Сегнетоэлектрики как ЗУ ЭВМ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ – ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа 
на тему:

«Сегнетоэлектрики как ЗУ ЭВМ»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент 2 курса  
291 группы

Мелешихин

Ярослав Денисович

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

Декабрь 2012

Оглавление

 

Введение 3

Сегнетоэлектрики 4

Общие сведения о сегнетоэлектриках 4

Поляризация 4

Запоминающие  устройства 6

Принципы  устройства компьютерной памяти 6

Физические  эффекты 6

Сегнетоэлектрики  как ЗУ ЭВМ. 8

Физические  аспекты 8

Общие сведения об FRAM 8

Технология FRAM 9

Перспективы и применение 10

Список литературы 11

 

  

Введение

Сегнетоэлектриками  называются вещества, обладающие спонтанной электрической поляризацией, которая  может быть обращена приложением  электрического поля E подходящей величины и определенного направления. Сегнетоэлектрики обладают интересными электрическими свойствами; во многих твердых телах  силы связи носят главным образом  электрический характер, и тот  факт, что в сегнетоэлектриках  эти силы могут проявляется весьма ярко, существенно облегчает их изучение.

Сегнетоэлектрики  отличаются занимательными электрооптическими свойствами, и поэтому широко применяется  во многих областях современной техники: радиотехнике, электроакустике, квантовой  электронике и измерительной  технике.

Огромный потенциал  использования сегнетоэлектриков  в полупроводниковых технологиях  стал понятен около двадцати лет  назад, что нашло отражение в  появлении нового междисциплинарного направления, объединяющего исследования в области технологии новых материалов, физики сегнетоэлектрических структур и интеграции с процессами микроэлектроники, Привлекательность идеи интеграции сегнетоэлектриков с микроэлектронными  технологиями обусловлена их уникальными  физическими свойствами, что позволяет  создавать на их основе новые классы устройств приема, хранения и обработки информации (устройства памяти, элементы с высокой удельной емкостью для технологии сверхвысокой степени интеграции, микроэлектромеханические системы и датчики, электрически перестраиваемые устройства СВЧ- и оптического

диапазона частот и пр.

 Запоминающие  устройства (ЗУ) - фундаментальная часть  любой ЭВМ, без которых ее  функционирование невозможно. Именно  поэтому, со времен появления  первых вычислительных машин,  перед инженерами ставились задачи  по оптимизации и улучшению  ЗУ.

Существует несколько  типов ЗУ, о чем будет говориться ниже. Данная работа имеет своей  целью рассмотреть сегнетоэлектрики как ЗУ ЭВМ, их основные свойства, достоинства  и недостатки, области применения.

 

 

 

 

Сегнетоэлектрики

  Общие сведения о сегнетоэлектриках

Сегнетоэлектриками  называют особый вид диэлектриков, отличающийся нелинейной зависимостью поляризации от напряженности поля, что является следствием наличия  в них электрических доменов. При рассмотрении эффекта Ганна  применялся термин «электростатические  домены», под которыми подразумевают  области сильного электрического поля. Но электростатические домены отличаются от электрических доменов, характерных  для сегнетоэлектриков. В последнем  случае домены — это области самопроизвольной (спонтанной) поляризации (порядка 10^-2—10^-4 см), аналогичные магнитным доменам в ферромагнетиках.

Свое название сегнетоэлектрики получили от названия минерала — сегнетовой соли (NaKC₄H₄O₆4H₂O), для которой указанные свойства были обнаружены впервые. Свойства сегнетовой соли были подробно исследованы в работах академика И. В. Курчатова и П. П. Кобеко.

Наиболее распространенным сегнетоэлектриком является метатитанат бария ВаТiO₃. Впервые обнаружены и исследованы сегнетоэлектрические свойства метатитаната бария в 1944 г. академиком Б. М. Вулом. Часто ВаТiOз называют сокращенно титанатом бария.

Кроме сегнетовой соли и титаната бария, насчитывается около 290 индивидуальных соединений и более 1500 материалов — твердых растворов, обладающих сегнето- или антисегнетоэлектрическими свойствами.

Поляризация

Температура, при  которой исчезает спонтанная поляризация (то есть собственный дипольный момент) и происходит перестройка кристаллической  структуры, носит название температуры (точки) Кюри (ещё одна аналогия с ферромагнетиками). Переход через точку Кюри означает фазовый переход, а соответствующие фазы обозначаются как полярная (сегнетоэлектрик) и неполярная (параэлектрик^[1] — нелинейный диэлектрик, не обладающий спонтанной поляризацией, относительная диэлектрическая проницаемость которого уменьшается с ростом температуры).

Спонтанная поляризация в сегнетоэлектриках в точке Кюри меняется либо непрерывно (переход второго рода, сегнетова соль), либо скачком (переход первого рода, титанат бария). Другие характеристики сегнетоэлектриков, такие как относительная диэлектрическая проницаемость, могут достигать в точке Кюри очень больших значений (10⁴ и выше).

Вблизи точки  Кюри в неполярной фазе выполняется закон Кюри — Вейсса, связывающий поляризуемость α и температуру T сегнетоэлектрика^[2]:

где   и   — константы, определяемые видом сегнетоэлектрика. Величина   носит название температуры Кюри — Вейсса и очень близка к значению температуры Кюри. Если точек Кюри две, то вблизи каждой из них в неполярной фазе выполняется тот же закон. Вблизи верхней — в прежней форме, а вблизи нижней — в форме^[2]:

Зависимость поляризации P от напряжённости электрического поля Е в сегнетоэлектрике.

 

Механизм  приобретения дипольного момента в  полярной фазе (фазе сегнетоэлектрика) может также различаться: возможен вариант как со смещением ионов (титанат бария; соответствующий фазовый переход называется переходом типа смещения), так и с упорядочиванием ориентации уже существующих в веществе диполей (дигидрофосфат калия, триглицинсульфат).

 

 

 

 

 

Запоминающие  устройства

Принципы  устройства компьютерной памяти

Запоминающее устройство — носитель информации, предназначенный для записи и хранения данных. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям.

Компьютерная  память – неизменная часть любого компьютера с середины 20 в. В вычислительных устройствах у нее есть иерархическая структура, предполагающая совместного использование нескольких ЗУ с разными характеристиками.

В ПК под «памятью» обычно понимают один из ее видов – оперативное запоминающее устройства (ОЗУ), или динамическая память с произвольным доступом (DRAM).

Задача ЗУ – это ни что иное, как запись информации и хранение состояния внешнего воздействия в ячейках памяти. Последние способны фиксировать любые физические воздействия. По функциям они аналогичны обыкновенному электромеханическому переключателю, где информация записывается в виде двух простых состояний – 0 и 1 («выключено»/«включено»). Доступ (произвольное или последовательное считывание) к состоянию ячеек дают специальные механизмы.

Процесс считывания разделен на процессы: операции чтения и записи часто происходят под управлением контроллера памяти – еще одного специального устройства.

Кроме того, выделяют операцию стирания памяти.

Самые распространенные ЗУ для ПК известны всем: CD- и DVD-диски, «флэшки», модули оперативной памяти (ОЗУ), жесткие диски, дискеты.

Физические  эффекты

В наше время  уже создано множество устройств хранения данных. Все они имеют в основе определенные физические эффекты, однако эти эффекты сильно различаются между собой. Причина в том, что нет универсального решения: везде есть свои достоинства и недостатки. Поэтому компьютерные системы принято оборудовать сразу несколькими видами систем хранения данных в соответствии с их назначением.

Чаще всего  в современной компьютерной технике используют свойства полупроводников: двоичными сигналами «1» и «0» обозначаются прохождение тока через полупроводник и его отсутствие соответственно. Благодаря устойчивым состояниям, характеризующимся направлением намагниченности, для хранения информации также используются различные магнитных материалы. Другие системы ЗУ для тех же целей используют заряд конденсатора (равный и неравный нулю). Еще один пример физического эффекта – это рассеивание или отражение света от поверхности CD-, DVD- или Bluray-диска.

Как было сказано  выше, существует множество видов  ЗУ ЭВМ и несколько физических явлений, обуславливающих их достоинства  и недостатки. В данном контексте далее речь пойдет о ЗУ ЭВМ основанных на явлении сегнетоэлектричества.

 

Сегнетоэлектрики  как ЗУ ЭВМ.

Физические  аспекты

 

 В 1952г Андерсон высказал предположение, что сегнетоэлектрики с хорошей прямоугольной петлей гистерезиса можно использовать в качестве элементов запоминающих устройств вычислительных машинах с возможной матричной селекцией. Для этих целей необходим материал с возможно более прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), что характерно для монокристаллов (например, триглицинсульфата). В отсутствие внешнего поля сегнетоэлектрик с ППГ имеет два устойчивых состояния, соответствующих различным направлениям остаточной электрической индукции. Одно из этих состояний в запоминающей ячейке означает хранение единицы, а другое — хранение нуля. Подавая внешнее напряжение различной полярности, сегнетоэлектрик можно переводить из одного состояния в другое. На этом основаны запись, считывание и стирание информации. Считывание информации можно осуществить без её разрушения, например, оптическим методом или измерением сопротивления тонкой полупроводниковой пленки, нанесенной на поверхности сегнетоэлектрика.

Время переключения ячейки пропорционально толщине  кристалла и при толщинах в  несколько десятых долей миллиметра составляет несколько микросекунд. В сегнетокерамике процесс переполяризации в отдельных зернах происходит независимо, и время прорастания доменов определяется размерами зерен, которые можно уменьшить до нескольких микрометров. В этом случае достигается более высокое быстродействие, чем в монокристаллах, хотя ухудшается прямоугольность петли гистерезиса

Общие сведения об FRAM

Сегнетоэлектрическое  ОЗУ (далее FRAM) обладает уникальными  свойствами, которые отличают ее от других видов запоминающих устройств. Традиционные полупроводниковые запоминающие устройства можно разделить на две  основные группы – энергозависимые  и энергонезависимые. К энергозависимой  памяти относятся статические оперативные  запоминающие устройства (СОЗУ) и динамические оперативные запоминающие устройства (ДОЗУ). Их общим свойством является нарушение содержимого ячеек  памяти после снятия напряжения питания. С прикладной точки зрения ОЗУ  очень просты в использовании  и обладают высоким быстродействием  чтения и записи, но также имеют  досадную особенность терять данные при исчезновении питания.

Энергонезависимая память (ЭНП) не теряет данных при снятии питания. Однако все основные типы ЭНП  имеют общие истоки, которые берут  свое начало от постоянных запоминающих устройств (ПЗУ). Тем, кто знаком с  этой технологией знает насколько  сложно осуществить запись информации в ПЗУ, а выполнить запись мгновенно  вообще не возможно. Все последующие  приемники этой технологии связаны  проблемой сложности записи в  них новой информации. В настоящее  время известны следующие разновидности  этой технологии: электрически перепрограммируемое  ПЗУ - ЭППЗУ (морально устаревшая технология), электрически стираемое перепрограммируемое  ПЗУ – ЭСППЗУ и флэш-память. Технологии на основе ПЗУ обладают медленной  записью, подвержены существенному  износу при записи, ограничивая количество циклов программирования, и требуют  много энергии для программирования.

Отличием FRAM является использование технологии ОЗУ, при  этом сохраняя энергонезависимость подобно ПЗУ. Таким образом, FRAM заполняет пробел между двумя категориями и создает нечто новое – энергонезависимое ОЗУ.

  Технология FRAM

Ядром сегнетоэлектрической FRAM-технологии являются сегнетоэлектрические кристаллы, которые позволяют законченным FRAM-изделиям работать подобно ОЗУ, при этом обеспечивая энергонезависимость хранения данных.

Когда электрическое  поле прикладывается к сегнетоэлектрическому  кристаллу, центральный атом движется в его направлении. Т.к. атом перемещается в пределах кристалла он проходит энергетический барьер, сопровождаемый спонтанной поляризацией. Внутренняя схема позволяет определить величину заряда и состояние памяти. Если электрическое поле отведено от кристалла, то центральный атом остается в том  же положении, определяя состояние  памяти. Поэтому, FRAM не нуждается в  регенерации и после отключения питания сохраняет свое содержимое. Все происходит быстро и без износа!

FRAM-технология  совместима со стандартной промышленной технологией КМОП. Сегнетоэлектрическая тонкая пленка размещена над основными КМОП слоями и сжата между двумя электродами. Технологический процесс сборки завершают металл для внешнего подключения и пассивация.

Технология FRAM имеет также историю развития. Первоначально, архитектура FRAM требовала два транзистора и два конденсатора (2T/2C), что привело к относительно большим размерам ячейки памяти. Недавние улучшения сегнетоэлектрических материалов и технологии позволили избавиться от необходимости применения опорного конденсатора в каждой ячейки массива сегнетоэлектрической памяти. Новая однотранзисторная-одноконденсаторная архитектура работает подобно ДОЗУ, используя один конденсатор в качестве общего опорного конденсатора для каждого столбца массива памяти, тем самым позволив в два раза уменьшить требуемый размер ячейки по сравнению с архитектурой 2T/2C. Новая архитектура существенно улучшает влияние кристалла и уменьшает производственную стоимость конечных изделий – микросхем FRAM-памяти.