CN110610022B - 一种基于铁磁材料的电子模拟积分器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于铁磁材料的电子模拟积分器，属于自旋电子学及其器件领域，所述积分器包括：自旋流生成层、多畴自由层、非磁性层和固定层；多畴自由层、非磁性层和固定层构成磁性隧道结，位于自旋流生成层上表面；自旋流生成层两个相对的凸出端分别作为积分器的第一电极和第二电极，固定层上表面作为积分器的第三电极；自旋流生成层，用于在输入电流的作用下生成自旋流；多畴自由层，用于在自旋流的自旋轨道力矩作用下发生磁畴壁移动，改变磁化方向，使得电子模拟积分器的电阻发生连续变化，且连续变化与输入电流存在确定的积分关系。本发明的积分器具有非易失性，且采用独立结构，降低了系统复杂性，电路结构简单，易于大规模集成。

Description

一种基于铁磁材料的电子模拟积分器
技术领域
本发明属于自旋电子学及其器件领域，更具体地，涉及一种基于铁磁材料的电子模拟积分器。
背景技术
21世纪，信息技术飞速发展，互联网渗透进了我们生活的方方面面，作为信息技术的物理载体，集成电路无疑是十分关键的一环，集成电路拥有非常强大的运算能力，基本运算比如加法减法，高级一些的运算比如微分积分，都可以用集成电路实现。积分器是指系统的输出信号与输入信号对时间的积分值成比例的一种电子电路；在离散系统中，输出是输入各个离散时间值的求和；从频域来看，积分器是一个低通滤波器。积分器主要用于波形变换、放大电路失调电压的消除以及反馈控制中的积分补偿等场合，在模拟电路中具有十分重要的作用。
传统实现积分运算功能的基本电路是运算放大器积分器，又被称作米勒积分器，如图1所示，传统的模拟积分器使用了电阻器、电容器和运算放大器来实现其功能。输入信号Vi经过电阻R1后经过反馈流到电容C上，并开始给电容充电，由理想运放的“虚短”和“虚断”性质，可得：V0＝-1/(RC)∫Vidt由此实现了积分功能。
但是传统的米勒积分器使用了运算放大器、电阻器和电容器等多种器件，造成其集成度不高；由于使用器件多、连接电路复杂，也会造成积分性能的不稳定；由于传统的米勒积分器断电后会造成数据丢失，必须将运算结果存储于外部存储器中，这造成了对于存储空间的浪费，也带来了下次运行时要重新加载数据的时间成本浪费，这降低积分器的效率，使得运算速度降低；由于传统米勒积分器需要上电才能保证数据不丢失，这同时也提高了积分器电路的静态功耗。
总体而言，传统的米勒积分器存在无法独立存储、电路结构复杂、体积较大，集成度低的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于铁磁材料的电子模拟积分器，旨在解决传统密勒积分器由于需要分别设计电路实现计算、存储功能，而导致电路结构复杂、体积较大，不利于集成的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于铁磁材料的电子模拟积分器包括：自旋流生成层、多畴自由层、非磁性层和固定层；
所述多畴自由层、非磁性层和固定层的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，且所述膜面面积小于所述自旋流生成层的膜面面积；所述多畴自由层、非磁性层和固定层构成磁性隧道结，所述磁性隧道结位于所述自旋流生成层上表面；所述自旋流生成层两个相对的凸出端分别作为所述电子模拟积分器的第一电极和第二电极，所述固定层上表面作为所述电子模拟积分器的第三电极；
所述自旋流生成层，用于在输入电流的作用下生成自旋流；
所述多畴自由层，用于在所述自旋流的自旋轨道力矩作用下发生磁畴壁移动，改变磁化方向，使得所述电子模拟积分器的电阻发生连续变化，且所述连续变化与所述输入电流存在确定的积分关系。
进一步地，所述自旋流生成层采用重金属材料或拓扑绝缘体。
进一步地，所述固定层和多畴自由层采用铁磁材料。
进一步地，所述多畴自由层具有多个磁畴。
进一步地，所述非磁性层采用电子隧穿的绝缘材料。
进一步地，所述输入电流的电流密度大于或等于10^6A/cm2。
进一步地，所述电子模拟积分器为非易失器件，在一次输入操作后，器件信息长久保留，下一次操作前需要重置器件。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明的电子模拟积分器为多层膜结构，当从外界向该多层膜结构施加输入信号时，基于自旋轨道力矩效应，积分器输出输入信号的积分结果，并且结果以电阻形式直接存储于铁磁材料中，铁磁材料的磁性不会因为掉电而消失，实现了计算存储的一体化，相比由多个电阻电容和运算放大器组成的传统密勒积分器，计算结果会随着断电丢失，本发明的积分器具有非易失性，且采用的多层膜结构，能够大大降低系统复杂性，减小电路体积。
(2)本发明设计的器件尺寸小，电路简单，可以大规模集成；本发明的尺寸在当前技术下可以达到亚微米级别，而密勒积分器的运放中运用了多个晶体管，以65nmCMOS工艺计算，本发明的集成度大大提高。
(3)由于铁磁材料的非易失性，本发明可以在掉电时也存储数据，而传统积分器必须上电时才能保证数据不丢失，或者将数据存在外部存储中，因此，本发明相比基于传统CMOS工艺的积分器静态功耗大大降低。
(4)本发明中利用了铁磁材料的自旋轨道力矩(SOT)效应，使磁畴翻转的时间在纳秒级别，有效提高了积分速度。
附图说明
图1是传统实现积分运算功能的基本电路；
图2是本发明提供的一种基于铁磁材料的电子模拟积分器结构示意图；
图3是多畴自由层畴壁移动速度与输入电流的关系示意图；
图4是输入正弦电流时，本发明的电子模拟积分器输入输出特性示意图；
其中，1为自旋流生成层，2为多畴自由层，3为非磁性层，4为固定层，5为第一电极，6为第二电极，7为第三电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，本发明提供了一种基于铁磁材料的电子模拟积分器包括：自旋流生成层1、多畴自由层2、非磁性层3和固定层4；
多畴自由层2、非磁性层3和固定层4的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，图1所示为圆形结构；自旋流生成层1的膜面面积大于上述三层的膜面结构；多畴自由层2、非磁性层3和固定层4构成经典“三明治”的MTJ(Magnetic Tunnel Junction，磁性隧道结)，该磁性隧道结位于自旋流生成层1的上表面，可位于中部也可是其他位置；自旋流生成层1两个相对的凸出端分别作为电子模拟积分器的第一电极5和第二电极6，固定层4的上表面作为电子模拟积分器的第三电极7；自旋流生成层1，用于在输入电流的作用下生成自旋流；多畴自由层2具有多个磁畴，用于在自旋流的自旋轨道力矩作用下发生磁畴壁移动，改变磁化方向，使得电子模拟积分器的电阻发生连续变化，且该变化与输入电流存在确定的积分关系；固定层4的磁化方向不发生变化。本发明的自旋流生成层采用重金属材料或拓扑绝缘体，如钽(Ta)、铂(Pt)、钨(W)、Bi2Se3或者Sb2Te3；固定层和多畴自由层采用铁磁材料，常用的材料为CoFeB；非磁性层采用电子隧穿的绝缘材料，常用的材料为MgO。
如图2所示，基于自旋轨道力矩(spin orbit torque,以下简称SOT)效应，在第一电极和第二电极之间施加输入电流，电流流过自旋流生成层时，由于自旋霍尔效应，自旋流生成层会产生自旋流，使得多畴自由层的畴壁移动，畴壁移动的速度与电流的关系如图3所示，在第一电极和第三电极之间或者在第二电极和第三电极之间施加读电流，并读取第一电极和第三电极之间或者第二电极和第三电极之间的电压，然后根据所施加的读电流及读取的电压计算得到器件的电阻值，实现对器件的读操作；对于MTJ整体的结电阻，当畴壁移动使固定层和多畴自由层各自的整体磁化方向相平行时，电阻最大。当畴壁移动使固定层和多畴自由层各自的整体磁化方向反平行时，电阻最小。输入电流要大于或等于临界值，产生SOT效应，使磁畴壁产生移动，使器件从低阻态逐渐向高阻态转变，并由此来实现积分功能，而读电流要小于临界值，保证不影响磁性材料当前的磁化状态。因此，输入电流的电流密度大于或等于10^6A/cm2，读电流的电流密度小于10^6A/cm2。
如图4所示，采用Candence中的spectre仿真器得到的仿真结果，可以看到在输入正弦波后，得到余弦波的输出，实现了积分的功能。
由于上述电子模拟积分器为非易失器件，在一次输入操作后，器件信息长久保留，下一次操作前需要重置器件，即恢复多畴自由层的磁化方向。
本发明提供的电子模拟积分器可以用在模拟计算机中执行积分操作，常用于模数转换器，斜坡发生器以及波形整形应用中。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于铁磁材料的电子模拟积分器，其特征在于，包括：自旋流生成层(1)、多畴自由层(2)、非磁性层(3)和固定层(4)；
所述多畴自由层(2)、非磁性层(3)和固定层(4)的膜面为大小相同的多边形或椭圆形，且所述膜面面积小于所述自旋流生成层(1)的膜面面积；所述多畴自由层(2)、非磁性层(3)和固定层(4)构成磁性隧道结，所述磁性隧道结位于所述自旋流生成层(1)上表面；所述自旋流生成层(1)两个相对的凸出端分别作为所述电子模拟积分器的第一电极和第二电极，所述固定层(4)上表面作为所述电子模拟积分器的第三电极；
所述自旋流生成层(1)，用于在输入电流的作用下生成自旋流；
所述多畴自由层(2)，用于在所述自旋流的自旋轨道力矩作用下发生磁畴壁移动，改变磁化方向，使得所述电子模拟积分器的电阻发生连续变化，磁畴壁移动速度与输入电流之间存在线性关系，使得电阻连续变化与所述输入电流存在确定的积分关系。
2.根据权利要求1所述的一种基于铁磁材料的电子模拟积分器，其特征在于，所述自旋流生成层采用重金属材料或拓扑绝缘体。
3.根据权利要求1所述的一种基于铁磁材料的电子模拟积分器，其特征在于，所述固定层和多畴自由层采用铁磁材料。
4.根据权利要求3所述的一种基于铁磁材料的电子模拟积分器，其特征在于，所述多畴自由层具有多个磁畴。
5.根据权利要求1所述的一种基于铁磁材料的电子模拟积分器，其特征在于，所述非磁性层采用电子隧穿的绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的一种基于铁磁材料的电子模拟积分器，其特征在于，所述输入电流的电流密度大于或等于10^6A/cm2。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于铁磁材料的电子模拟积分器，其特征在于，所述电子模拟积分器为非易失器件，在一次输入操作后，器件信息长久保留，下一次操作前需要重置器件。
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