7.2.2. Устройства памяти

Использование диэлектрических материалов при создании запоминающих устройств весьма перспективно для создания новых приборов, характеризующихся энергонезависимостью, высоким выходным сигналом, устойчивостью к воздействию перегрузок и радиации. По функциональному назначению эти устройства близки к репрограммируемым полупроводниковым ЗУ (РПЗУ). Одними из первых устройств этого типа были сегнетоэлектрические ЗУ, изготовленные на поликристаллической сегнетокерамике типа цирко-ната-титаната свинца (PZT-керамика).

Запоминающее устройство изготовлялось на основе керамической пластины 2 в форме диска или прямоугольника, фрагмент которого изображен на рис, 3.5. Термическим на­пылением в вакууме на внешнюю поверхность наносились металлические электроды в форме секторов или прямоугольников 1. С другой стороны наклеивался сплошной элек­трод из латуни или инвара 3, который служил общим электродом и для еще одной пластины PZT-керамики 4 с сплошным электродом 5, присоединенной снизу. Такая слои­стая структура из двух типов сегнетоэлектриков с электродами между ними представляет собой твердотельную память на диэлектрике.

Рисунок - 7.5. Фрагмент устройства памяти на сегнетоэлектрической PZT-керамике

Первоначально сегнетоэлектрик имеет остаточную поляризацию, например, отрицательную, при которой вектор остаточной поляризации -Р2 направлен вниз. Этому состоянию памяти можно приписать хранение во всех разрядах информационных нулей. Это же со­стояние можно сформировать путем переполяризации секторов (разрядов) памяти, пода­вая отрицательный импульс напряжения с помощью коммутаторов 6 и 7.

Программирование запоминающего устройства происходит путем записи двоичной еди­ницы информации в соответствующий разряд памяти (+ Р2). С этой целью туда необхо­димо подать положительный импульс напряжения соответствующей комбинацией ком­мутаторов 6 и 8. Амплитуда и длительность положительного импульса определяется процессом локальной переполяризации сегнетокерамики. После снятия напряжения записи заданное направление поляризации сохраняется в силу гистерезисных свойств сегнетоке­рамики.

Процесс считывания двоичной информации основывается на пьезоэлектрических свойст­вах сегнетокерамики. Так, если к электродам 3 и 5 сегнетокерамики 4 приложить напря­жение с помощью коммутатора 9, то возникнет механическая деформация. Импульс де­формации от изгибающего элемента 4 пройдет через сегнетокерамику 2 и индуцирует на секторных электродах заряд, соответствующий ранее записанной двоичной информации. Этот заряд может быть считан как соответствующий ему потенциал с помощью коммута­тора 6 и, таким образом, расшифрована ранее записанная информация. Такая память на изгибающем элементе требует довольно больших входных сигналов (~ 15 В), способных вызвать значительные механические деформации и, соответственно, большие значения выходных сигналов (~ 2 В).

В процессе совершенствования конструкции сегнетокерамику 2 и 4 изготавливают из нескольких различных составов, с разными значениями коэрцитивной силы, что позволя­ет оптимизировать соотношения между амплитудами импульсов записи и считывания информации, выбирать резонансный или нерезонансный режим работы.

Такие достаточно надежные и помехоустойчивые устройства могут использоваться для задания времени срабатывания. Описанные ЗУ отличаются простотой в обращении, имеют малую стоимость, простую конструкцию, высокую радиационную стойкость. Со временем эта конструкция стимулировала развитие идеи создания пьезоэлектрической вычислительной среды (ПЭВС) с функциями запоминающих устройств. При этом использовалось два типа динамических неоднородностей — сегнетоэлектрические домены для хранения информации и акустические волны для обработки информации.

Важно отметить, что в этом случае решается принципиально новая технологическая задача: активная диэлектрическая континуальная среда в виде твердых тел заменяется аналогичной пленочной структурой. При этом необходимо воспроизвести сегнетоэлектрические свойства в тонких континуальных слоях. Сложность заключается в том, что физическая природа сегнетоэлектричества формируется дальнодействующими силами дипольного происхождения. Радиус действия таких сил определяется корреляционной длиной. В этом случае толщина слоев сегнетоэлектрика должна на порядок превышать корреляционную длину и составлять 100 - 500 нм. При этом необходимо достаточно точно воспроизвести стехиометрии трех-, четырех- и более компонентного состава. В этих пленках должны быть сохранены физические свойства объемного материала. При этом одновременно уменьшаются управляющие электрические и механические напряжения, оптические и акустические потери, улучшаются другие потребительские свойства.

Вопросы получения промышленных пленок сегнетоэлектриков являются специальной, технологической проблемой. Информационным значениям "0" или "1" соответствует раз­ность фаз считываемого сигнала в 2π, что соответствует направлениям поляризации + Р2 в отдельных ячейках памяти.

Разработанные пьезокеромпческие матрицы (ПКМ) функционируют на принципе импульсного или резонансного считывания информации и напоминают конструкцию, рассмотренную на рис 3.5.

Считывание информации происходит без ее разрушения с тактовой частотой до 1 МГц, определяемой временем переполяризации (~ 50 мкс). Допускается 106 - 108 циклов перезаписи информации. Разработаны интегральные ПКМ емкостью более 512 бит с напряжением перезаписи ~ 4В, работающие в интервале температур 80 - 200 °С, выдерживающие ударные нагрузки до 3x104 g и отличающиеся высокой радиационной стойкостью.

Следует отметить возможность увеличения на порядок плотности записи информации без увеличения числа ячеек памяти. В основе лежит физический принцип переключения поляризации из состояния - Р2 в состояние + Р2. Из-за отсутствия абсолютного порога переключения можно один бит информации, например "1", разложить на амплитудный многоуровневый аналоговый сигнал и воспользоваться законами многозначной логики. Так, в ПКМ достаточно легко обеспечить 20 уровней ± ∆Р2 во всем диапазоне ± Р2 с разрешением цифроаналогового преобразования 10-1 В. Одним из основных требований к сегнетоэлектрическим материалам таких ПКМ является обеспечение коэффициента прямоугольности петли диэлектрического гистерезиса 0,85 ≤КПР = Р2/ РS < 1.

Весьма перспективным материалом для ЗУ являются сегнетоэлектрические пленки на основе нитрата калия (КNО3). Они отличаются малым временем переключения ~ 10-9 с, высокой тактовой частотой ~ 108 Гц, малыми геометрическими размерами доменов, позволяющими получить размер ячейки ~ 20 мкм2 и, соответственно, достичь степени интеграции 108—1010 бит/см2. Емкостные элементы функциональной электроники нашли перспективное применение в устройствах памяти схемотехнической электроники.

Известно, что одним из существенных недостатков существующих схем памяти является отсутствие энергозависимости. Разработано несколько подходов к созданию энергонезависимых схем памяти. Лучший результат дает технология осаждения на поверхность тонкой пленки цирконата титаната свинца (ЦТС или РZТ), с помощью которой формируются сегнетоэлектрические конденсаторы. Такие конденсаторы соответствующим образом поляризуются и, имея высокое значение диэлектрической проницаемости (ε 1200), обеспечивают определенное состояние ЗУ при частом отключении питания.

Керамика цирконат титанат свинца (РZТ) обладает высоким удельным сопротивлением (изолятор), термической и химической стойкостью, высокой механической прочностью. Температура фазового перехода РZТ-керамики составляет 330 °С, и поэтому такие схемы могут работать в температурном диапазоне - 180 ...+ 320 °С. Пробивное напряжение таких схем составляет ~ 40 В, диэлектрическая проницаемость выше 1,2 103 , что позволяет резко повысить плотность интеграции по сравнению с известными схемами ДОЗУ.

Таким образом, динамические неоднородности в виде сегнетоэлектрических доменов, встроенных в устройства схемотехнической электроники, позволяют получить их новое качество, существенно улучшить выходные характеристики.