Phasenwechselspeicher, Phase Change Memory (PCM), sind nichtflüchtige Speicher, die auf der Änderung des elektrischen Widerstands des Speichermaterials basieren. Diese Widerstandsänderung ist von der amorphen oder kristallinen Struktur des Speichermaterials abhängig. Als Widerstandsmaterial für die Informationsspeicherung wird Chalkogenid benutzt, eine Materialkombination aus Germanium (Ge), Antimon (Sb) und Tellur (Te). Die Widerstandsänderung wird durch Temperaturänderungen im PCM-Material ausgelöst.

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Aufbau einer Phasenwechsel-Speicherzelle (PCM)

Eine PCM-Speicherzelle ist Bit-organisiert und besteht aus zwei metallischen Elektroden zwischen denen sich das Phasenwechselmaterial befindet, das von einer kleinen Heizelektrode erhitzt wird. Das PCM-Material kann zwei Zustände annehmen: Den Grundzustand und einen Zustand mit hohem Widerstandswert. In diesen Zustand der Amorphisierung wird das Phasenwechselmaterial durch kurzes Aufheizen gebracht. Dies erfolgt durch einen kurzen Stromimpuls von mehreren hundert Mikro-Ampere und einer Pulsdauer von etwa 50 ns. Durch das schnelle Abkühlen verbleibt das Material im amorphen Zustand, der durch den hohen Widerstandswert gekennzeichnet ist. Für das Rücksetzen in den kristallinen Grundzustand wird das Phasenwechselmaterial mit einem etwas längeren Stromimpuls von ca. 100 ns Dauer und von wenigen Mikro-Ampere belegt. Ein solcher Stromimpuls bewirkt, dass das amorphe PCM-Material über den Kristallisationspunkt erhitzt wird und die Kristallisation einsetzt. Die in der Speicherzelle gespeicherte Information wird über den Stromfluss im Phasenwechselmaterial ermittelt, der durch eine angelegte Spannung erzeugt wird.

Phasenwechselspeicher (PCM) auf einem konventionellen CMOS-Chip, Foto: Intel

Dadurch, dass die Zustandsänderungen der PCM-Speicher von 0 auf 1 und umgekehrt direkt, also ohne vorherige Löschung ausgeführt werden können, haben Phasenwechselspeicher eine relativ kurze Latenzzeit, die geringer ist als die von Flashspeichern. Außerdem haben sie den Vorteil, dass sie im abgeschalteten Zustand keine Energieversorgung benötigen.

Phasenwechselspeicher sind in Phase Change RAMs (PRAM oder PCRAM) realisiert, sie können DRAMs und SRAMs ersetzen und bedingt dadurch, dass sie nicht volatil sind, stellen sie auch eine Alternative zu Flashspeichern dar.