3.2.2. Устройства памяти

Использование диэлектрических материалов при создании запоминающих устройств весьма перспективно для создания новых приборов, характеризующихся энергoнезависимостью, 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 цирконата - титаната свинца (PZT-керамика).

Запоминающее устройство изготовлялось на основе керамической пластины (2) в форме диска или прямоугольника, фрагмент которого изображен на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Фрагмент устройства памяти

на сегнетоэлектрической PZT-керамике

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) со сплошным электродом (5), присоединенной снизу. Такая слоистая структура из двух типов сегнетоэлектриков с электродами между ними представляет собой твердотельную память на диэлектрике.

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 5 и, таким образом, расшифрована ранее записанная информация. Такая память на изгибающем элементе требует довольно больших входных сигналов (порядка 15 В), способных вызвать значительные механические деформации и, соответственно, большие значения выходных сигналов (порядка 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 не резонансный режим работы.

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 2, что соответствует направлениям поляризации ± Р₂ в отдельных ячейках памяти.

Разработанные пьезокермические матрицы (ПКМ) функционируют на принципе импульсного или резонансного считывания информации и напоминают конструкцию, рас­смотренную на рис. 3.6.

Считывание информации происходит без ее разрушения с тактовой частотой до 1 МГц, определяемой временем переполяризации (около 50 мкс). Допускается 10⁶ - 10⁸ циклов перезаписи информации. Разработаны интегральные ПКМ емкостью более 512 бит с напряжением перезаписи порядка 4 В, работающие в интервале температур 80 - 200 °С, выдерживающие ударные нагрузки до 3 ∙ 10⁴g 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  К_ПР = Р₂ / Ps < 1. Весьма перспективным материалом для ЗУ являются сегнетоэлектрические пленки на основе нитрата калия (KNO₃). Они отличаются малым временем переключения порядка 10^-9 с, высокой тактовой частотой около 10⁸ Гц, малыми геометрическими размерами доменов, позволяющими получить размер ячейки около 20 мкм² и, соответственно, достичь степени интеграции 10⁸ - 10¹⁹ 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 PZT), с помощью которой формируются сегнетоэлектрические конденсаторы. Такие конденсаторы соответствующим образом поляризуются и, имея высокое значение диэлектрической проницаемости (  1200), обеспечивают определенное состояние ЗУ при частом отключении питания. Керамика цирконат титанат свинца (PZT) обладает высоким удельным сопротивлением (изолятор), термической и химической стойкостью, высокой механической прочностью. Температура фазового перехода PZT-керамики составляет 330 °С, и поэтому такие схемы могут работать в температурном диапазоне от - 180 до + 320 °С. Пробивное напряжение таких схем составляет около 40 В, диэлектрическая проницаемость выше 1,2 x 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.