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科技台灣  2017-09-16 21:03  A20170813002 
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以1個電晶體加上1個電容來儲存1個位元(1bit)的資料,而且使用時「需要」週期性地補充電源來保持記憶的內容,故稱為「動態(Dynamic)」。DRAM構造較簡單(1個電晶體加上1個電容來儲存1個位元的資料)使得存取速度較慢(電容充電放電需要較長的時間),但是成本也較低,因此一般製作成對容量要求較高但是對速度要求較低的記憶體。

 

❒ 電容(Capacitor)
「電容」是利用「電壓」來儲存能量的元件,儲存能量的方式是儲存「電能」,也就是用來暫時儲存電荷(電子與電洞)的元件,電容的構造如<圖一(a)>所示。通常中央使用一層絕緣材料夾在兩層金屬電極之間製作成電容元件。知識力www.ansforce.com。
➤充電(Charge):當電容兩端分別連接電池的正極與負極時,電子(Electron)由負極注入電容而電洞(Hole)由正極注入電容,由於電容中央是絕緣體,電子與電洞注入電容後隔著絕緣體遙遙相望卻無法相通,電子與電洞不斷地注入以後會不斷地累積在絕緣體兩端,就好像是將電子與電洞「儲存」在電容內一樣,如<圖二(b)>所示,這個動作稱為「充電」。
➤放電(Discharge):此時若將電池移去,而用金屬導線將電容兩端的電極連接在某一個主動元件(例如:燈泡),則原先儲存在電容的電子與電洞則向外流出,如<圖二(c)>所示,這個動作稱為「放電」,看看<圖二>中電容充電和放電的情形,不是好像一個小電池一樣嗎?

 


圖一 電容的充電與放電。

 

在積體電路(IC)中,電容是非常重要的被動元件,特別是應用在記憶體中,一般是將積體電路中微小的金屬導線連接一層絕緣體,來暫時儲存電荷。DRAM使用一個電晶體(MOS)與一個電容來儲存一個位元(bit)的資料(一個0或一個1),如<圖二(a)>所示,當電晶體(MOS)不導通時沒有電子流過,電容沒有電荷,代表這一個位元的資料是0,如<圖二(b)>所示;當電晶體(MOS)導通時(在閘極施加正電壓),電子會由源極流向汲極,電容有電荷,代表這一個位元的資料是1,為了要將這些流過來的電荷「儲存起來」,因此必須使用一個微小的電容,如<圖二(c)>所示,DRAM就是因為電容需要時間充電,所以速度比SRAM還慢。

 

圖二 動態隨機存取記憶體(DRAM)的結構與工作原理示意圖。

 

❒ 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)。

 

❒ 動態隨機存取記憶體的缺點
動態隨機存取記憶體(DRAM)是以1個電晶體加上1個電容來儲存1個位元(1bit)的資料,由於傳統DRAM的電容都是使用「氧化矽」做為絕緣體,氧化矽的介電常數不夠大(K值不夠大),因此不容易吸引(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。


要解決這個問題,最簡單的就是使用介電常數夠大(K值夠大)的材料來取代「氧化矽」做為絕緣體,讓電子與電洞可以儲存在電容裡不會流失。目前業界使用「鈦鋯酸鉛(PZT)」或「鉭鉍酸鍶(SBT)」這種介電常數很大(K值很大)的「鐵電材料(Ferroelectric material)」來取代氧化矽,則可以儲存電子與電洞不會流失,讓原本「揮發性」的動態隨機存取記憶體(DRAM)變成「非揮發性」的記憶體稱為「鐵電隨機存取記憶體(FRAM:Ferroelectric RAM)」。
 

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀,與產業現狀可能會有差異,若您是這個領域的專家想要提供意見,請自行聯絡作者;若有產業與技術問題請參與社群討論。
 

【延伸閱讀】其他詳細內容請參考「積體電路與微機電產業,全華圖書公司」。<我要買書
 

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