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MRAM与FRAM技术比较

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MRAM技术

MRAM或磁性随机存取存储器使用1晶体管–1磁性隧道结(1T-1MTJ)架构,其中铁磁材料的磁性“状态”作为数据存储元素。由于MRAM使用磁性状态进行存储(而不是随时间推移而“泄漏”的电荷),因此MRAM可以提供非常长的数据保留时间(+20年)和无限的耐用性。切换磁极化(Write Cycle)是在电磁隧道结(MTJ)上方和下方的导线中产生脉冲电流的结果(见图1)。

图1:磁性隧道结(MTJ)


电流脉冲带来的相关H场会改变自由层的极化铁磁材料。这种磁性开关不需要原子或电子的位移,这意味着没有与MRAM相关的磨损机制。自由层相对于固定层的磁矩改变了MTJ的阻抗(见图2)。

 


图2:MRAM磁性隧道结(MTJ)存储元件


阻抗的这种变化表示数据的状态(“1”或“0”)。感应(读取周期)是通过测量MTJ的阻抗来实现的(图3)。MRAM器件中的读取周期是非破坏性的,并且相对较快(35ns)。读取操作是通过在MTJ两端施加非常低的电压来完成的,从而在部件使用寿命内支持无限的操作。

 

图3:MRAM读写周期

 
FRAM技术
 
FRAM或铁电随机存取存储器使用1个晶体管–1个铁电电容器(1T-1FC)架构,该架构采用铁电材料作为存储设备。这些材料的固有电偶极子在外部电场的作用下转换为相反极性。改变铁电极化态需要偶极子(位于氧八面体中的Ti4+离子)移动(在Pb(Zr,Ti)O3的情况下)对电场的响应(图4)。自由电荷或其他随时间和温度累积的离子缺陷会阻止这种运动,这些缺陷会导致偶极子随时间松弛,从而导致疲劳。
 

图3:FRAM原子结构   图4:FRAM数据状态

 
FRAM中的读取操作具有破坏性,因为它需要切换极化状态才能感知其状态。在初始读取之后,读取操作必须将极化恢复到其原始状态,这会增加读取时间的周期。
 


图5:FRAM读/写周期

 
FRAM的读和写周期需要一个初始的“预充电”时间,这可能会增加初始访问时间。