 |
|
Магнитоэлектронные запоминающие устройства на ЦМД
УСТРОЙСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МАГНИТОЭЛЕКТРОНИКИ
План лекции
1. Магнитоэлектронные запоминающие устройства на ЦМД
2. Вертикальные блоховские линии.
3. Устройства обработки сигналов на МСВ
4. Запоминающие устройства на магнитных вихрях
Литература
1.Функціональна мікроелектроніка. Прилади із зарядовими зв’язками, циліндричні магнітні домени, давачі: Навчальний посібник / За ред.. Гордієнка Ю.О. – К. ІСДЩ, 1996. – 216 с.
2. Щука А.А. Функциональная электроника: Учебник для вузов: - М.: МИРЭА, 1998.
3. Полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы и технология их производства: Учебник / Ю.Е. Гордиенко, А.М. Гуржий, А.В. Бородин, С.С. Бурдукова. – Харьков: «Компания СМИТ», 2004. – 620с.
4. Аваев Н.А. и др. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов/ Н.А. Аваев, Ю.Е. Наумов, В.Т. Фролкин.–М.: Радио и связь, 1991.– 288 с.
Магнитоэлектронные запоминающие устройства на ЦМД
1.1 Элементы ЗУ на ЦМД
В современных конструкциях микросборок ЦМД формируют в эпитаксиальных феррит-гранатовых пленках с одноосной анизотропией, выращенных на поверхности немагнитных гранатовых подложек.
Рабочее поле cмещения Нmin<Hсмраб<Hтax (Hтin >Нгр) устанавливают с помощью постоянных магнитов.
Рабочий диаметр ЦМД составляет 2,5...10 мкм.
Магнитные микросборки работают в совокупности с полупроводниковыми ИС, в которых носители информации представляются в виде напряжений и токов.
Для преобразования информации из одной формы в другую применяют генераторы Г и детекторы Д
С помощью генераторов производится локальное зарождение ЦМД.
Генератором может быть петля из металлической пленки, которая расположена на поверхности однородно намагниченной пластины (Рис. 1).
Под воздействием управляющих импульсов тока IГ образуется ЦМД.
Рисунок 1 – Генератор ЦМД на основе токовой петли из металлической пленки
С помощью внешнего поля смещения пластина доводится до магнитного состояния, при котором все полосковые и цилиндрические магнитные домены уничтожаются (коллапсируют) (Hсм >Нкр).
Устанавливается необходимое поле насыщения Нсм.раб .
В виток проводника подают импульс тока, который формирует местное магнитное поле, способствующее зарождению магнитного домена обратной намагниченности.
Генерация ЦМД произойдет в том случае, если управляющим током будет создано локальное размагничивающее поле HЛГ >Нкр.
При этом в области под аппликацией пластина полностью перемагнитится и образуется ЦМД с противоположной намагниченностью.
После окончания импульса тока в витке ЦМД обратной намагниченности сохраняется в магнитной монокристаллической пластине.
Для перемещения ЦМД на поверхности подложки формируются магнитостатические ловушки в виде токовых контуров или пермаллоевых аппликаций. Наиболее широко применяют пермаллоевые аппликации.
Под действием вращающегося в плоскости подложки управляющего магнитного поля Нупраппликации намагничиваются в направлениях с минимальным размагничивающим фактором (размагничивающий фактор минимален в направлении максимального размера аппликации).
Намагниченная пермаллоевая аппликация кратковременно играет роль постоянного магнита, создающего локальное магнитное поле HЛГ, уменьшающее Hсмрабу положительного "магнитного заряда"(Рис. 2).
Для начала продвижения домена необходимо, чтобы его стенка хотя бы частично заходила в область с положительным градиентом магнитного поля.
Если домен находится вне области с положительным градиентом магнитного поля, то в результате воздействия отрицательного градиента поля смещения вне контура домен будет отталкиваться от контура.
Рисунок 2 – Распределение напряженности магнитного поля в магнитной аппликации
Исходя из условий магнитостатических отталкиваний и для практически применимых значений коэрцитивности, минимальное расстояние между доменами должно быть примерно равно трем их диаметрам.
Токовые аппликации, генерирующие магнитное поле, имеют вид петли из металлической пленки (Рис. 3).
 |
Рисунок 3 –Токовые аппликации для фиксации и перемещения ЦМД
Направление тока в аппликации таково, что создает поле, противоположное внешнему, и образуется "яма", которая движется в заданном направлении вследствие последовательной подачи импульсов на фазы Ф1, Ф2, Ф3.
Для обеспечения однонаправленного перемещения ЦМД в схеме с токовыми аппликациями необходимо возбуждать смежную с доменом магнитостатическую ловушку. В этом случае используют трехтактную систему управления возбуждающих проводников.
Рисунок 4 – Трехтактная система управления возбуждающих проводников
При возбуждении каждого третьего контура магнитостатическая ловушка формируется лишь в одном из рабочих контуров, который и определяет однозначно направление движения ЦМД.
В такой конфигурации диаметр контура должен быть несколько меньше диаметра ЦМД, чтобы домен перекрывал область с положительным градиентом магнитного поля.
Достоинство- простота.
Недостатки:
наличие токовых ключей, обеспечивающих трехфазную систему управления;
невысокая надежность из-за большого количества проводников.
Более удобны магнитные аппликации, управляющее внешнее поле в которых создает магнитостатические ямы и барьеры (МСБ).
В таких конструкциях домен продвигается от аппликации к аппликации, форма которых оптимизируется в конкретном случае и представляет собой доменопередвигающую структуру (ДПС).
ДПС является эффективным устройством управления динамической неоднородностью в виде домена.
Ряд ловушек, расположенных близко друг к другу (на расстоянии меньше диаметра домена), образуют регистр.
Для продвижения ЦМД вдоль регистра применяют вращающееся магнитное поле. Вектор напряженности поля Hупр этого поля направлен параллельно поверхности.
Это поле создается повернутыми одна относительно другой на 90º плоскими токовыми катушками, внутри которых находится кристалл с магнитной пленкой. Сложение двух, сдвинутых на 90º полей катушек, образует вращающееся магнитное поле, перемещающее ЦМД.
Типичная частота вращения поля составляет 100 кГц, напряженность поля - 2000...4000 А/м.
На рис.5 показаны перемещения ЦМД в регистре , состоящем из цепочки V-образных (шевронных) аппликаций в разных фазах вращающегося поля.
Рисунок 5 – Перемещения ЦМД в регистре , состоящем из цепочки V-образных (шевронных) аппликаций в разных фазах вращающегося поля
Под влиянием вращающегося поля в пермаллоевых аппликациях образуются магнитные полюса N и S и обусловленные ими вертикальные составляющие, которые образуются при сложении поля домена с полем смещения.
В фазе 1 северный полюс находится в вершине шевронов, вертикальная составляющая напряженности поля там минимальна, поэтому туда перемещаются ЦМД (северный полюс как бы притягивает ЦМД).
В фазе 2 северный полюс смещается к правой границе шевронов, туда же смещаются ЦМД.
В фазе 3 северный полюс находится на нижних границах шевронных аппликаций, поэтому ЦМД занимают положение на границе двух ловушек.
В фазе 4 они переходят в соседние ловушки.
В фазе 5 (через один период вращающегося поля) снова занимают положение у вершины, но уже соседней шевронной аппликации, расположенной по правую сторону.
При симметричной форме ловушек возможно движение ЦМД в обоих направлениях в зависимости от направления вращения управляющего поля Hупр.
Типичная частота вращения поля Hупр составляет 100 кГц, а его напряженность – 2000…4000 А/м.
Более широкое распространение получили ловушки несимметричной формы (Рис. 6).
 |
Рисунок 6 – Ловушки несимметричной формы.
Особенности ДПС несимметричной формы:
• осуществляют продвижение ЦМД в одну сторону;
• допускают большие зазоры между ловушками (до 0,7d);
• большие интервалы допустимых значений Hсм, что обеспечивает лучшую устойчивость работы.
Размеры пермаллоевых аппликаций на поверхности кристалла должны соответствовать размерам доменов, то есть ширина полоски шевронной аппликации должна составлять 2...4 мкм. Это обеспечивает плотность размещения информации до 104 бит/мм2.
Существенное увеличение плотности размещения достигнуто в схемах с аппликациями дисковой и полудисковой конфигурации. При этом снизились требования к точности выполнения зазоров между элементами, стало возможны, использовать ЦМД диаметром 2 мкм и менее и повысить информационную емкость СБИС памяти на ЦМД до 4...16 Мбит.
Запись в ЗУ логической “1” ассоциируется с вводом домена в регистр, запись “0” - с отсутствием домена.
На практике, для ввода “1” применяют не генерирование, а деление однократно созданного домена (так как для генерирования домена требуется слишком большой ток петли).
Для записи информации в регистр применяют устройство, содержащее шеврон и проходящий между ним и кристаллом токовый контур (Рис. 7).
В фазе 1 домен располагается в верхней части шеврона под токовой петлей.
 |
Рисунок 7 – Устройство ввода ЦМД в фазе 1
При подаче тока в фазе 1 (направление тока показано стрелками), домен делится надвое, поскольку в центре витка поле становится больше Нкр (поле коллапса) (Рис. 8).
Рисунок 8 – Устройство ввода ЦМД в фазе 1 при протекании тока
В фазе 2 домен, образовавшийся после деления, в правой части шеврона смещается вниз, к правой границе. Перемещению левого домена препятствует поле витка с током (Рис. 9).
Рисунок 9 – Устройство ввода ЦМД в фазе 2 при протекании тока
В фазе 3 правый домен перемещается на границу генераторного шеврона и первого разряда регистра и дальше (Рис. 10).
Рисунок 10 – Устройство ввода ЦМД в фазе 3 в отсутствии тока
Для ввода логического нуля ток в виток надо подать раньше, в фазе 4 предыдущего периода и сохранять его и в фазах 1, 2, тогда домен останется в левой от витка части шеврона, и деление не произойдет.
Для считывания информации, содержащейся в регистрах ЗУ на ЦМД, используется магниторезистивный эффект, который заключается в изменении сопротивления пермаллоевой пленки под влиянием магнитного поля домена.
Чувствительный элемент выполнен в виде полоски пермаллоевой пленки, к контактам которой подведены токопроводы. Ось легкого намагничивания пермаллоевой полоски датчика ориентирована вдоль направления протекания тока (Рис. 11).
Рисунок 11 – Магниторезистивный датчик
Под воздействием радиальной составляющей поля рассеяния домена пермаллоевая полоска намагничивается в направлении оси трудного намагничивания, что приводит к изменению удельного сопротивления пленки.
Сигнал, фиксирующий прохождение домена под пленкой датчика, представляет собой изменение напряжения ΔU=IдΔR, обусловленное изменением сопротивления пленки на величину ΔR.
Для увеличения уровень сигнала в датчике считывания, применяют магниторезисторные датчики с растягивающими шевронными аппликациями (Рис. 1 
2).
Рисунок 11 – Магниторезисторный датчик с растягивающими шевронными аппликациями
С помощью группы параллельно расположенных аппликаций, возможно, более чем в 100 раз удлинить домен и соответственно увеличить его поле рассеяния, что позволит повысить чувствительность датчика.
ЦМД как носитель информационного сигнала обладает следующими уникальными свойствами:
• ● неограниченно долго сохраняется в системе до, во время, и после взаимодействия;
• ● свободно перемещается в двух измерениях;
• ● сохраняется при отключении питания;
• ● управляемо зарождается или коллапсирует;
• ●реплицируется, делясь на две части и восстанавливая первоначальную форму и размер;
• ● визуально и электрически регистрируется;
• ●дипольно взаимодействует с другими соответствующими ЦМД