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铁电场效应晶体管(FE-FET)作为存储器件应用,具有非挥发性保存数据和非破坏性读出数据以及集成度高、速度快、功耗低等特点,但目前的技术发展,还只能使得铁电场效应晶体管的数据保持时间最大达到十数天,无法满足非挥发性通用存储器性能的要求;将铁电场效应晶体管(FE-FET)作为存储单元器件应用到动态随机存储器(DRAM)技术领域,利用动态随机存储器中的刷新电路来保持存储单元的内容,则可在保持其非破坏性读出数据以及集成度高、速度快、功耗低等特点的同时,克服其保持时间短的缺点。与传统的DRAM器件相比,FE-FET具有更好的按比例缩小能力和长得多的刷新周期,因此,利用FE-FET作为存储单元器件的动态随机存储器技术(FEDRAM)具有潜在的应用前景。
本文针对FEDRAM的发展趋势和应用需求,在FEDRAM设计优化技术方面开展了相关的研究工作,取得了如下研究成果:
1)针对电路模拟的需要,以施密特触发器的宏模型为基础,建立了一个能较好反映铁电场效应晶体管行为特性并可嵌入到电路模拟软件 SPICE 中使用的铁电场效应晶体管宏模型。该宏模型在电路模拟中作为子电路使用,能很好再现FE-FET的电流-电压(I-V)关系曲线,正确反映FE-FET在电路中的读写操作等基本行为特性;其中,模型参数可以根据实际电路中FE-FET实测的特性曲线很容易地提取获得。
2)针对铁电动态随机存储器单管单元阵列工作模式中会产生的干扰问题,对单管单元的阵列工作模式进行了优化设计,此工作模式不仅同时将编程电压施加在选中单元的栅极、漏极和源极上,还对其它有可能被干扰的非选中单元的各端口也施加相应的禁止编程电压,将干扰减至最小,并采用提出的模型对此结果进行了模拟验证。
3)对铁电动态随机存储器双管单元阵列的工作模式进行了研究探讨,与单管单元阵列工作模式相比,双管单元阵列工作模式实现比较容易,可靠性较高,但是集成度不如单管单元阵列。在实际应用中,应综合考虑功耗、集成度、可靠性等各方面的因素来决定到底采用哪种阵列工作模式。
4)针对铁电动态随机存储器电路设计和应用的需求,开展了对灵敏放大器的设计优化研究。对几种不同的电流、电压灵敏放大器进行了设计流片,并在此研究的基础上,总结了铁电动态随机存储器的各种读出电路,对采用电压灵敏放大器与采用电流灵敏放大器的读出速度,以及铁电动态随机存储器读出操作与传统动态随机存储器读出操作的速度进行比较,显示了铁电动态随机存储器采用电流灵敏放大器的速度优势。
5)针对铁电动态随机存储器电路设计和应用的需求,对其它外围电路进行了设计。