知識力

❒ 鐵電效應(Ferroelectric effect)
某些材料的晶體結構在不外加電場的情況下，就具有天然的「電偶極矩(Electric dipole moment)」，也就是固體材料的一端帶正電而另一端帶負電，如＜圖一(a)＞所示，這種材料稱為「鐵電材料(Ferroelectric materials)」，這類材料大多是陶瓷(金屬氧化物)，例如：鈦鋯酸鉛(PZT：PbZrTiO₃)、鉭鉍酸鍶(SBT：SrBiTa₂O₉)、鈦鍶酸鋇(BST：BaSrTiO₃)等。科學家們發現，當我們外加電場，由於同性相斥、異性相吸，可以改變鐵電材料的電偶極矩(極化方向)，如＜圖一(b)與(c)＞所示，這種現象稱為「鐵電效應(Ferroelectric effect)」。

電偶極矩(Electric dipole moment)是材料內一端帶正電而另一端帶負電所產生的，＜圖一＞中箭頭的方向代表材料帶正電的一端，其實和前面介紹極化光時提到的「極化方向(Polarized direction)」概念有點類似，別忘了，光波(電磁波)的電場方向稱為極化方向。

圖一　鐵電效應(Ferroelectric effect)示意圖。

❒ 介電常數(Dielectric constant)
絕緣材料的絕緣特性通常使用「介電常數(Dielectric constant)」的大小來代表，「K」就是指介電常數。
➤介電常數大(High K)的絕緣材料：代表這種絕緣材料容易吸引電子與電洞，所以適合用來製作「電容」，因為電容原本就是用來吸引(儲存)電子與電洞的。
➤介電常數小(Low K)的絕緣材料：代表這種絕緣材料不容易儲存電子與電洞，所以適合用來製作積體電路(IC)內多層導線之間的「絕緣層」，這樣電子才可以在多層導線之間自由流動而不會被吸引(儲存)。

❒ MESFET結構的鐵電隨機存取記憶體(FRAM) 
在中央P型矽晶圓上方成長一層鐵電材料薄膜，再成長一層金屬薄膜，形成「金屬－鐵電－半導體」的結構，如＜圖二(a)＞所示。

➤寫入資料0：閘極施加負電壓，使鐵電薄膜的「電偶極矩」向上代表寫入0。
➤寫入資料1：閘極施加正電壓，使鐵電薄膜的「電偶極矩」向下代表寫入1。
➤讀取資料0：鐵電薄膜的電偶極矩向上時，由源極通入電子無法流到汲極，造成汲極電流比較小，代表讀取0，如＜圖二(b)＞所示。
➤讀取資料1：鐵電薄膜的電偶極矩向下時，由源極通入電子可以流到汲極，造成汲極電流比較大，代表讀取1，如＜圖二(c)＞所示。
 

圖二　MFSFET結構的鐵電隨機存取記憶體示意圖。

❒ DRAM結構的鐵電隨機存取記憶體(FRAM)
顧名思義就是使用動態隨機存取記憶體(DRAM)的結構，使用一個電晶體(MOS)與一個電容來儲存一個位元(bit)的資料，由於傳統DRAM的電容都是使用「氧化矽」做為絕緣體，如＜圖三(a)＞所示，氧化矽的介電常數不夠大(K值不夠大)，因此不容易儲存電子與電洞，造成必須不停地補充電子與電洞，所以稱為「動態(Dynamic)」，只要電腦的電源關閉，電容所儲存的電子與電洞就會流失，DRAM所儲存的資料也就會流失。

FRAM是使用「鈦鋯酸鉛(PZT)」與「鉭鉍酸鍶(SBT)」這種介電常數很大(K值很大)的鐵電材料來製作電容，如＜圖三(b)＞所示，如此就很容易儲存電子與電洞而不會流失，不需要補充電子與電洞，就算電腦的電源關閉資料也不會流失了，不過要將鈦鋯酸鉛(PZT)與鉭鉍酸鍶(SBT)這種材料製作在矽晶圓上目前只能使用「濺鍍法(Sputter)」，而且這種成份複雜的化合物成長薄膜的技術仍然不夠成熟，所以良率較低。

圖三　DRAM結構的鐵電隨機存取記憶體示意圖。

❒ 鐵電隨機存取記憶體(FRAM)的優缺點
➤優點
1.屬於「非揮發性記憶體(NVM)」，電源關閉後資料仍然可以保存。
2.不像快取記憶體(Flash ROM)需要高電壓強迫電子注入浮動閘極，所以耗電量較低。
3.不像硬碟機(HDD)需要使用旋轉馬達與讀取頭，所以很省電、耐撞擊、不跳針。
➤缺點
1.必須使用「鈦鋯酸鉛(PZT)」與「鉭鉍酸鍶(SBT)」這種特別的材料，製程不夠成熟，良率較低。
2.許多專利由國外公司掌握，如果支付專利費用，則生產成本較高，售價也較高。

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