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2026-04-11T12:26:30Z

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[[Datei:Medical Econet PalmCare - CPU module - Ramtron FM18L08-70-SG-5631.jpg|mini|FeRAM von [[Ramtron]]]]
Als {{lang|en|'''Ferroelectric Random-Access Memory'''}} ('''FRAM''' oder '''FeRAM''') bezeichnet man einen nichtflüchtigen elektronischen [[Datenspeicher|Speichertyp]] auf der Basis von Kristallen mit [[Ferroelektrikum|ferroelektrischen]] Eigenschaften, das heißt dem [[Ferromagnetismus]] analogen elektrischen Eigenschaften.

Der Aufbau entspricht dem einer [[Dynamic Random Access Memory|DRAM]]-Zelle, nur wird anstelle eines konventionellen Kondensators ein Kondensator mit ferroelektrischem Dielektrikum eingesetzt. Ferroelektrische Materialien können analog zu ferromagnetischen Materialien eine permanente [[Polarisation (Elektrizität)|elektrische Polarisation]] auch ohne externes elektrisches Feld besitzen. Durch ein externes Feld kann diese Polarisation in eine andere Richtung „umgeschaltet“ werden, worauf der Speichermechanismus der FRAMs beruht.

Ein häufig verwendetes Ferroelektrikum ist das im [[Perowskit-Supergruppe#Kristallstruktur|Perowskit-Typ]] kristallisierende [[Bariumtitanat]], BaTiO3. Die positiv geladenen Titanionen richten sich zu einer Seite des Kristalls aus, während sich die negativ geladenen Sauerstoffionen zur gegenüberliegenden Seite ausrichten, wodurch sich ein Dipolmoment und damit die permanente Polarisation des gesamten Kristalls ergibt.

== Herstellung ==
Auf einem [[Halbleiter]]-[[Wafer]] wird eine dünne ferroelektrische Schicht aufgebracht, die den Gate-Isolator der sonst üblichen FET-Speicherzelle ersetzt. Die Schicht besteht aus z. B. [[Blei-Zirkonat-Titanat]] (PZT) oder chemisch Pb(ZrxTi1−x)O3 oder die [[Perowskit-Supergruppe#Aurivillius-Verbindungen|Aurivillius-Verbindung]] [[Strontium-Bismut-Tantalat]] (SBT, SrBi2Ta2O9). Der Speicher- und Löschvorgang wird durch eine Spannungsänderung und somit eine Feld- und Polarisationsänderung in der ferroelektrischen Schicht realisiert.

== Schaltungsvarianten ==
[[Datei:1T FeRAM cell structure.svg|thumb|upright=1.4|Schnittdarstellung durch eine 1T-FeRAM-Zelle]]
Es gibt verschiedene Schaltungsvarianten für ferroelektrische Speicher. Die gebräuchlichsten sind die sogenannten 1T1C- und 2T2C-Zellen mit jeweils einem bzw. zwei Transistoren und Kondensatoren mit ferroelektrischem [[Dielektrikum]]. Der Transistor wird in jedem Fall zur Auswahl der zu beschreibenden Speicherzelle benötigt, da Ferroelektrika keine scharfe Umschaltspannung besitzen, sondern die Umschaltwahrscheinlichkeit mit der Stärke der Spannung und der Dauer des Spannungspulses steigt. Beschrieben werden Zellen, indem nach Auswahl der gewünschten Speicherzelle über die Wort- und Bitleitungen die Polarisation des Ferroelektrikums durch einen Spannungspuls gesetzt wird.

Gelesen werden die Speicherzellen ebenfalls über Spannungspulse, wobei die Speicherzelle mit einem definierten Zustand beschrieben wird. Je nachdem, ob sich dabei die Polarisationsrichtung umkehrt oder gleich bleibt, ergibt sich ein unterschiedlicher [[Verschiebungsstrom]], der von einem Leseverstärker (engl. {{lang|en|''sense amplifier''}}) in ein entsprechendes Spannungssignal auf der Bitleitung umgesetzt wird. Da dieser Lesevorgang die bestehende Polarisation zerstört, muss die Zelle danach wieder mit dem ursprünglichen Speicherinhalt beschrieben werden.

Weiterhin gibt es noch 1T-Zellen, die nur aus einem ferroelektrischen [[Feldeffekttransistor]] (FeFET) bestehen. Bei einem FeFET ist die Gate-Isolation durch ein ferroelektrisches Dielektrikum ersetzt (analog zum {{lang|en|''floating gate''}} beim [[Flash-Speicher|Flash]]-Speicher). Durch die elektrische Polarisation dieses Dielektrikums wird die Strom-Spannungs-Charakteristik des Source-Drain-Übergangs beeinflusst: Je nach Polarisationsrichtung sperrt der Transistor oder schaltet auf Durchgang. Beschrieben wird der FeFET durch Anlegen einer entsprechenden Spannung zwischen Gate und Source. Ausgelesen wird der FeFET durch Messung des Stroms bei Anlegen einer Spannung zwischen Source und Drain. Der Auslesevorgang ist nicht destruktiv.

== Eigenschaften ==
* nichtflüchtig (im Gegensatz zu DRAMs)
* kompatibel zu den gängigen [[Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory|EEPROMs]], jedoch zuverlässiger und schneller:
** Daten bleiben über 10 Jahre erhalten, auch bei starken Temperaturschwankungen (EEPROM garantieren bis 10 Jahre)
** Schreibzeit ca. 100 ns (entspricht Standard-[[Static random-access memory|SRAM]]; EEPROM sind mehrere Größenordnungen langsamer)
** 1010–1015 Schreib- und Lesezyklen garantiert je nach Typ und Hersteller (EEPROM bis 106 Zyklen)

== Lebensdauer und Ausfallursachen ==
Auch FRAMs werden nach einer gewissen Zeit der Benutzung unbrauchbar. Hohe Temperaturen beschleunigen dabei den Verfall. Es gibt zwei mögliche Ursachen für Fehler: Depolarisierung und Imprint. Bei der Depolarisierung senkt sich mit der Zeit das Polarisierungslevel der Zelle. Dadurch wird nach einer gewissen Zeit der aktuelle Zustand nicht mehr korrekt erkannt. Dieser Effekt verstärkt sich bei hohen Temperaturen. Zusätzlich dürfen die Zellen nicht oberhalb der [[Curie-Temperatur]] der Keramik betrieben werden, da ansonsten die ferroelektrischen Eigenschaften der Keramik, durch die Änderung der Raumstruktur, verschwinden.

Imprint bedeutet, dass die Zelle in einem Polarisierungszustand gefangen bleibt. Der Schreibimpuls genügt dann nicht mehr, um eine Polarisationsumkehr zu bewirken.

== Hersteller ==
FRAMs werden unter anderem von [[Fujitsu]] und von [[Cypress Semiconductor Corporation]] hergestellt. Die Firma [[Texas Instruments]] verwendet FRAMs in [[Mikrocontroller]]n der Reihe [[TI MSP430|MSP430]].

== Weblinks ==
* [http://www.golem.de/0602/43192.html Vorstellung FRAM und MRAM auf der ''International Solid-State Circuits Conference'' 2006 in San Francisco]
* [http://www.fujitsu.com/global/services/microelectronics/product/memory/fram/ FRAM-Produkte und -Prozesse]
* [http://www.ti.com/mcu/docs/mcuproductcontentnp.tsp?familyId=1751&sectionId=95&tabId=2840&family=mcu#4 FRAM in Mikrocontroller integriert]
* [https://www.fujitsu.com/jp/group/fsm/en/products/feram/device/ FRAMs von Fujitsu]
* [http://www.cypress.com/products/f-ram-nonvolatile-ferroelectric-ram FRAMs von Cypress]

{{Normdaten|TYP=s|GND=4830042-1}}

[[Kategorie:Halbleiterspeichertechnik]]

Ferroelectric Random-Access Memory - Versionsgeschichte

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