FRAM - Ferroelectric RAM

FRAM, oder auch FeRAM, bedeutet Ferroelectric Random Access Memory. Der Speicher- und Löschvorgang wird durch eine Polarisationsänderung in einer ferroelektrischen Schicht realisiert. Eine Variante davon ist PFRAM (Polymer Ferroelectric RAM), das eine dünne Schicht aus ferro-elektrischem Polymer zwischen zwei Metalllegierungen polarisiert.

Gegenüber herkömmlichen Festwertspeichern weist FRAM viele Vorteile auf:

  • keine Stromversorgung für den Datenerhalt
  • kompatibel zu den gängigen EEPROMs
  • 10 Billiarden Schreib-/Lese-Zyklen, was praktisch unbegrenzte Lebensdauer bedeutet
  • Schreibzeit ca. 100 ns (~ Standard-SRAM)
  • 1010 Schreib- und Lesezyklen garantiert
In kleinen Mengen wird FRAM schon seit Jahren produziert. Das größte Problem ist die Verkleinerung der Speicherzellen. Doch durch ihre Geschwindigkeit und den geringen Stromverbrauch können sie zum Beispiel die langsamen EEPROMs ersetzen. Deshalb wird FRAM als Ersatz für EEPROMs, Flash-EPROMs und gepufferte SRAMs verwendet. Vor allem für Anwendungen mit geringerem Stromverbrauch und schnellen Speicher- und Lesezyklen wird FRAM eingesetzt. Etwa in der Automobilelektronik, in mobiler und tragbarer Elektronik. Zum Beispiel in Chipkarten oder RFID-Etiketten.

Manchmal werden sie in kommerziellen Produkten verwendet und man weiß es nicht. Zum Beispiel verwendet die Firma Promise FRAM für ihre RAID-Controller.

Das ferroelektrische Speicherprinzip

Aufbau einer FRAM-Speicherzelle Der prinzipielle Aufbau einer FRAM-Speicherzelle entspricht einem Transistor (FET) und einem Kondensator, wie man es von der DRAM-Speicherzelle kennt. Der Gate-Isolator des FETs wird durch eine dünne ferroelektrische Schicht ersetzt.
Es gibt verschiedene ferroelektrische Materialien. Zum Beispiel Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) oder Bariumtitanat (BaTiO3). Ein anderes Material ist Strontium-Wismut-Tantalat (SBT).
Ferroelektrische Materialien sind durch ein elektrisches Feld polarisierbar. Ein von außen angelegtes elektrisches Feld beeinflusst die Ausrichtung der molekularen elektrischen Dipole einer FRAM-Speicherzelle. Beim Beschreiben einer Zelle werden die Atome durch das Anlegen des elektrischen Feldes in einen veränderbaren elektrischen Polarisationszustand gebracht. Nach dem Abschalten des elektrischen Feldes bleibt der eingestellte Zustand erhalten.
Auch das Auslesen des Zellenzustands erfolgt durch das Anlegen eines elektrischen Feldes. Wenn ein Polarisationswechsel hervorgerufen wurde, ändert sich die Stärke des Stroms, der durch die Zelle fließt. Da das Leseverfahren wie bei DRAM zerstörend wirkt, also der Zellinhalt gelöscht wird, folgt nach jedem Lesevorgang ein Schreibvorgang.

Fazit

Obwohl nach jahrzehntelanger Entwicklung FRAM- und MRAM-Halbleiterspeicher produziert werden und lieferbar sind, bleibt die Speicherdichte weit hinter der aktueller SDRAM-Halbleiterspeicher zurück. FRAM und MRAM scheiden deshalb als Flash- oder SDRAM-Ersatz aus.

Übersicht: Halbleiterspeicher

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