Qu’est-ce qu’une mémoire ferroélectrique ?
La mémoire ferroélectrique (FeRAM : Ferroelectric RAM) est un type de mémoire semi-conductrice à lecture/écriture (RAM : Random Access Memory) dans laquelle une tension est appliquée à un condensateur ferroélectrique pour le polariser et les données sont stockées dans la direction de la polarisation résiduelle.
La SRAM (Statistical RAM) et la DRAM (Dynamic RAM), qui sont les principaux types de RAM, sont des mémoires volatiles, tandis que la mémoire ferroélectrique est une mémoire non volatile.
Utilisations de la mémoire ferroélectrique
La mémoire ferroélectrique est une mémoire non volatile qui fonctionne à grande vitesse, consomme peu d’énergie et présente un nombre élevé de cycles de réécriture, ce qui la rend très adaptée aux applications où des opérations fréquentes de réécriture des données ont lieu en temps réel. Elle est donc utilisée comme puce mémoire autonome dans un grand nombre de domaines, notamment les cartes à puce, les étiquettes RF, les compteurs intelligents d’électricité et de gaz, les enregistreurs de conduite, les moniteurs médicaux, les points de vente, les compteurs multifonctions et les robots industriels.
De plus, la mémoire ferroélectrique devrait être appliquée aux microcontrôleurs à usage général, car elle peut fonctionner plus rapidement et consommer moins d’énergie que les produits conventionnels dotés d’une mémoire flash ou d’une EEPROM.
Principe de la mémoire ferroélectrique
La mémoire ferroélectrique présente l’avantage de conserver les données même lorsque l’alimentation est coupée, ainsi qu’une faible consommation d’énergie, une vitesse d’écriture élevée et un grand nombre de réécritures de données garanties.
1. Écriture de données
Lors de l’écriture de données, la ligne de mot est mise à l’état haut pour activer le transistor et le condensateur ferroélectrique est polarisé par l’activation de la ligne de bit et de la ligne de plaque. Lorsque le potentiel de la ligne de bit est réglé sur la tension d’alimentation (Vcc) et le potentiel de la ligne de plaque sur 0 V, les données “1” sont écrites, et lorsque le potentiel de la ligne de bit est réglé sur 0 V et le potentiel de la ligne de plaque sur Vcc, les données “0” sont écrites.
2. Lecture des données
Lors de la lecture des données, après que la ligne de bits soit réglée sur 0 V, une tension égale à Vcc plus la tension de seuil du transistor est appliquée à la ligne de mots pour activer le transistor et élever le potentiel de la ligne de plaque de 0 V à Vcc. Si les données “1” sont stockées dans le condensateur, un important transfert de charge se produit en raison de l’inversion de la polarisation et le potentiel de la ligne de bit augmente de manière significative.
Si les données “0” sont stockées dans le condensateur, il n’y a pas d’inversion de polarisation et le changement de potentiel de la ligne de bit est faible. L’amplificateur de détection connecté à la ligne de bit détecte cette différence de potentiel et lit les données.
Outre le type 1T1C, il existe un autre type de mémoire ferroélectrique appelé type 2T2C, qui se compose de deux cellules de mémoire de type 1T1C comme cellules de mémoire de base. Les condensateurs ferroélectriques appariés sont polarisés dans des directions différentes afin d’augmenter la différence de potentiel pendant la lecture, ce qui accroît la précision de la lecture de la mémoire.
Dans la mémoire ferroélectrique, après la lecture d’une donnée “1”, la donnée est détruite et la donnée dans le condensateur devient “0”. Par conséquent, après la lecture des données, il est nécessaire de réécrire les données en faisant passer le potentiel de la ligne de plaque de Vcc à 0 V.
Structure de la mémoire ferroélectrique
La mémoire ferroélectrique utilise généralement une combinaison d’un transistor et d’un condensateur comme cellule de mémoire de base. Ce type de mémoire ferroélectrique est appelé le type 1T1C et a une structure similaire à celle de la DRAM.
La différence avec la DRAM est que la mémoire ferroélectrique utilise des condensateurs ferroélectriques tels que le PZT (titanate de zirconate de plomb) ou le SBT (tantalate de bismuth strontium) et nécessite des lignes de plaque en plus des lignes de mot et de bit dans la structure de la DRAM.
Autres informations sur les mémoires ferroélectriques
1. Rôle des lignes de plaque
Dans les mémoires ferroélectriques, les données ne peuvent pas être émises sur les lignes de bits simplement en allumant les transistors. En effet, les données sont stockées dans le film ferroélectrique et ne peuvent être lues que si une tension est appliquée au condensateur.
Étant donné que la polarisation ferroélectrique doit être lue de l’extérieur, la mémoire ferroélectrique possède une ligne de plaque et un circuit décodeur pour piloter la ligne de plaque d’une cellule particulière.
2. Mémoires ferroélectriques autres que celles à condensateur
En plus de la mémoire ferroélectrique de type condensateur, il existe une mémoire ferroélectrique de type FET, qui utilise des ferroélectriques comme isolant de grille des FET. Il est possible de concevoir une surface de cellule plus petite en fonction de la taille du transistor.
La mémoire ferroélectrique de type FET présente l’inconvénient de perdre les données en peu de temps lorsque l’électrode passe au niveau de la terre après la mise hors tension. La durée de conservation de la mémoire peut atteindre 30 jours.
3. Polarisation résiduelle
Lorsqu’un champ électrique est appliqué à un diélectrique, une polarisation de charge se produit dans les atomes ou les molécules qui composent le diélectrique. Lorsque le champ électrique est réduit à zéro, le biais de charge disparaît dans les dérivés normaux et ils reviennent à leur état d’origine.
Dans les ferroélectriques, en revanche, l’état de polarisation ne revient pas, même lorsque le champ électrique est nul. La polarisation de la charge qui existe lorsque le champ électrique est nul est appelée polarisation résiduelle. Comme mentionné ci-dessus, la mémoire ferroélectrique stocke les données dans la direction de la polarisation résiduelle.