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MRAM是一種非易失性的磁性隨機(jī)存儲器。它擁有SRAM的高速讀取寫入能力，以及DRAM的高集成度，基本上可以無限次地重復(fù)寫入。專注于代理銷售MRAM芯片等存儲芯片供應(yīng)商英尚微電子詳細(xì)介紹關(guān)于MRAM的存儲原理。MRAM單元的結(jié)構(gòu)和目前硬盤驅(qū)動器中GMR讀取頭的自旋閥膜系結(jié)構(gòu)相似,自旋閥的工作機(jī)理如下。
1、自旋閥
電子作為電流的載體,用的是電子的電荷,也就是說電流是電子電荷的輸運(yùn)。但電子不僅有電荷,而且有自旋,自旋閥就是利用電子自旋(而非電荷)作為數(shù)字信息的載體,即用自旋向上或自旋向下來表征二進(jìn)制的‘0’或‘1’，并利用TMJ的量子隧道勢壘對不同自旋方向的電子實(shí)現(xiàn)選擇性通過,在這種情況下信息傳輸靠的是電子自旋的輸運(yùn),簡稱自旋輸運(yùn)(Spin Transfer)。
2、信息的寫入
為了有選擇地將信息寫入二維MRAM存儲陣列的各存儲單元，使用由位線和字線電流在MRAM單元自由層產(chǎn)生的合成磁場來實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)行時(shí),利用編碼排序使二維MRAM陣列中只有一條字線和一條位線通過電流(如圖1),因而只有一個(gè)MRAM單元被選中,這時(shí)可以有兩種寫人狀態(tài):
(1) 電流在MRAM單元自由層內(nèi)的合成磁場方向與釘扎層內(nèi)的磁場方向相同
電子在自由層磁場的作用下,自旋被極化為‘向上'或‘向下’的取向。由于隧道勢壘的作用,不同自旋方向的電子通過隧道結(jié)的幾率不一樣,如果自旋‘向上'的電子通過隧道結(jié)的幾率較大,則自旋‘向下’的電子通過隧道結(jié)的幾率就很小，可忽略不計(jì)。所以隧道結(jié)起到‘自旋閥’的作用。在自旋‘向上’電子通過隧道結(jié)進(jìn)入釘扎層的情況下,MRAM單元表現(xiàn)為低阻狀態(tài),對應(yīng)的寫入態(tài)記作‘0’。見圖1。
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2020-10-21 15:54 上傳
圖1位線和字線在自由層中形成的合成磁場
圖1示出位線和字線在自由層中形成的合成磁場,為方便計(jì),圖中只給出MRAM單元的自由層。當(dāng)位線和字線電流的磁力線分別如圖中所示時(shí),自由層中形成的合成磁場方向向右,也就是自由層材料中的磁疇取向向右。此時(shí)MRAM單元表現(xiàn)為低阻狀態(tài),對應(yīng)的寫入態(tài)記作‘0',如圖1右側(cè)的小塊所示。
(2)位線電流反向(圖2),使MRAM單元自由層內(nèi)的磁疇取向和釘扎層內(nèi)的磁場方向相反(圖3)
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圖2位線電流反向
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圖3 MRAM單元的寫‘1’態(tài)
在此情況下，自旋‘向上’電子通過隧道結(jié)進(jìn)入釘扎層的幾率很小,MRAM單元表現(xiàn)為高阻狀態(tài),對應(yīng)的寫入態(tài)記作‘1',如圖1左側(cè)的小塊所示。
3、信息的讀出
信息讀出時(shí),只有當(dāng)一條位線和一條字線的電流選中了如上述的已寫單元時(shí),才能從它的磁阻大小判斷已存入的信息是‘0’還是‘1'。讀出原理看來簡單,實(shí)際情況卻相當(dāng)復(fù)雜,說明如下。
圖4給出由4個(gè)MRAM單元組成的刪格,在一條位線和一條字線加上電壓后，由圖可見被選中的是4號MRAM單元,這時(shí)電流從‘+V’電極流至‘-V’電極可以有兩條通道。
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圖4信息讀出時(shí)電流的正常通道(白色箭頭)和潛行路線(黑色箭頭)
(1）電流可以通過圖4中白色箭頭所示的路線從‘+-V’電極流經(jīng)4號MRAM單元到‘-V’電極,從而測出第4號MRAM單元的磁阻。
(2) 電流也可以通過圖6中黑色箭頭所示的潛行路線,從‘+V’電極先后經(jīng)過第1、2、3號MRAM單元最后到達(dá)'-V’電極，因此測出的磁阻不僅僅是第4號MRAM單元的磁阻,而是迭加了其它單元磁阻后的結(jié)果。這就導(dǎo)致讀出錯(cuò)誤。
對于大規(guī)模集成的mram芯片,情況則更復(fù)雜。解決此讀出難題的最佳方案是在每個(gè)MRAM單元都集成一個(gè)晶體管,使讀出時(shí)只有被選中的MRAM單元中的晶體管導(dǎo)通,其它未選中MRAM單元的晶體管總有截止的,因而不能形成電流回路。這樣可分別測得第4號MRAM單元存值為‘0’態(tài)和存值為‘1’態(tài)時(shí)的磁阻,并由此計(jì)算隧道磁阻改變率(TMR—Tunneling Magneto-resistive Ratio)
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