Теоретическое введение

Сегнетоэлектричество, электрический аналог ферромагнетизма. Подобно тому как в ферромагнитных веществах при помещении их в магнитное поле проявляется остаточная магнитная поляризация (момент), в сегнетоэлектрических диэлектриках, помещенных в электрическое поле, возникает остаточная электрическая поляризация.

Микроскопической причиной сегнетоэлектричества является наличие внутри вещества атомных (или молекулярных) диполей. Эти диполи ориентируются внешним электрическим полем и остаются ориентированными после снятия поля; переключение направления поля на противоположное приводит к обратной ориентации диполей. Принципиальное отличие сегнетоэлектричества от ферромагнетизма состоит в том, что свободные электрические заряды могут экранировать электрические поля, создаваемые электрическими диполями, а это затрудняет прямое наблюдение статической поляризации. Поляризацию обычно измеряют по так называемой петле гистерезиса. Образец помещают между пластинами конденсатора, на которые подается переменное напряжение E. На экране осциллографа регистрируется кривая зависимости заряда, возникающего на пластинах, а тем самым и электрической поляризации (поскольку заряд, отнесенный к единице площади поверхности пластин, является мерой вектора электрической поляризации P), от напряжения (поля) E. Петля гистерезиса характеризуется двумя величинами: остаточной поляризацией P (любого знака), имеющейся даже при нулевом поле E, и коэрцитивным полем Ec, при котором вектор поляризации изменяет направление на обратное. Площадь петли гистерезиса равна работе электрических сил, затрачиваемой в пределах одного цикла перехода сегнетоэлектрика между двумя эквивалентными состояниями поляризации противоположного знака.

Рис 8.1 петля гистерезиса

Хотя образование петли гистерезиса является свидетельством наличия сегнетоэлектричества, во многих сегнетоэлектрических веществах она возникает лишь при определенных условиях, а иногда и вообще не наблюдается. Подобные трудности характерны для электропроводящих веществ, материалов с высокими диэлектрическими потерями и очень большими коэрцитивными полями. В этих случаях для выявления сегнетоэлектричества используются другие эффекты, в частности пироэлектрический эффект (зависимость вектора поляризации от температуры), зависимость диэлектрической проницаемости от температуры, наличие доменной структуры, особенности кристаллической структуры и динамики решетки.

Первым веществом, в котором было обнаружено сегнетоэлектричество, была сегнетова соль (KNaC₄H₄O₆)4H₂O. Аналогия между диэлектрическими свойствами этого вещества и ферромагнитными свойствами железа была установлена Дж.Валашеком (США) в 1920. Ему же удалось определить и температуру Кюри Tc как температуру перехода, при которой в сегнетовой соли возникает упорядоченная поляризация. Выше этой температуры дипольное упорядочение, а вместе с ним и сегнетоэлектричество, отсутствуют.

Ряд сегнетоэлектрических кристаллов был впервые получен в 1935 в Цюрихе Г.Бушем и П.Шеррером. В качестве исходного был взят кристалл дигидрофосфата калия KH2PO4. Изоморфные с ним кристаллы, в которые вместо фосфора и водорода входят мышьяк и дейтерий, тоже обнаруживали сегнетоэлектрические свойства. Соединения аммония же (например, NH4H2PO4) не становились сегнетоэлектрическими ниже температуры Кюри, и спустя 20 лет было установлено, что они являются антисегнетоэлектриками. Это означает, что чередующиеся диполи таких кристаллов ориентируются антипараллельно друг другу (подобно магнитным моментам в антиферромагнетике). До 1943 считалось, что содержание водорода в известных сегнетоэлектриках является непременным условием сегнетоэлектричества. Л.Онсагер и Дж.Слэтер в 1939 предположили, что в кристалле КН2РО4 носителями сегнетоэлектрических свойств являются ионы водорода, смещенные из положения равновесия и упорядочивающиеся при температуре ниже Тс.

Однако после открытия в 1945 Б.М.Вулом и И.М.Гольдманом сегнетоэлектричества в титанате бария BaTiO3 стало ясно, что наличие или отсутствие атомов водорода несущественно для сегнетоэлектричества. Выяснилось также, что явление сегнетоэлектричества распространено значительно шире, чем было принято считать ранее; в частности, оно возможно и в сравнительно простых кристаллических структурах. Вслед за титанатом бария в короткий срок было открыто много других сегнетоэлектриков, и в настоящее время их известно более 340.

Кристаллическая структура BaTiO₃. Она достаточно проста для исследования методом рентгеноструктурного анализа и дала первую детальную картину атомных смещений, сопутствующих установлению сегнетоэлектричества. Выше температуры Кюри Тс (135 С) кристалл имеет объемно-центрированную кубическую решетку. При температуре, равной Тс, ион титана скачком смещается вдоль одной из осей куба (рис. 3), в результате чего возникает тетрагональная структура. Соседние ионы титана смещаются в том же направлении, что и приводит к появлению макроскопической поляризации, т.е. сегнетоэлектричеству. При температурах ниже комнатной по мере того, как ионы Ti смещаются вдоль других осей куба, происходят два дальнейших фазовых перехода в орторомбическую и ромбоэдрическую структуры. Было выявлено много соединений, обладающих подобной простой структурой перовскита или близкой к ней, и найдены важные технические применения. Температура Кюри и другие сегнетоэлектрические характеристики существенно зависят от состава таких соединений.

Рис 8.2 кристаллическая структура BaTiO₃

В кубической структуре шесть главных направлений вдоль ребер куба эквивалентны друг другу, а потому понятие тетрагонального искажения в равной мере пригодно по отношению к любому из них. В только что выращенном кристалле отдельные области, «домены», имеют разные направления поляризации. Эти домены часто выявляются в поляризованном свете, поскольку оптические свойства домена обладают той же симметрией, что и локальная кристаллическая структура. Ширина границ между доменами («доменных стенок»), как правило, не превышает нескольких элементарных ячеек.

Если к многодоменному кристаллу приложить электрическое поле (превышающее Ec), то домены, ориентированные вдоль поля, будут расти (вследствие смещения доменной стенки) за счет ориентированных против поля. В итоге весь кристалл превращается в один домен с однородными оптическими свойствами. Обращение вектора поляризации тоже сопровождается смещением доменной стенки.

Поскольку многие сегнетоэлектрические соединения обладают сходными структурами, можно образовать твердые растворы из двух или более таких веществ. Подобные растворы часто отличаются по своим свойствам от их ингредиентов; в частности, точка Кюри оказывается размытой, так что сегнетоэлектрический переход происходит постепенно в широком диапазоне температур и диэлектрическая проницаемость в этом диапазоне обнаруживает сложное поведение релаксационного характера. Такие переходы обычно называют диффузными, и соответствующие микроскопические процессы весьма интенсивно исследуются. Другие структуры, например композиционные материалы на основе сегнетоэлектриков и полимеров или стекол, часто сохраняют ценные качества своих ингредиентов. Примером могут служить гибкие сегнетоэлектрики, сегнетоэлектрики с большой сжимаемостью, а также многослойные структуры с большой электрической емкостью (способностью к накоплению заряда). Подобные композиционные материалы возможны по той причине, что из многих сегнетоэлектриков (например, BaTiO3 и цирконата-титаната свинца PZT) можно без труда изготовить поликристаллические керамики, а будучи отлиты в сложные формы, они обычно в значительной мере сохраняют сегнетоэлектрические свойства массивного материала.

Сегнетоэлектрические свойства обнаруживают не только твердые кристаллические вещества. Некоторые жидкие кристаллы и полимерные материалы тоже являются сегнетоэлектриками. В смектических жидких кристаллах молекулярная структура такова, что киральные центры (молекулярные диполи) соседних молекул благодаря стерическим взаимодействиям между молекулами ориентированы почти параллельно. Внешнее электрическое поле изменяет направление этих диполей на обратное за счет молекулярных вращений. В полимере поливинилиденфториде PVF2 молекулярные диполи, присоединенные к полимерному скелету, могут быть ориентированы в электрическом поле с образованием устойчивой решетки, обнаруживающей макроскопическую поляризацию. Такие материалы весьма перспективны для многих видов применения.

Первые теории сегнетоэлектричества относились лишь к небольшому числу известных тогда конкретных кристаллических структур. Теория Слэтера (1950), основанная на гипотезе дальнодействующих дипольных сил, была успешно применена к описанию BaTiO3. Феноменологические теоретические модели, развитые А.Девонширом и В.Л.Гинзбургом, оказались вполне пригодными для описания поведения сегнетоэлектрической и несегнетоэлектрической фаз, а также для интерпретации теплового, упругого и электрического поведения материалов вблизи сегнетоэлектрического фазового перехода. В 1960 Ф.Андерсон и В.Кохран установили, что эта теория может быть построена на основе понятий динамики решетки. В частности, они ввели термин «мягкие моды» для движений ионов всех атомов, принимающих участие в переходах типа смещения. С 1960-х годов такой подход стал доминирующим в теории сегнетоэлектричества и использовался для описания всех типов сегнетоэлектрической неустойчивости.

Рис 8.3. Кристаллическая решетка титаната бария (проекция на грань куба). Смещение атомов титана и кислорода из нормальных положений преувеличено для иллюстрации ионной деформации, ведущей к сегнетоэлектричеству. Смещения указаны в ангстремах.

Применения. Сегнетоэлектрические материалы широко изучались в перспективе разнообразных применений. Достаточно привести лишь несколько примеров. Большая диэлектрическая проницаемость вблизи Тс (например, в BaTiO3) представляет интерес с точки зрения применения в многослойных конденсаторах. Ниобат лития (LiNbO3), обладающий большими электрооптическими коэффициентами, – наилучший материал для интегральных оптических модуляторов и дефлекторов. Тонкие пленки из цирконата-титаната свинца и лантана (PLZT) активно изучаются с целью создания энергозависимых микроэлектронных ЗУ с применением кремниевой технологии. (Бистабильная поляризация – идеальная основа для двоичных ячеек памяти.) Кристалл КН2РО4 широко применяется для удвоения оптической частоты лазера. Из триглицинсульфата (TGS) изготавливаются фотоприемники для инфракрасной области спектра. Сегнетоэлектрическая керамика и полимеры используются в качестве пьезоэлектрических преобразователей, гидрофонов и измерительных преобразователей давления. Успехи в этих и других технических приложениях будут определяться достижениями в области обработки материалов и выращивания кристаллов сегнетоэлектриков высокого качества.

В современных запоминающих устройстройствах используются следующие виды памяти:

1. RОM

2. FLASH

3. FRAM

Они отличаются быстродействием, долговечностью, объемом хранимых данных, габаритами, конструктивным устройством, способом хранения информации и т.д.

Самым современным и прогрессивным видом является FRAM, так как выдерживает все современные массово-габаритные требования.

Вот несколько определений:

FRAM – встроенная память со сверхнизким энергопотреблением

FRAM (ферроэлектрическое ОЗУ) – это изготовленная по передовой технологии энергонезависимая память нового поколения, встраивается в некоторые микроконтроллеры MSP430. Встроенная FRAM позволяет повысить скорость работы, снизить энергопотребление и уменьшить размеры устройства.

FRAM – это сокращение от " Ферроэлектрическая память со случайной выборкой". Это – энергонезависимая память, сохраняющая данные даже после отключения электропитания. Несмотря на наименование, FRAM является сегнетоэлектрической памятью и нечувствительна к воздействию магнитного поля, поскольку не содержит ферромагнитных материалов (железа). Ферроэлектрические материалы (сегнетоэлектрики) изменяют полярность в электрическом поле, но нечувствительны к магнитным полям.

Преимущества использования FRAM по сравнению с Flash/EEPROM:

1) Скорость FRAM обладает очень малым временем записи. Помимо всего прочего, эффективное время записи в ячейку памяти FRAM составляет менее 50 нс. Это примерно в 1000 раз быстрее, чем EEPROM. Кроме то, в отличие от EEPROM, где запись данных производится в две стадии, команда на запись, и последующая проверка/чтение, функция записи FRAM выполняется одновременно с чтением содержимого памяти. Имеется только одна команда доступа к памяти, одно действие как для чтения, так и для записи. В результате все то время, что в EEPROM тратится на запись, в микросхемах с FRAM будет сэкономлено.

2) Малая потребляемая мощность Запись в ячейку памяти FRAM происходит при низком напряжении и требует очень маленького тока для изменения данных. Использование EEPROM требует наличия высокого напряжения. FRAM использует очень мало энергии всего 1, 5 В в сравнении с 10–14 В для EEPROM. Низкое рабочее напряжение FRAM подразумевает малое энергопотребление, что расширяет функциональность и ускоряет скорость транзакций.

3) Надежность хранения данных Поскольку требуется очень малое количество энергии, вся необходимая FRAM мощность передается в начале цикла записи. Это позволяет избежать " разрыва данных" – частичной записи данных, происходящей в микросхемах EEPROM, когда их извлекают из силового РЧ-поля в процессе выполнения записи. Более того, FRAM выдерживает более 100 триллионов циклов чтения/записи, что намного превосходит ресурс EEPROM.

4). FRAM является весьма надежной и живучей технологией изготовления памяти, работоспособной даже при высоких температурах. FRAM сохраняет данные в течении более чем 10 лет при температуре 85 градусов по Цельсию. Это значительно превосходит требования к условиям хранения личных данных в удостоверениях личности государственного образца и демонстрирует надежность хранения данных во FRAM. FRAM используется в различных автомобильных решениях и была сертифицирована для работы в самых неблагоприятных условиях.

5). В отличие от FRAM, Flash/EEPROM построена по принципу плавающего затвора с сохранением заряда, который требует использования высокого напряжения и дорогих, энергоемких и громоздких цепях типа транзисторов и генераторов подкачки заряда. Ограничения, налагаемые всей этой высоковольтной схемотехникой, затрудняют переходы к все более тонким технологическим процессам производства ИС. Кроме того, используемый TI усовершенствованный 130-нанометровый технологический процесс производства FRAM позволяет значительно уменьшить размеры чипов по сравнению с 180–220 нм, используемым в большинстве встраиваемых микроконтроллерах на основе Flash и EEPROM. Это дает продуктам на основе FRAM значительное преимущество по размерам, производительности и энергоэффективности. Более того, процесс производства FRAM полностью совместим с цифровой КМОП-технологией, что в будущем упростит перевод производства на более тонкие технологические процессы.

6). FRAM является энергонезависимой памятью, сохраняющей данные даже после прекращения подачи электропитания. Так же, как и широко применяемая DRAM (динамическая ОЗУ), которую можно найти в ПК, рабочих станциях и непортативных игровых приставках (таких как PlayStation и Xbox), FRAM требует восстановления памяти после каждого чтения. Восстановление памяти выполняется, поскольку, как и в DRAM, ячейки памяти FRAM требуют перезаписи каждого считанного бита функцией обновления. Поскольку FRAM имеет неисчерпаемый ресурс (100 триллионов циклов записи/чтения), то это не имеет практического значения.

7). FRAM уже используется в смарт-картах для оказания финансовых услуг, на транспорте и в телеприставках. В сравнении с существующими технологиями EEPROM технология FRAM более устойчива к потере данных вследствие воздействия электрических полей, излучений и других факторов. Чрезвычайно малое время записи и тонкий 130-нанометровый технологический процесс делает ее трудной целью для атаки. Более того, присущее FRAM низкое энергопотребление (и то, что расход энергии на чтение и запись одинаков) усложняет взлом памяти методом дифференциального анализа напряжений.

8). Считается, что сегнетоэлектрические кристаллы содержат железо, либо являются ферромагнетиками или обладают схожими с ними свойствами. Это распространенное заблуждение. Термин " сегнетоэлектрик" указывает на сходство графика заряда, построенного в виде функции напряжения (см. рис. ниже) с петлей гистерезиса (кривая BH) ферромагнитных материалов. Сегнетоэлектрические материалы не подвержены влиянию магнитных полей.

9). Ячейки памяти FRAM для считывания и восстановления состояния данных используют переключение напряжения. Ферроэлектрическая PZT-пленка имеет толщину порядка 70 нм. Если устройство поместить в поле напряженностью 50 кВ на расстоянии 1 см, оно не в состоянии будет произвести по всей площади пленки более 1 В. С практической точки зрения это означает, что устройства с FRAM невосприимчивы к внешним электрическим полям.

10). Энергозависимые типы памяти DRAM и SRAM, используют для сохранения заряда конденсатор или простое триггерное запирание. Состояние таких ячеек памяти может быть сброшено воздействием альфа-частиц, космических лучей, тяжелых ионов, гамма-излучения, рентгеновского излучения и т. д., которое влечет за собой переход битов в противоположное состояние. Это называется кратковременными ошибками, поскольку данные при последующей записи будут сохранены. Частота, с которой это происходит, называется нормой безопасных ошибок устройства (SER). Поскольку ячейки FRAM хранят состояния посредством поляризации пьезоэлектрической пленки, попадание альфа-частицы вряд ли может изменить состояние конкретной ячейки, так что SER FRAM-памяти от естественного фона трудно даже измерить.

Такая устойчивость к излучениям делает FRAM весьма привлекательной для использования в новых медицинских решениях

11). Несмотря на то что в настоящее время TI производит автономную FRAM-память для Ramtron, нашим внутренним приоритетом является выпуск встраиваемой FRAM (в виде 2 суммирующих масок к течению дискретного процесса). Уже успешно разработаны массивы емкостью до 32 Мб. < FRAM является истинной NVRAM-технологией, заменяющей SRAM, DRAM, Flash / EEPROM, Поддерживается работа при 1, 5 В для использования в решениях с низким энергопотреблением

Хотя FRAM предоставляет непревзойденную гибкость и выгоды для потребителей, первоначальные варианты реализации оптимизированы для узких областей применения. Важно помнить, что технология FRAM может поддерживать как высокую производительность, так и низкое энергопотребление, однако наши текущие варианты реализации массивов FRAM оптимизированы для сверхнизкого энергопотребления.

Они идеально подходят для устройств, работающих на частотах ниже 25 МГц. Однако по мере развития технологий в будущем будут разрабатываться более производительные массивы памяти FRAM, которые будут поддерживать устройства, работающие на более высоких тактовых частотах.

Но, TI пока не рассматривает возможностей использования своих продуктов со встроенной FRAM-памятью в автомобильной промышленности.

Корпус FRAM и основные характеристики:

FM24CL64-GTR RAMTRON

Корпус SOIC-8-3.9

Структура памяти FRAM

Интерфейс I2C

Объём памяти 64 кбит

Напряжение питания 2.7...3.6 В

Рабочая температура -40...85 °C

Пример 1:

Основные преимущества микроконтроллера со встроенной FRAM памятью будут проиллюстрированы на примере приложения сбора данных. Это, как правило, узел с несколькими датчиками, который регистрирует и накапливает информацию о различных физических величинах или условиях окружающей среды, таких, как температура, влажность, вибрация, давление, наличие загрязняющих веществ и пр. (Рисунок 4).

Рис 8.4. Система регистрации и накопления данных. FRAM: универсальная память

В системе регистрации и сбора данных размер программного кода, отвечающего за измерение и накопление данных, может быть сравнительно небольшим по отношению к объему памяти для хранения данных. Для приложений, в которых использование внешней памяти нежелательно, и данные должны храниться в оперативной памяти «традиционных» Flash-микроконтроллеров, пришлось бы выбирать контроллер с объемом памяти, значительно превышающим потребности приложения. FRAM-микроконтроллеры позволяют из общего объема памяти выделить область для программы, а бó льшую часть памяти сделать доступной для хранения данных.

Такая концепция называется «Единая память» (Рис. 8.5). Универсальная память позволяет реализовать гибкое разделение всего объема памяти под программный код и данные: один и тот же тип памяти может использоваться как для программ, так и для хранения данных, для которых в обычных микроконтроллерах используются различные типы памяти. Для поддержки концепции «универсальной памяти» FRAM микроконтроллеры MSP430 снабжены модулем защиты памяти, который позволяет «защищать» область памяти программ от случайной перезаписи.

Рис. 8.5.

Единая память микроконтроллера.

Ресурс записи

FRAM память выдерживает несоизмеримое с другими видами энергонезависимой памяти количество циклов перезаписи (Рис. 8.6). Применительно к системам сбора и накопления данных это означает намного больший срок службы при меньшей сложности. Например, если предположить, что запись набора данных происходит каждую секунду в ячейки с одинаковыми адресами, то при использовании Flash-микроконтроллера (с ресурсом 10, 000 циклов перезаписи) расчетное время работы системы составило бы менее 3 часов. Срок службы такой же системы на базе FRAM-микроконтроллера превысил бы 3 млн. лет. Для увеличения срока службы систем сбора данных на Flash-микроконтроллерах применяют сложные выравнивающие (wear leveling) алгоритмы наряду с дополнительной внешней Flash-памятью. Эти алгоритмы пытаются выравнивать интенсивность использования каждой ячейки памяти. При работе с FRAM памятью не требуются ни подобные алгоритмы, ни внешняя память.

Рис. 8.6.

Единая память микроконтроллера.

Быстрая запись

Дополнительным преимуществом FRAM технологии является быстрое выполнение операций записи. Для записи одного слова данных во Flash-память требуются десятки микросекунд. Например, для MSP430F5438, согласно спецификации, необходимо от 37 мкс до 85 мкс, в зависимости от режима программирования и условий процесса. Для других микроконтроллеров время записи иногда достигает 3 – 5 мкс. При этом не учитывается время на предварительное стирание сегмента, который будет перепрограммирован, на что уйдет еще несколько миллисекунд. Кроме того, на время записи, как правило, приостанавливается выполнение программы. При использовании FRAM запись одного слова данных займет 100 нс, при этом не потребуется операция предварительного стирания, и процесс выполнения программы практически не будет тормозиться.

Пример 2: управление освещением

В качестве следующего примера можно рассмотреть радиоканальную систему управления освещением, получающую энергию от включенных светильников. В таком системе микроконтроллер и приемопередатчик бó льшую часть времени находятся в выключенном состоянии, а это означает, что все конфигурационные данные должны храниться в энергонезависимой памяти. К таким данным относятся, например, параметры радиочастотной сети. В интеллектуальных системах управления освещением с диммированием должна храниться дополнительная статусная информация.

Для программирования одного слова Flash-микроконтроллера потребуется заряд в несколько сотен нанокулон (нКл). Например, 100 мкс × 2 мА = 200 нКл. В то же время для FRAM-микроконтроллера достаточно заряда более чем в 100 раз меньшего (100 нс × 4 мА = 400 пКл). А это означает, что при одном и том же накопленном заряде в памяти микроконтроллера может храниться в 100 раз больше данных.

Примечание: заряд, необходимый для программирования, может варьироваться от устройства к устройству. Приведенные значения лишь иллюстрируют порядок величин.