DE10053206C1 - Logic circuit device uses magnetoresistive element with magnetizable soft magnetic layer and selective perpendicular magnetic field for alteration of logic function - Google Patents
Logic circuit device uses magnetoresistive element with magnetizable soft magnetic layer and selective perpendicular magnetic field for alteration of logic functionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Logikschaltungsanordnung, mit mindestens einem magnetoresistiven Element, dem ein Leiter mit mindestens zwei Signalanschlüssen zugeordnet ist, mittels dem im stromdurchflossenen Zustand ein auf das magnetore sistive Element einwirkendes Magnetfeld erzeugbar ist, mit tels dem die Magnetisierung einer weichmagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements umschaltbar ist.The invention relates to a logic circuit arrangement, with at least one magnetoresistive element, to which a conductor is assigned with at least two signal connections, by means of the one in the current-carrying state on the magnetore sistive element acting magnetic field can be generated with The magnetization of a soft magnetic layer of the magnetoresistive element is switchable.
Aus der Veröffentlichung "Programmable logic using giant magnetoresistance and spin-dependent tunneling devices (invited)" von William C. Black, Jr. and Bodhisattva Das, Journal of applied physics, Band 87, Nr. 9 vom 01.05.2000, ist eine feldprogrammierbare Logikschaltungsanordnung be kannt, welche mehrere magnetoresistive Elemente und zugeord nete Referenz-Elemente umfasst. Der Typ der Logikschaltung, ob es sich also um eine Schaltung mit einer OR-, NOR-, AND- oder NAND-Funktion handelt, wird durch entsprechende Pro grammierung eingestellt, wozu man sich der harten und der weichen Schicht der magnetoresistiven Elemente, also der Re ferenz-Schicht, bedient, an die ein entsprechender Strom an gelegt wird, der zur Ausrichtung derselben dient. Die Funk tionsart wird durch die jeweilige Einstellung an einem magne toresistiven Element sowie seinem zugeordneten Referenzele ment definiert.From the publication "Programmable logic using giant magnetoresistance and spin-dependent tunneling devices (invited)" by William C. Black, Jr. and Bodhisattva Das, Journal of applied physics, Volume 87 , No. 9 of May 1, 2000, is a field programmable Logic circuit arrangement is known, which comprises a plurality of magnetoresistive elements and assigned reference elements. The type of logic circuit, whether it is a circuit with an OR, NOR, AND or NAND function, is set by appropriate programming, including the hard and soft layers of the magnetoresistive elements, that is Reference layer, operated, to which a corresponding current is applied, which serves to align the same. The type of function is defined by the respective setting on a magnetoresistive element and its assigned reference element.
Zum einen ist die Art der Funktionsprogrammierung aufwendig, zum anderen sind hierfür jeweils mindestens drei Elemente er forderlich, um ein Logikgrundelement zu bilden.On the one hand, the type of function programming is complex, on the other hand, there are at least three elements for this required to form a basic logic element.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine feldprogram mierbare Logikschaltung anzugeben, bei der auf einfache Weise die Funktion eingestellt werden kann und wenige magnetore sistive Elemente benötigt werden. The invention is based on the problem of a field program specifiable logic circuit in the simple way the function can be set and few magnetore sistive elements are needed.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Logikschaltungsan ordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgese hen, das Mittel zum bedarfsabhängigen Erzeugen eines im We sentlichen senkrecht zur Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht stehenden weiteren Magnetfelds vorgesehen sind.To solve this problem with a logic circuit order of the type mentioned in the present invention hen, the means for the needs-based generation of a We substantially perpendicular to the magnetization of the soft magnetic Layer standing further magnetic field are provided.
Das mit den erfindungsgemäß vorgesehenen Mitteln erzeugbare Magnetfeld, das senkrecht zur Magnetisierung der weichmagne tischen Schicht, die über das über den Leiter mit den Signal anschlüssen erzeugbare Feld bei hinreichend hohem Magnetfeld gedreht werden kann, steht, ist es mit besonderem Vorteil möglich, die zum Drehen bzw. Umschalten der Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht erforderliche Koerzitivfeld stärke zu verringern. Dies führt dazu, dass ein geringeres, von den über den Leiter geführten Signalströmen erzeugbares Magnetfeld zum Umschalten erforderlich ist. Der Drehprozess in der magnetischen Schicht geschieht außerdem schneller als das Umschalten bei der in der eingangs benannten Veröffentli chung beschriebenen Logikschaltungsanordnung.That which can be generated with the means provided according to the invention Magnetic field perpendicular to the magnetization of the soft magnet table layer over that over the conductor with the signal field that can be generated with a sufficiently high magnetic field can be rotated, it is particularly advantageous possible to turn or switch the magnetization the coercive field required for the soft magnetic layer decrease strength. This means that a lower, that can be generated by the signal currents carried over the conductor Magnetic field is required for switching. The turning process also happens faster than in the magnetic layer switching at the publication named in the beginning Chung described logic circuitry.
Ist kein senkrecht stehendes Magnetfeld vorhanden, so ist die zum Umschalten erforderliche Koerzitivfeldstärke hoch. Um nun die Magnetisierung zu drehen, müssen über beide Signalan schlüsse Signale gegeben werden, so dass additiv ein hinrei chend hoher Strom über den Leiter fließt, der ein hinreichend hohes Magnetfeld erzeugt, das eine Feldstärke besitzt, die gleich oder größer der Koerzitivfeldstärke ist. In diesem Fall ist also eine AND-Logik realisiert. Wird nun das senk recht stehende Magnetfeld erzeugt, so verringert sich die Koerzitivfeldstärke. Zum Drehen ist es dann bereits ausrei chend, wenn lediglich ein Signal und damit nur der halbe Strom über den Leiter fließt, d. h., es ist ein niedrigeres Magnetfeld zum Umschalten ausreichend. In diesem Fall wäre eine OR-Funktion realisiert (da jedes der Signale individuell zum Schalten ausreicht). If there is no vertical magnetic field, then that is Coercivity required to switch high. Um now the magnetization must turn on via both signals conclusive signals are given, so that additive one Adequate current flows over the conductor, which is sufficient generates a high magnetic field that has a field strength that is equal to or greater than the coercive force. In this In this case, AND logic is implemented. Now is the lower generated magnetic field, so the Coercivity. It is then enough to turn accordingly, if only one signal and thus only half Current flows over the conductor, d. that is, it is a lower one Sufficient magnetic field for switching. In this case an OR function (since each of the signals is individual enough to switch).
Die Erfindung nutzt mit besonderem Vorteil die Asteroid- Schaltkurve der weichmagnetischen Schicht aus, die mit Hilfe des bedarfsabhängigen senkrechten Magnetfelds erhalten wird, um auf einfache Weise die Funktionsänderung der Logikschal tungsanordnung zu realisieren. Denn je nachdem, ob nun dieses senkrechte Magnetfeld anliegt oder nicht, ändert sich die Hysteresekurve, die das Ummagnetisierungsverhalten der weich magnetischen Schicht beschreibt, und damit auch die Funkti onsweise der Schaltungsanordnung. Damit ist auf einfache Wei se ein im einfachsten Ausführungsfall lediglich ein magneto resistives Element umfassendes Logikgrundelement realisiert, das je nach Bedarf und Anwendungsfall zwischen einer OR- und einer AND-Funktion oder - je nachdem wie die Signaleingänge und -ausgänge definiert sind bzw. die hartmagnetische Refe renzschicht ausgerichtet ist - zwischen einer NOR- und einer NAND-Funktion geschalten werden kann.The invention makes particular use of the asteroid Switching curve of the soft magnetic layer made with the help the demand-dependent vertical magnetic field is obtained, to easily change the function of the logic scarf realizing arrangement. Because depending on whether this perpendicular magnetic field is present or not, the changes Hysteresis curve that shows the magnetization behavior of the soft magnetic layer describes, and thus the functi onweise of the circuit arrangement. This is in a simple way In the simplest case, this is just a magneto resistive element comprehensive logic basic element realized, depending on the need and application between an OR and an AND function or - depending on how the signal inputs and outputs are defined or the hard magnetic ref boundary layer is aligned - between a NOR and a NAND function can be switched.
Zum Erzeugen des senkrecht stehenden Magnetfelds umfassen die Mittel vorteilhaft einen bestrombaren weiteren Leiter. Je nach gewünschter Logikfunktion wird dieser weitere Leiter bestromt oder nicht. Der weitere Leiter ist zweckmäßigerweise derart bemessen und angeordnet, dass das von ihm erzeugbare Magnetfeld im Wesentlichen homogen auf das magnetoresistive Element einwirkt, d. h., dass über die Fläche der weichmagne tischen Schicht ein im Wesentlichen homogenes Magnetfeld an liegt, so dass die Koerzitivfeldstärke gleichmäßig über die weichmagnetische Schicht verringert werden kann.To generate the perpendicular magnetic field, the Advantageously, a further current-carrying conductor. ever according to the desired logic function, this will become another conductor energized or not. The other conductor is expedient dimensioned and arranged in such a way that what it can produce Magnetic field essentially homogeneous on the magnetoresistive Acts element, d. that is, across the area of the soft mag an essentially homogeneous magnetic field lies so that the coercive force is evenly above the soft magnetic layer can be reduced.
Gemäß einer zweckmäßigen Erfindungsausgestaltung kann einem oder mehreren magnetoresistiven Elementen ein magnetoresisti ves Referenz-Element mit eigenem zugeordneten Mittel zugeord net sein. Dieses Referenz-Element dient ausschließlich zu Re ferenzzwecken, hinsichtlich der Feldprogrammierbarkeit, die allein durch den bestrombaren weiteren Leiter erzielt wird, trägt das Referenz-Element nichts bei. Gleichwohl ist ein Re ferenz-Element zweckmäßig, um Widerstandsvariationen auf bzw. über den Wafer auszugleichen. According to an expedient embodiment of the invention, one can or more magnetoresistive elements a magnetoresisti ves assigned reference element with its own allocated funds be nice. This reference element is used only for Re reference purposes, in terms of field programmability, the is achieved solely by the current-carrying conductor, the reference element does nothing. Nevertheless, a re reference element expedient to reduce resistance variations on or to balance over the wafer.
Den Mitteln, also beispielsweise dem weiteren Leiter, ist zweckmäßigerweise ein Schalt- oder Steuerelement zugeordnet, über das die Erzeugung des weiteren Magnetfelds steuerbar ist. Als ein solches Schalt- oder Steuerelement kann jedes beliebige Element dienen, das es ermöglicht, dann wenn es er forderlich ist einen Strom über den Leiter, der mit einer entsprechenden Stromquelle verbunden ist, zu führen. Als ein solches Schalt- oder Steuerelement kann zweckmäßigerweise eine MRAM-Speicherzelle, also eine magnetic-random-access- memory-Zelle verwendet werden, über deren Zustand der Bestro mungsbetrieb des weiteren Leiters definiert wird. Zweckmäßi gerweise wird ein Schalt- oder Steuerelement mit nicht flüch tig gespeicherter Schalt- oder Steuerinformation verwendet.The means, for example the other head expediently assigned a switching or control element, via which the generation of the further magnetic field can be controlled is. As such a switching or control element, any serve any element that makes it possible, if it does a current over the conductor is required, which is connected to a corresponding power source is connected to lead. As a such a switching or control element can expediently an MRAM memory cell, i.e. a magnetic random access memory cell are used, about the state of the Bestro operation of the other head is defined. Zweckmäßi In some cases, a switching or control element is not cursed tig stored switching or control information used.
Nach einer vorteilhaften Erfindungsausgestaltung kann vorge sehen sein, dass die Mittel zum Erzeugen eines niedrigen Bias-Magnetfelds, das im Wesentlichen kontinuierlich auf das magnetoresistive Element einwirkt, und eines höheren Magnet felds ausgebildet ist. Das Bias-Magnetfeld erniedrigt die Koerzitivfeldstärke ebenfalls, jedoch nur gering, was dahin gehend von Vorteil ist, als die Hysteresekurve "homogener" wird. Man nähert sich einem idealen Schaltverhalten, das Schalten ist schneller möglich. Das magnetoresistive Element bzw. Referenz-Element wird also etwas vorgespannt. Demgegen über ist das Eigentliche die Funktion der Logikschaltungsan ordnung definierende Magnetfeld wesentlich höher und ernied rigt die Koerzitivfeldstärke deutlich.According to an advantageous embodiment of the invention can pre can be seen that the means of generating a low Bias magnetic field that is essentially continuous to that magnetoresistive element, and a higher magnet field is formed. The bias magnetic field lowers the Coercive force also, but only slightly, what to do is advantageous as the hysteresis curve is "more homogeneous" becomes. One approaches an ideal switching behavior, the Shifting is possible faster. The magnetoresistive element or reference element is preloaded somewhat. In contrast, The real thing is the function of the logic circuit order-defining magnetic field much higher and lower the coercive field strength significantly.
Zweckmäßig kann es ferner sein, wenn einem magnetoresistiven Element - gleich welcher Art - ein Verstärkerelement zugeord net ist, um das Ausgangssignal zu verstärken, so dass es als Eingangssignal für andere Logikelemente benutzt werden kann.It may also be expedient if a magnetoresistive Element - of whatever type - assigned an amplifier element net is to amplify the output signal so that it is as Input signal can be used for other logic elements.
Wie bereits beschrieben ermöglicht die erfindungsgemäße Lo gikschaltungsanordnung den Aufbau eines Logikgrundelements umfassend lediglich ein magnetoresistives Element mit zugeordnetem Leiter und weiterem Leiter, die Beiordnung eines Re ferenz-Elements ist optional. Die Einfachheit des Aufbaus er möglicht infolgedessen den ebenfalls einfachen und wesentlich kleineren Aufbau einer größeren Logikschaltungsanordnung, die eine Vielzahl von array-artig angeordneten magnetoresistiven Elementen, gegebenenfalls zugeordneten Referenz-Elementen, mit zugeordneten Leitern und weiteren Leitern und gegebenen falls Verstärkerelementen umfasst. Es können also auf einfa che Weise feldprogrammierbare Logikarrays gebildet werden, die zusammen mit integrierten Schaltungen eingesetzt werden können.As already described, the Lo according to the invention enables gikschaltanordnung the construction of a basic logic element comprising only a magnetoresistive element with an associated Head and further head, the assignment of a re Reference element is optional. The simplicity of the construction consequently, it is also possible to make it simple and essential smaller structure of a larger logic circuit arrangement, the a large number of arrayed magnetoresistive Elements, possibly assigned reference elements, with assigned conductors and other conductors and given if includes amplifier elements. So it can be simple how field-programmable logic arrays are formed, which are used together with integrated circuits can.
Als magnetoresistive Elemente bzw. Referenz-Elemente können zweckmäßigerweise GMR-(giant magnetoresistive) oder TMR- (tunneling magnetoresistive)Elemente verwendet werden.Can be used as magnetoresistive elements or reference elements expediently GMR (giant magnetoresistive) or TMR (tunneling magnetoresistive) elements can be used.
Ferner können die Mittel erfindungsgemäß mehrere weitere dem magnetoresistiven Element zugeordnete, über- und/oder neben einander liegende und elektrisch voneinander isolierte Leiter umfassen, die zur Erzeugung des senkrecht wirkenden Magnet felds gemeinsam bestromt werden.Furthermore, according to the invention, the agents can have several more magnetoresistive element associated, above and / or next mutually lying and electrically insulated conductors include that to produce the perpendicular magnet fields are energized together.
Eine Erfindungsalternative zur Verwendung separater und elek trisch bezüglich des magnetoresistiven Elements isolierter weiterer Leiter sieht vor, dass als weitere Leiter die Strom leitungen des magnetoresistiven Elements dienen. Das magneto resistive Element wird im Betrieb mit einem Tunnelstrom be aufschlagt. Die hierzu vorgesehenen Leitungen können zweckmä ßigerweise auch als weitere Leiter zur Erzeugung dieses senk rechten Magnetfelds dienen.An alternative invention to use separate and elek trically isolated from the magnetoresistive element another conductor provides that as another conductor the electricity lines of the magnetoresistive element are used. The magneto resistive element is in operation with a tunnel current aufschlagt. The lines provided for this purpose can expediently ßlicher also as a further conductor to generate this lower right magnetic field.
Schließlich kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die hartmagnetische Referenzschicht eines magnetoresistiven Ele ments über das bei Bestromung des Leiters mit den Signalan schlüssen erzeugbare Feld im Bedarfsfall ummagnetisierbar ist. Dies bietet die Möglichkeit, die Grundfunktion der Lo gikschaltung zu ändern, die abhängig von der Ausrichtung der Magnetisierung der Referenzschicht ist. Werden also über die Signalanschlüsse hohe Ströme geführt, die natürlich deutlich höher sein müssen als die normalen Signale, da sich beim nor malen Betrieb die Referenzschichtmagnetisierung natürlich nicht ändern darf, so ist es beispielsweise möglich, die Schaltungsfunktion von einer "OR"- in eine "NAND"-Funktion zu ändern.Finally, it can be provided according to the invention that the hard magnetic reference layer of a magnetoresistive ele mentions that when the conductor is energized with the signal conclusively generated field can be remagnetized if necessary is. This offers the possibility to change the basic function of the Lo gik circuit to change depending on the orientation of the Magnetization of the reference layer is. So are about Signal connections led high currents, which of course clearly must be higher than the normal signals, since the nor paint operation the reference layer magnetization of course may not change, for example it is possible to change the Switching function from an "OR" to a "NAND" function to change.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei spielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:Further advantages, features and details of the invention he result from the implementation described below play as well as based on the drawings. Show:
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Logikschaltungsanordnung einer ersten Ausführungsform, Fig. 1 is a schematic diagram of a logic circuit arrangement of a first embodiment,
Fig. 2 eine Prinzipskizze einer idealisierten Schaltkurve eines magnetoresistiven Elements mit Asteroid- Schaltverhalten, und Fig. 2 is a schematic diagram of an idealized switching curve of a magnetoresistive element with asteroid switching behavior, and
Fig. 3 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform einer Logikschaltungsanordnung mit Referenz-Element. Fig. 3 shows a second embodiment of a logic circuit arrangement according to the invention with a reference element.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Logikschaltungsanordnung 1 bestehend aus einem magnetoresistiven Element 2, beispiels weise einem GMR- oder einem TMR-Element. Dieses magnetore sistive Element ist über geeignete Zuleitungen mit einem Messstrom I0 bestrombar, wobei die Größe der abgreifbaren Messspannungen abhängig davon ist, wie die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements zur Magnetisierung der hartmagnetischen Referenzschicht steht. Die Grundfunktion eines GMR- oder TMR-Elements ist hinrei chend bekannt, auf sie muss hier nicht näher eingegangen wer den. Fig. 1 shows a logic circuit arrangement 1 according to the invention consisting of a magnetoresistive element 2 , for example, a GMR or a TMR element. This magnetoresistive element can be supplied with a measuring current I 0 via suitable supply lines, the size of the measuring voltages which can be tapped depending on how the magnetization of the soft magnetic layer of the magnetoresistive element relates to the magnetization of the hard magnetic reference layer. The basic function of a GMR or TMR element is well known, they need not be discussed here in more detail.
Elektrisch isoliert verläuft quer über dem magnetoresistiven Element 2 ein ebenfalls bestrombarer Leiter 3, der im bestromten Zustand ein Magnetfeld am Ort der weichmagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements 2 erzeugt. Der Strom IA/B im Leiter 3 addiert sich aus den Einzelströmen der beiden Logikeingänge A und B, an die entsprechende Logiksig nale gelegt werden können. Der Spannungsabfall U über dem magnetoresistiven Element ist der logische Ausgang.Electrically insulated, a conductor 3 , which can also be energized, runs across the magnetoresistive element 2 and , when energized, generates a magnetic field at the location of the soft magnetic layer of the magnetoresistive element 2 . The current I A / B in conductor 3 is added up from the individual currents of the two logic inputs A and B, to which corresponding logic signals can be applied. The voltage drop U across the magnetoresistive element is the logic output.
Der Strom-Spannungsverlauf eines magnetoresistiven Elements 2 folgt direkt aus der Hysteresekurve der weichmagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements und nimmt im Idealfall bei konstantem I0 zwei diskrete Werte an, die zur Definition einer logischen "0" (U0) und einer logischen "1" (U1) dienen. Das Grundprinzip bzw. der prinzipielle Verlauf ist in Fig. 2 anhand der ausgezogenen Hysteresekurve dargestellt.The current-voltage curve of a magnetoresistive element 2 follows directly from the hysteresis curve of the soft magnetic layer of the magnetoresistive element and ideally assumes two discrete values at constant I 0 , which define a logical "0" (U 0 ) and a logical "1" (U 1 ) serve. The basic principle or the basic course is shown in FIG. 2 on the basis of the extended hysteresis curve.
Zwei diskrete Stromwerte der Logikeingänge A und B werden als logische "1" (I(1)) und logische "0" (I(0)) definiert. Je nachdem, bei welchen Stromkombinationen bzw. den sich daraus ergebenden Strömen und damit Magnetfeldern über dem magneto resistiven Element 2 die Ummagnetisierung der weichmagneti schen Schicht und damit die Änderung der Spannung U von logi scher "0" nach logischer "1" schaltet, definiert sich die Lo gikschaltung als OR-, NOR-, AND- oder NAND-Funktion.Two discrete current values of logic inputs A and B are defined as logic "1" (I ( 1 )) and logic "0" (I (0)). Depending on the current combinations or the resulting currents and thus magnetic fields across the magnetoresistive element 2, the magnetization of the magnetically soft layer and thus the change in the voltage U from logical "0" to logical "1" is defined the logic circuit as an OR, NOR, AND or NAND function.
Sind I(0), I(1), U(0) und U(1) einmal global festgelegt, dann definiert das Schaltverhalten und dabei konkret die Koerzi tivfeldstärke Hc der weichmagnetischen Schicht des magnetore sistiven Elements 2 die Funktion der logischen Schaltung. Ist Hc klein, so dass bereits eine logische "1" an einem der Ein gänge A, B genügt, um von U(0) nach U(1) zu schalten, so liegt eine OR-Funktion vor (schaltet das Element von U(1) nach U(0), so liegt eine NOR-Funktion vor). Ist Hc so groß, dass an beiden logischen Eingängen eine logische "1" anliegen muss, damit das über den Leiter 3 erzeugte Magnetfeld hinrei chend groß ist, damit das magnetoresistive Element 2 ummagne tisiert und damit die Spannung schaltet, so liegt eine AND- Funktion vor (und entsprechend bei einem Umschalten von U(1) nach U(0) eine NAND-Funktion). Once I (0), I ( 1 ), U (0) and U ( 1 ) are defined globally, then the switching behavior and specifically the coercive field strength H c of the soft magnetic layer of the magnetoresistive element 2 define the function of the logic circuit. If H c is small, so that a logical "1" at one of the inputs A, B is sufficient to switch from U (0) to U ( 1 ), then there is an OR function (switches the element from U ( 1 ) after U (0), there is a NOR function). If H c is so large that a logic "1" must be present at both logic inputs so that the magnetic field generated via the conductor 3 is sufficiently large so that the magnetoresistive element 2 is magnetized and the voltage is switched, then there is an AND Function before (and accordingly a NAND function when switching from U ( 1 ) to U (0)).
Durch geeignete Variation der Koerzitivfeldstärke Hc der weichmagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements 2 kann somit die Logikschaltung 1 in ihrer Funktion definiert werden. Das Verhältnis der Koerzitivfeldstärke zur Höhe des über einen der Eingänge A oder B anlegbaren Signalstroms bzw. dem hierüber erzeugbaren Magnetfeld definiert also die Funk tion.The function of the logic circuit 1 can thus be defined by suitable variation of the coercive field strength H c of the soft magnetic layer of the magnetoresistive element 2 . The ratio of the coercive field strength to the level of the signal current that can be applied via one of the inputs A or B or the magnetic field that can be generated thereby defines the function.
Die Erfindung macht sich nun den Umstand zu Nutze, dass mit tels eines senkrecht zur leichten magnetischen Richtung der weichmagnetischen Schicht, die eine uniaxiale magnetische Anisotropie aufweist, und deren Schaltverhalten durch eine sogenannte Asteroid-Kurve charakterisiert wird, die Koerzi tivfeldstärke betragsmäßig verkleinert werden kann. Material, Geometrie und Dimensionen der weichmagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements 2 sind so gewählt, dass das Ele ment ein Asteroid-Schaltverhalten zeigt und die Koerzitiv feldstärke in der leichten magnetischen Richtung durch ein externes Magnetfeld verringert werden kann. Zu diesem Zweck ist ein weiterer Leiter 4 vorgesehen, der oberhalb des magne toresistiven Elements 2 und oberhalb des Leiters 3 und dazu isoliert verläuft, und der ebenfalls über geeignete Zuleitun gen mit einer Stromquelle 5 verbunden ist. Der Leiter 4 kann aber ebenso auch unterhalb des Elements 2, oder auch zwischen dem Element 2 und dem Leiter 3 angeordnet sein, solange Homo genität gewahrt ist. Wird nun dieser weitere Leiter 4 be stromt, so wird hierüber ein Magnetfeld erzeugt, das senk recht zur Richtung der Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht des magnetoresistiven Elements 2 verläuft. Hierüber wird die Koerzitivfeldstärke verringert. Dies bedeutet gleichzeitig, dass aufgrund dieses zusätzlichen stromindu zierten Magnetfelds auch die externe Feldstärke abnimmt, die zum Ummagnetisieren erforderlich ist. Wird also bei Bestro mung des weiteren Leiters 4 mit einem Strom IP ein senkrecht stehendes Magnetfeld HP erzeugt, so kann die logische Funkti on der Logikschaltungsanordnung 1 von einer AND- in eine OR- Funktion durch das externe Magnetfeld umprogrammiert werden, gleichermaßen ist eine Umprogrammierung von einer NAND- in eine NOR-Funktion möglich, je nach Definition der Ein- und Ausgänge.The invention now takes advantage of the fact that the coercive field strength can be reduced in magnitude by means of a perpendicular to the easy magnetic direction of the soft magnetic layer, which has a uniaxial magnetic anisotropy and whose switching behavior is characterized by a so-called asteroid curve. The material, geometry and dimensions of the soft magnetic layer of the magnetoresistive element 2 are selected so that the element shows an asteroid switching behavior and the coercive field strength in the easy magnetic direction can be reduced by an external magnetic field. For this purpose, a further conductor 4 is provided, which runs above the magnetoresistive element 2 and above the conductor 3 and insulated therefrom, and which is also connected to a current source 5 via suitable supply lines. The head 4 can also be arranged below the element 2 , or between the element 2 and the head 3 , as long as homo is ensured. If this further conductor 4 is now energized, a magnetic field is generated over it, which runs perpendicular to the direction of magnetization of the soft magnetic layer of the magnetoresistive element 2 . This reduces the coercive force. At the same time, this means that due to this additional current-induced magnetic field, the external field strength that is required for magnetic reversal also decreases. If a vertical magnetic field H P is generated when the further conductor 4 is energized with a current I P , the logic function of the logic circuit arrangement 1 can be reprogrammed from an AND function into an OR function by the external magnetic field Reprogramming from a NAND to a NOR function possible, depending on the definition of the inputs and outputs.
Im Strom-Spannungs-Verlauf äußert sich dies dadurch, dass - siehe idealisiert in Fig. 2 - die Hysteresekurve schmäler wird. Die ausgezogene idealisierte Schaltkurve erhält man, wenn IP = 0 gegeben ist. Wird ein Strom IP = I' über den weiteren Leiter 4 geführt, so nimmt der erforderliche Umschaltstrom ab, wie durch die gestrichelte Linie angegeben ist. Ist bei der ausgezogenen Kurve noch die Summe beider an den Eingängen A und B anliegenden Signale erforderlich (AND-Funktion), so ist gemäß der gestrichelten Linie nur noch ein an einem der Eingänge A oder B anliegendes Signal zum Umschalten vonnöten.This is expressed in the current-voltage curve by the fact that - see idealized in FIG. 2 - the hysteresis curve becomes narrower. The idealized switching curve is obtained if I P = 0. If a current I P = I 'is conducted over the further conductor 4 , the required switching current decreases, as indicated by the dashed line. If the sum of the two signals present at inputs A and B is still required for the solid curve (AND function), only a signal present at one of the inputs A or B is required to switch over according to the broken line.
Die Information, ob der weitere Leiter 4 bestromt und damit ein Magnetfeld HP angelegt werden soll oder nicht, wird über ein Schalt- oder Steuerelement 6, im gezeigten Beispiel eine M-RAM-Speicherzelle 7, vorgegeben. Ein Verstärkerelement 8 dient zur Signalverstärkung, um einen oder mehrere Logikein gänge anderer Logikfunktionen ansteuern zu können.The information as to whether the further conductor 4 is energized and thus a magnetic field H P is to be applied or not is specified via a switching or control element 6 , in the example shown an M-RAM memory cell 7 . An amplifier element 8 is used for signal amplification in order to control one or more logic inputs of other logic functions.
Nachfolgend wird ein Beispiel gegeben, wie die logischen Ein-
und Ausgänge definiert werden können, um NAND-Funktion zu de
finieren:
Die logischen Eingänge sind definiert:
logische "1": I(1) = I*
logische "0": I(0) = -0.5I*
Die logischen Ausgänge sind definiert:
logische "1": U(1) = U1
logische "0": U(0) = U0.
Below is an example of how the logic inputs and outputs can be defined to define the NAND function:
The logical inputs are defined:
logical "1": I ( 1 ) = I *
logical "0": I (0) = -0.5I *
The logical outputs are defined:
logical "1": U ( 1 ) = U 1
logical "0": U (0) = U 0 .
Bevor eine logische Funktion ausgeführt wird ist das magneto resistive Element 2 in einen definierten Ausgangszustand zu bringen, wobei in diesem Ausführungsbeispiel an beide Eingän ge eine logische 0 angelegt wird (reset-Funktion). Es liegt also an beiden Eingängen ein Strom I(0) = -0.5I* an. Gemäß o biger Definition und dem bezüglich Fig. 2 beschriebenen Astroid-Schaltverhalten folgt, dass bei IP = 0 eine NAND- Funktion vorliegt, bei IP = I' liegt eine NOR-Funktion vor.Before a logic function is carried out, the magnetoresistive element 2 is to be brought into a defined initial state, a logic 0 being applied to both inputs in this exemplary embodiment (reset function). There is a current I (0) = -0.5I * at both inputs. According to the above definition and the astroid switching behavior described with reference to FIG. 2, it follows that if I P = 0 there is a NAND function, and if I P = I 'there is a NOR function.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsge mäßen Logikschaltung 9. Diese entspricht insoweit der Logik schaltung gemäß Fig. 1, jedoch ist hier ein zweites magneto resistives Referenz-Element 2' vorgesehen, oberhalb welchem ebenfalls elektrisch isoliert ein Leiter 3 verläuft, so dass auch dieses Referenz-Element 2' mit einem Magnetfeld geschal tet wird wie das eigentliche Messelement 2. Über das magneto resistives Referenz-Element 2', bei dem ebenfalls ein kon stanter Strom I(0) anliegt, wird gleichermaßen eine Referenz spannung UR abgegriffen, die im Idealfall im Bereich Umax ≦ UR ≦ Umin liegt, wobei Umax, Umin der maximale bzw. minimale Span nungsabfall am Element 2 bei Strom I(0) ist. Fig. 3 shows another embodiment of a logic circuit 9 erfindungsge MAESSEN. In this respect it corresponds to the logic circuit according to FIG. 1, but here a second magnetoresistive reference element 2 'is provided, above which a conductor 3 also runs in an electrically insulated manner, so that this reference element 2 ' is also switched with a magnetic field like the actual measuring element 2 . About the magnetoresistive reference element 2 ', in which a constant current I (0) is also present, a reference voltage U R is tapped, which is ideally in the range U max ≦ U R ≦ U min , where U max , U min is the maximum or minimum voltage drop at element 2 at current I (0).
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Erfindung eine feldprogrammierbare Logikschaltungsanordnung angibt, die we sentlich weniger Elemente benötigt und mithin auf einer ge ringeren Fläche auf einem Wafer aufgebaut werden kann, weiter kann sie auf einfache Weise jederzeit in ihrer Funktion umge schalten werden. Das Umschalten findet in einem Rotationspro zess statt, der eine schnellere Signalverarbeitung erlaubt.In summary, it should be noted that the invention is a Field programmable logic circuitry indicates which we requires considerably fewer elements and therefore on one ge ring area can be built on a wafer, further can easily reverse its function at any time will switch. The switching takes place in a rotation pro process instead, which allows faster signal processing.
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