біт підводяться до витоку і стоку (1Т FeRAM);

3. Комірка є сегнетоконденсатором між пластинами (1С FeRAM),

4. Комірка складається з двох транзисторів і двох сегнетоконденсаторів (2Т-2С FeRAM).

В якості матеріалу сегнетоелектрика беруться змішані поліметалічні оксиди, що спікаються в сегнетоактивні кераміки.

Сегнетоелектрик поляризується і в залежності від напрямку цієї поляризації стан комірки пам’яті можна інтерпретувати як логічні „0” або „1”. Час процесу переполяризації дуже малий (менше 1 нс) і сам процес вимагає незначного енергоспоживання. Кількість циклів запису досягає декількох мільярдів.

Внутрішня будова транзистора з сегнетоелектриком показана на рис. 2.51. В якості сегнетоелектрика у нього використовується SrBi₂Ta₂O_9. Розглянемо принцип дії 1Т FeRAM. При подачі на управляючий електрод додатнього потенціалу, а на електроди стоку/витоку від’ємного – сегнетоелектрик поляризується. В такому стані транзистор закритий, струм через нього не йде, це інтерпретується як логічна „1”. Якщо змінити полярність під’єднаної напруги до електродів, то можна змінити напрямок поляризації сегнетоелектрика і закодувати логічний „0”.

Принцип читання відрізняється від реалізації в DRAM. Між стоком і витоком подається додатна напруга (+6В). Якщо в транзисторі був закодований „0”, він не відкривається і струму на виході нема. Якщо була закодована „1”, то сегнетоелектрик переполяризовується і виштовхує в канал провідності з буферного шару електрони. На короткий час виникає імпульс струму, який і інтерпретується як „1”. Слід відмітити, що процес читання перезаписує вміст комірки пам’яті і тому необхідно після нього відновлювати дані.

1С FeRAM (зараз називають SFRAM) в майбутньому замінить SRAM. Вважається, що це відбудеться в найближчі декілька років.

Принцип запису біта в комірку 1Т-1С FeRAM наступний. На лінію слів подається потенціал, який відкриває транзистор. Підключаючи напругу різної полярності до сегнетоконденсатора по лініях біт, можна по різному поляризувати сегнетоелектрик, що відповідає логічним „0” і „1”.

в) PCRAM (phase - change random access memory – оперативна пам’ять зі зміною фазових станів).

Цей вид пам’яті базується на властивості халькогенідів (сплав GeSbTe із стехіометричним складом 2:2:5) змінювати під дією нагрівання або електричного струму свій фазовий стан від кристалічного до аморфного. В кристалічному стані цей матеріал є електропровідним і прозорим для широкого діапазону світлових хвиль, в аморфному стані – непровідним і непрозорим. До цього часу використовувались лише оптичні властивості халькогенідів в технологіях запису і стирання інформації на CD-RW і DVD-RW диски. В

пам’яті PCRAM використовуються його електропровідні властивості. Двом фазовим станам речовини можна поставити і відповідність логічні „0” і „1”. Дана речовина знаходиться між двома твердими металічними електродами. При подачі короткочасного імпульсу струму великої потужності для випадку ОП (див. рис. 2.54) під його дією халькогенід розплавлюється. Швидке охолодження від вентиляції не приводить до відновлення його кристалічної структури. В результаті халькогенід закріплює аморфну структуру і, відповідно, великий опір (логічний „0”).

Для запису „1” використовується довгий по часу імпульс струму невеликої потужності. Під дією цього струму матеріал розігрівається, молекули халькогеніду перебудовуються в кристалічну структуру (процес „відпалення”) і відновлюють свої електропровідні і оптичні властивості.

В практичному застосуванні пам’ять PCRAM подібна до PROM, в яку поміщені фалькогенідні вставки (див. рис. 2.55).

Переваги:

1. Висока щільність зберігання інформації (декілька атомів необхідно для створення комірки для зберігання інформації. Реально можна розміри комірки довести до 5 нм);

2. Малий час перепрограмування (1 нс).

Недоліки:

1. Необхідність нагріву халькогеніду до декількох сотень градусів за Цельсієм (значне енергоспоживання);

2. Відносно невисока швидкодія.

г) RRAM (resistive random access memory – резистивна пам’ять з довільним доступом). Інколи пам’ять RRAM називають пам’яттю організованою на мемрісторі. Символьно мемрістор позначається на схемах (див. рис. 2.56):

За принципом дії RRAM подібна до PCRAM, тільки замість зміни фазового стану під дією тепла тут використовується електрохімічна реакція. Матеріалом для резистивної пам’яті є непровідний для струму оксид, наприклад, SrTiO₃ (позначається - STO) або SrZrO₃ (SZO).

Завдяки прикладеній високій напрузі у кристалі, утримуються дірки і вільні електрони, які можуть стати носіями заряду. Дірки формують вузькі електропровідні канали, які приводять до зменшення опору кристалу. Зворотна напруга повертає кисень, знову перетворюючи матеріал в діелектрик з великим опором. Такі переходи створюють стійкі стани пам’яті, які змінюються тільки під дією високих значень напруги певної полярності.

 

⇐ Предыдущая123456

Поделиться: