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铁电动态随机存储器(FEDRAM)是一种采用铁电场效应晶体管(FEFET)作为其存储单元器件的新型存储器技术,具有功耗小、速度快、集成度高以及非破坏性读出和低刷新频率等方面的优势,成为了一种具有重要研究价值和潜在应用前景的新型存储器技术。
铁电动态随机存储器的一个重要特点是利用了铁电场效应晶体管在按比例缩小能力和信息保存等方面的优势,使得其相对于传统的动态随机存储器具有以下优势:数据保持时间在数小时以上,在其工作过程中几乎无须进行刷新操作;铁电场效应晶体管较电容器件有更好的按比例缩小能力,可实现更高的集成密度;铁电动态随机存储器在读写操作不倚赖存储电容的充放电,功耗相对较低;铁电场效应晶体管具有非破坏性读出的特点,可实现更高的工作频率和速度。以上优势使得铁电动态随机存储器获得了潜在的巨大应用前景。
本论文针对铁电动态随机存储器的发展趋势和应用需求,围绕铁电动态随机存储器研究中需要解决的若干技术问题和挑战,在存储器模型与电路设计等方面开展了相关的研究工作,所完成的主要研究成果如下:
一、针对铁电动态随机存储器电路模拟的需要,建立了一种基于施密特触发器的铁电场效应晶体管行为级宏模型。该宏模型可以表征铁电场效应晶体管的转移特性,并且模型参数较少便于调节;模型结构简单、规模较小,可用于HSPICE电路模拟中。模拟结果与铁电场效应晶体管实验结果比较显示,该模型能够很好地反映铁电材料的疲劳等因素引起的铁电场效应晶体管的存储性能退化。该项研究工作成功地表征了铁电场效应晶体管的存储特性,为铁电动态随机存储器设计和优化提供了一个良好的模型基础。
二、针对铁电动态随机存储器存储单元工作模式研究的需求,结合存储单元的宏模型,完成了一种铁电动态随机存储器单元控制电路的设计及测试。电路实现了控制信号到铁电场效应晶体管工作电压的转换,解决了铁电动态随机存储器单元分时操作的问题。运用本研究组所掌握的电路设计软硬件条件对控制电路进行了版图设计,并流片成品,完成封装;使用安捷伦93000测试平台,对封装的样品进行了测试,测试结果验证了设计内容。该研究工作填补了当前的铁电动态随机存储器研究中存储单元读写控制电路的模式探讨与电路设计之间的实践空白,为铁电动态随机存储器的进一步研究提供了良好的电路设计上的技术基础。
三、针对铁电动态随机存储器的电路研究以及铁电动态随机存储器对灵敏放大器的特殊的需求,本文进行了铁电动态随机存储器的电路简单阵列的设计和灵敏放大器方面的深入研究。通过对铁电动态随机存储器读出电路及电流灵敏放大器进行的仿真研究,探究了铁电动态随机存储器采用电流灵敏放大器的优势所在。设计并仿真了一套8×8的简单阵列,演示铁电动态随机存储器的工作机理。该项研究工作对铁电动态随机存储器的研究工作具有重要意义。