智能卡存儲單元EEPROM、Flash和FRAM之間的性能比較
文章出處：http://5052h112.com 作者：上海貝嶺股份有限公司 劉鷹 人氣： 發(fā)表時間：2011年09月18日
半導(dǎo)體存儲器可分為揮發(fā)性存儲器和非揮發(fā)性存儲器兩類，前者在掉電后會失去記憶的數(shù)據(jù)，后者即使在切斷電源也可以保持?jǐn)?shù)據(jù)。揮發(fā)性存儲器又可分為 DRAM和SRAM。而ROM則是非揮發(fā)性存儲器，ROM在類型上根據(jù)用戶是否可以寫入數(shù)據(jù)而分為兩類，一類是用戶可以寫入的ROM，另一類是制造商在加工過程中寫入的被稱為MASK ROM。在可以寫入的ROM中按寫入方式分為O TP ROM（One Time Programmable ROM）、EPROM（Erasable Programmable ROM）、EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)、flash memory和FRAM(Ferroelectric RAM)等。
作為智能卡存儲單元的非揮發(fā)性存儲器主要包括電可改寫可編程只讀存儲器 EEPROM、快閃存儲器Flash memory以及鐵電存儲器FRAM。
EEPROM是最典型的電可改寫非揮發(fā)性存儲器，是80年代以來發(fā)展起來的一種非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲器，它具有電可編程、可擦/寫、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。EEPROM的工藝基礎(chǔ)是CMOS工藝，隨著CMOS工藝向亞微米發(fā)展，EEPROM的集成度在不斷提高。
Flash Memory和FRAM都屬于新一代非揮發(fā)性存儲器，F(xiàn)lash Memory是1987年提出來的，它是EEPROM走向成熟和半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展到亞微米技術(shù)以及大容量電可擦寫存儲器需求的產(chǎn)物，而FRAM則是在七十年代就有了關(guān)鍵技術(shù)的突破，直至九十年代才邁入產(chǎn)業(yè)化階段。它是將鐵電薄膜用于記憶數(shù)據(jù)的電容存儲器，由于在存儲單元上采用了鐵電薄膜，F(xiàn)RAM具有高速、高頻度的重寫、低功耗以及非揮發(fā)性等優(yōu)點(diǎn)。此外，F(xiàn)RAM可以在低電壓條件下完成讀出/寫入的動作，尤其適合用于要求低功耗的智能卡以及攜帶式設(shè)備。
一． Flash Memory和EEPROM的性能對比：
Flash memory和EEPROM都是電可擦寫可編程的存儲器，它們的原理是將數(shù)據(jù)以電荷的形式儲存在浮柵電極上。與EEPROM相比，F(xiàn)lash在集成度方面有無可比擬的優(yōu)越性。由于Flash Memory 采用單管單元，可以做到很高的集成度，它的單元面積僅為常規(guī)EEPROM的1/4。
Flash Memory單元的編程方法主要有兩種：溝道熱電子注入（CHE）和隧道效應(yīng)（Fowler-Nordheim）。溝道熱電子注入（CHE）是目前Flash Memory使用最為廣泛的編程方式。溝道熱電子注入CHE的編程時間為微秒數(shù)量級，而隧道效應(yīng)（Fowler-Nordheim）編程時間則通常為毫秒數(shù)量級。而EEPROM的編程方式是隧道效應(yīng)。因此，F(xiàn)lash memory編程時間要比EEPROM快。
下表給出了 Flash Memory和EEPROM的性能對比：
|
耐久性 |
密度 |
單元中 晶體管數(shù) |
充電 機(jī)理 |
放電 機(jī)理 |
編程 復(fù)雜度 |
擦寫 | |
|
EEPROM |
好 |
中 |
雙 |
隧道 效應(yīng) |
隧道 效應(yīng) |
簡單 |
寫入時 自動擦除 |
|
Flash |
良好 |
高 |
單 |
電子 效應(yīng) |
隧道 效應(yīng) |
復(fù)雜 |
字組 擦除 |
二． FRAM與EEPROM、Flash memory的性能比較：
FRAM存儲單元的基本原理是鐵電效應(yīng)，是應(yīng)用鐵電薄膜的自發(fā)性極化形式儲存的鐵電存儲器件，由于FRAM通過外部電場控制鐵電電容器的自發(fā)性極化，與通過熱電子注入或隧道效應(yīng)而完成寫入動作的EEPROM以及Flash memory相比，F(xiàn)RAM具有寫入速度快（為EEPROM、Flash的1000倍以上），因?yàn)樗诓翆憰r不需要高壓，因此寫入時的功耗大為降低（為EEPROM、Flash的1/1000 — 1/100000），尤其適合用于非接觸卡或雙界面卡等低功耗的應(yīng)用場合。另外，由于不需要使用隧道氧化膜，其數(shù)據(jù)的重寫次數(shù)，與flash memory和EEPROM相比也大大提高（EEPROM或flash 為10 5 — 10 6 ，F(xiàn)RAM可以達(dá)到10 12 以上）。
下表給出了 FRAM 和Flash Memory、EEPROM的性能對比：
|
技術(shù)類型 |
FRAM |
EEPROM |
Flash memory |
|
數(shù)據(jù)儲存 |
10年 |
10年 |
10年 |
|
單元結(jié)構(gòu) |
2T/2C、1T/1C |
2T |
1T |
|
單元大小 |
中等 |
中等 |
小 |
|
寫入電壓 |
2 — 5V |
12--18V |
10--12V |
|
重寫次數(shù) |
10 10 --10 12 |
10 5 — 10 6 |
10 5 — 10 6 |
|
平均功耗 |
低 |
中等 |
中等 |
