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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen neuen Typ von Vollmetall-Halbleiterkomponente,
die nachfolgend als GMR-„Transpinnor" bezeichnet wird. Spezifischer
ausgedrückt,
es wird hierin eine mehrlagige Metallstruktur beschrieben, bei der
das Riesenmagnetowiderstand-Phänomen
(GMR) für
die Funktion als aktives Bauelement mit Transistor- und Transformatoreigenschaften
zum Einsatz kommt. Darüber
hinaus wird hierin eine Struktur beschrieben, die als passiver Transformator
dient. Es ist hinlänglich
bekannt, dass es in der bipolaren Halbleitertechnik keine Transformatoren,
sei es passiv oder aktiv, gibt. Die aktiven Bauelemente sind gegenüber konventionellen
Dünnfilmtransformatoren
in zweierlei Hinsicht überlegen:
(1) sie haben Leistungsverstärkung,
und (2) sie haben einen flachen Frequenzgang bis hinab zu und einschließlich DC.
Die Doppelfunktion dieser aktiven Bauelemente, als Transformator und
Transistor, macht diese zu einem wahrhaft neuen Typ von elektronischer
Grundkomponente, den wir als „Transpinnor" bezeichnen. Über ihre
Grundfunktionen als Schaltbauelemente (z.B. Transistoren) und Transformatoren
hinaus sind Transpinnor gut als Basis für universelle Vollmetallelektronik
sowohl analog als auch digital geeignet. Sie bieten Funktionen, die
einer Reihe verschiedener elektronischer und magnetischer Schaltungskomponenten
entsprechen. Diese Komponenten beinhalten Differenzverstärker, Speicherelemente
sowie gattergesteuerte und Impulstransformatoren. Gemäß verschiedenen
Ausgestaltungen wird ein GMR-Transpinnor
mit zwei Eingangsleitungen, zwei Ausgangsleitungen und zwei Stromleitungen
beschrieben. Es werden auch mehrere Verfahren zum Erzielen von hysteresefreien
Filmen für
einen linearen Transpinnor-Betrieb beschrieben.
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Der
so genannte Vollmetall-Spin-Transistor wurde in Artikeln von Mark
Johnson in Science (Seite 320, Band 260, 16. April 1993) und in
IEEE Spectrum (Seite 47, Mai 1994) beschrieben.
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Das
beschriebene Bauelement ist ein bipolarer Transistor, da er auf
zwei verschiedenen Trägertypen
beruht. Während
die Träger
für bipolare
Siliciumtransistoren Elektronen und Löcher mit einander entgegengesetzten
elektrischen Ladungen sind, umfassen die beiden Trägerpopulationen
für den
Vollmetall-Spin-Transistor Elektronen, die entgegengesetzte Spin-Ausrichtungen
haben. Im Allgemeinen ist der Vollmetall-Spin-Transistor von Johnson eine dreilagige
Einperiodenstruktur, bei der elektrischer Strom von Lage zu Lage
in der Richtung der Filmnormalen geleitet wird. Der Johnson- Transistor nutzt
die Tatsache, dass das Tiefstenergie-Leitungsband in einem ferromagnetischen
Metall für
Elektronen mit Spin-Polarisation in der Richtung der Magnetisierung
und der Tiefstenergiezustand in einem nichtferromagnetischen Leiter
für gleiche
Populationen von Spin-Polarisationen ist. Die Emitter- und Kollektor-Lagen
des Johnson-Spin-Transistors sind ferromagnetische Filme, und die
Basislage ist ein nichtmagnetisches Metall. Der Ausgang des Bauelementes
wird durch Ändern
des Winkels zwischen den beiden Magnetisierungen eingestellt, d.h.
durch Umschalten der Magnetisierungsrichtung eines der beiden Filme,
so dass die relativen Orientierungen der jeweiligen Magnetisierungsrichtungen
zwischen paralleler und antiparalleler Ausrichtung wechseln.
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Ein
Vollmetall-Spin-Transistor hat mehrere potentielle Vorteile für Hochdichtigkeitsanwendungen.
So erwartet man beispielsweise, da Lithografietechniken im Submikronbereich
leicht auf die Fertigung angewendet werden können, dass der Vollmetall-Spin-Transistor
qualitativ kleiner hergestellt werden kann als bipolare Halbleitertransistoren,
möglicherweise
sogar mit hundertfacher Dichte. Da jedoch ein Vollmetalltransistor
ausschließlich
aus Metall besteht, hat er eine weitaus höhere Trägerdichte als hochdotiertes
Silicium. Eine hohe Trägerdichte
bedeutet, dass der Spin-Transistor
mit weitaus kleineren Merkmalen arbeiten kann als Siliciumtransistoren.
Darüber
hinaus wird die Schaltzeit des Spin-Transistors auf 2 ns oder besser
geschätzt.
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Schließlich erfordert,
da der Spin-Transistor ein Vollmetallbauelement ist, seine Herstellung
viele der Hochtemperaturverarbeitungsschritte, die der Fertigung
von Siliciumbauelementen eigen sind. Dies wird noch signifikanter
im Hinblick auf den Zusammenhang eines neuen Vollmetall-GMR-Speicherelementes,
wie es im gemeinschaftlich zugewiesenen US-Patent Nr. 5,587,943
für NONVOLATILE
MAGNETORESISTIVE MEMORY WITH FULLY CLOSED-FLUX STRUCTURE beschrieben
ist, das am 24. Dezember 1996 erteilt wurde.
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Gemäß spezifischen
Ausgestaltungen der beschriebenen Erfindung in diesem gemeinschaftlich zugewiesenen
Patent kann das GMR-Vollmetallspeicherelement in einer Direktzugriffsspeicherarray
eingesetzt werden, die nachfolgend als Permanent-Direktzugriffsspeicher (PRAM) bezeichnet
wird. Angesichts der Tatsache, dass alle Speicherelemente des PRAM
Vollmetallbauelemente sind, ist es offensichtlich, dass es wenigstens
theoretisch möglich
ist, einen Vollmetall-Direktzugriffsspeicher mit dem Vollmetall-Spin-Transistor
als Grundbaustein für
die Auswahlelektronik des Bauelementes (z.B. Word- und Digit-Treiber,
Auswahlmatrizen, Low-Level-Abtastgatter,
Differentialleseverstärker
usw.) zu konstruieren. In der Tat erörtert die genannte Anmeldung
diese Möglichkeit
kurz. Ein solches Bauelement hätte
nicht nur die oben beschriebenen Geschwindigkeits- und Dichtigkeitsvorteile,
sondern es würde
auch jede Notwendigkeit für
Halbleiterverarbeitungsschritte für ihre Fertigung entfallen.
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Trotz
der zahlreichen potentiellen Vorteile des Johnson-Spin-Transistors
gibt es bei seiner Implementation in verschiedenen Bauelementen
jedoch aufgrund des niedrigen Betriebsbereiches des Absolutwerts
seiner Impedanz ein praktisches Problem. Die Impedanzdifferenz zwischen
dem Ein- und dem Ausschaltzustand eines Johnson-Spin-Transistors beträgt nur ein
paar Mikroohm. Die Ausgangsspannungsdifferenz zwischen maximaler
und minimaler Spannung beträgt
jedoch nur wenige Mikrovolt (siehe obigen Verweis auf Johnson).
Diese Differenzen sind zu klein, um in den meisten Anwendungen nützlich zu sein.
In der Tat nähert
sich eine Ausschaltimpedanz von nur ein paar Mikroohm sehr stark
einem Vollkurzschluss.
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Aus
dem oben Gesagten geht hervor, dass ein Vollmetall-Schaltbauelement
mit Ein- und Ausschaltwiderständen,
die enger mit den Kenngrößen der
im US-Patent Nr. 5,587,943 beschriebenen GMR-Speicherelemente übereinstimmen,
wünschenswert
ist.
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Ein
Artikel von J. L. Brown in IEEE Transactions on Components, Packaging
and Manufacturing Technology – Port
A (Seiten 373–379,
September 1994) beschreibt die Verwendung von Materialien mit Riesenmagnetowiderstand
in Speicherzellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Vollmetall-Halbleiterkomponente
bereit, deren Betrieb auf dem Riesenmagnetowiderstand-Phänomen basiert. Die
beschriebene Struktur, der „Transpinnor", kann zum Emulieren
einer breiten Palette verschiedener derzeit verfügbarer elektronischer und magnetischer Komponenten
eingesetzt werden. So kann beispielsweise eine spezifische Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung als Schaltbauelement verwendet werden,
das mit GMR-Speicherzellen verwendet wird, weil die Konfiguration
der beschriebenen mehrlagigen Struktur einen Ausschaltwiderstand
ergibt, der für
eine gute Isolierung groß genug
ist, und einen Einschaltwiderstand, der für die Verwendung mit den GMR-Speicherzellen
geeignet ist.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Halbleiterbauelement beschrieben, das eine Mehrzahl von
Dünnfilmelementen
beinhaltet, die in einem Netzwerk von elektrischen Leitern angeordnet
sind.
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Wenigstens
eines der Dünnfilmelemente, und
vorzugsweise mehr, hat/haben GMR, und das Netzwerk hat Mittel zur
Stromversorgung und zum Anlegen eines Magnetfeldes an eines oder
mehrere der Netzelemente, um eine spezifische Magnetisierungsrichtung
in wenigstens einer der Lagen der Elemente aufzuerlegen, die GMR-Filme
umfassen und damit eine Änderung
des Widerstands in den Lagen verursachen. Dieses Halbleiterbauelement,
der Transpinnor, kann dann in einer von drei Weisen arbeiten: (1)
in der Doppelkapazität
eines aktiven Transformators und eines Transistors, (2) nur als
aktiver Transformator, oder (3) nur als Transistor.
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Doppelfunktion
als Transformator/Transistor: Der Transpinnor hat Eigenschaften ähnlich denen von
Transistoren sowie von Transformatoren. Wie ein Transistor, kann
er für
Verstärkung,
Logik oder Umschaltung verwendet werden. Wie ein Transformator, kann
er zum Auf- oder Abwärtsstufen
von Spannungen und Strömen
verwendet werden, und der Eingang wird resistiv vom Ausgang getrennt,
d.h. nur die Verbindung zwischen Eingang und Ausgang ist induktiv
durch ein Magnetfeld, so dass es zwischen Eingang und Ausgang keinen
niederfrequenten ohmschen Pfad gibt. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Transformatoren,
hat ein Transpinnor keine Niederfrequenzabschaltung; die Kopplung
ist flach bis hinunter auf einschließlich DC. Der Verstärkungsfaktor ist
proportional zur Versorgungsspannung; die Verdopplung der Versorgungsspannung
führt zu
einer Verdopplung von Spannungs- und Stromausgang.
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Funktion
als Transformator: Die Primärwicklung
des Transformators entspricht der Eingangswicklung des Transpinnors.
Es gibt keine ohmsche Verbindung zwischen dieser Wicklung und dem
Rest des Transpinnors. Die Eingangswicklung des Transpinnors kann
einfach eine einzige Umdrehung oder viele Umdrehungen sein, je nach
dem, ob die Spannung oder der Strom aufwärts gestuft werden soll. Die
Sekundärwicklung
des Transformators entspricht dem Ausgang des Transpinnors. Die
Menge an Aufwärtsstufung
kann auch durch Einstellen der Spannung an den Stromleitungen des
Transpinnors justiert werden.
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Funktion
als Transistor: Der Eingang zum Gate des Transistors entspricht
den Eingangsanschlüssen
des Transpinnors. Die Ausgangsanschlüsse des Transistors entsprechen
den Ausgangsanschlüssen
des Transpinnors. Der Transistor wird in Logikanwendungen und/oder
für die
Verstärkung
verwendet. Der Transpinnor tut beides und kann in beiden Anwendungen
zum Einsatz kommen. Die Verstärkung
ist proportional zur Eingangsspannung an den Stromleitungen. Die
Verwendung als Logikgatter kann entweder mit Kombinationen von Transpinnorn erzielt
werden, die jeweils eine einzelne Eingangsleitung haben, oder mit
einzelnen Transpinnorn mit zwei oder mehr Eingangsleitungen.
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Die
Natur der Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf einen bestimmten
Typ eines solchen Netzwerks beschrieben, einer Wheatstone-Brückenkonfiguration.
Gemäß einer
spezifischen Ausgestaltung, in der der Transpinnor ein Schaltbauelement
emuliert, hat wenigstens eines der Dünnfilmelemente in der Brücke GMR-Eigenschaften.
Gemäß einer
spezifischeren Ausgestaltung beinhaltet die Brückenkonfiguraton ein mehrlagiges
GMR-Element und drei Widerstände.
Gemäß anderen
Ausgestaltungen beinhaltet die Brückenkonfiguration mehrere mehrlagige GMR-Elemente
(in einer Ausgestaltung z.B. vier). Ein zusätzlicher Leiter wird mit den
Dünnfilmelementen verbunden
und resistiv davon isoliert. Der Leiter hat die Aufgabe, als Reaktion
auf einen zugeführten Strom
im Leiter ein Magnetfeld an die Dünnfilm-GMR-Elemente anzulegen.
Der Widerstand der Dünnfilm-GMR-Elemente
kann mit dem Anlegen des Magnetfeldes variieren.
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Gemäß verschiedenen
spezifischen Ausgestaltungen beinhalten die mehrlagigen GMR-Strukturen
eine Mehrzahl von Lagenperioden. Gemäß spezifischen Ausgestaltungen
beinhaltet jede Lagenperiode eine erste magnetische Lage, gekennzeichnet durch
eine erste Koerzivität,
eine zweite magnetische Lage, gekennzeichnet durch eine zweite Koerzivität, und eine
nichtmagnetische leitende Lage zwischen der ersten und der zweiten
magnetischen Lage. Es wird nachfolgend auf Permalloy im Hinblick
auf Lagen mit niedriger Koerzivität und auf Kobalt im Hinblick
auf Lagen mit hoher Koerzivität
Bezug genommen. Dies ist aber nicht als einschränkend anzusehen. Gemäß einigen
Ausgestaltungen ergibt die Topologie der Brückenkonfiguration eine Struktur
mit geschlossenem Fluss. Gemäß anderen
Ausgestaltungen ergibt die Topologie eine Struktur mit offenem Fluss.
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Somit
wird gemäß der Erfindung
eine Halbleiterkomponente beschrieben, die ein Netzwerk von Dünnfilmelementen
beinhaltet. Wenigstens ein Dünnfilmelement
weist Riesenmagnetowiderstand auf. Das Netzwerk hat eine Mehrzahl
von Knoten, die jeweils eine direkte elektrische Verbindung zwischen zwei
der Dünnfilmelemente
repräsentieren.
Ein erster und ein zweiter aus der Mehrzahl von Knoten umfassen
Stromanschlüsse.
Ein dritter und ein vierter aus der Mehrzahl von Knoten umfassen
einen Ausgang. Ein erster Leiter ist induktiv mit dem wenigstens
einen Dünnfilmelement
gekoppelt, um ein erstes Magnetfeld daran anzulegen.
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Gemäß einer
spezifischen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Halbleiterkomponente
einen Transpinnor, der eine Mehrzahl von in einem Netzwerk verbundenen
leitenden Elementen umfasst. Jedes der leitenden Elemente in dem
Netzwerk, von denen wenigstens eines GMR aufweist, kann zwei oder
mehrere externe Anschlüsse
unterstützen.
In einer spezifischeren Ausgestaltung haben alle leitenden Elemente
GMR. Der positive Anschluss einer Stromversorgung wird an einen
Knoten angelegt, der direkt zwei der leitenden Elemente verbindet.
Der negative Anschluss der Stromversorgung wird an einen Knoten
angelegt, der direkt ein weiteres Paar der leitenden Elemente verbindet.
Der Transpinnor-Ausgang ist zwischen zwei Anschlüssen vorgesehen, die Knoten
umfassen, die direkt zwei weitere Paare von leitenden Elementen
verbinden und an denen sich keine Stromversorgungsverbindungen befinden.
Eine Eingangsleitung, die vorzugsweise nicht direkt mit einem der
leitenden Elemente in dem Netzwerk verbunden ist, legt ein Magnetfeld
an ein oder mehrere der leitenden Elemente an, die GMR haben, so
dass der Widerstand dieser leitenden Elemente dazu neigt, sich zu ändern. Somit
bewirkt ein Strom in der Eingangsleitung eine Änderung der Spannung über die
Ausgangsanschlüsse.
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Ein
tieferes Verständnis
der Art und der Vorteile der vorliegenden Erfindung lässt sich
anhand der restlichen Teile der Spezifikation und der Zeichnungen
gewinnen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1a zeigt
einen mehrlagigen GMR-Film;
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1b zeigt
eine typische Widerstandskurve für
einen GMR-Film wie z.B. dem in 1a gezeigten;
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2a ist
ein schematisches Diagramm eines Transpinnors, der gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ausgelegt ist;
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2b zeigt
einen Plot der Ausgangsspannung des Transpinnors von 2a in
Abhängigkeit vom
Eingangsstrom;
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2c und 2d zeigen
zwei alternative Strukturen für
den mehrlagigen GMR-Film
von 2a;
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3a ist
ein schematisches Diagramm eines Transpinnors, der gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der Erfindung ausgelegt wurde;
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3b zeigt
einen Plot der Ausgangsspannung des Transpinnors von 3a in
Abhängigkeit vom
Eingangsstrom;
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4 zeigt
einen Transpinnor mit einer Geschlossener-Fluss-Konfiguration, der
im Wesentlichen derselbe wie der ist, der schematisch als Transpinnor
von 3a dargestellt ist;
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5 zeigt
einen Transpinnor mit Offenfluss-Konfiguration, der schematisch
im Wesentlichen derselbe ist wie der, der Transpinnor von 3a;
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6 illustriert
die Beziehung zwischen Eingangsstrom und Ausgangsspannung für einen
Vollmetall-GMR-Transpinnor, der gemäß einer spezifischen Ausgestaltung
der Erfindung ausgelegt ist;
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7 zeigt
die Ausgangsspannung gegenüber
dem Eingangsstrom für
den GMR-Transpinnor von 6 mit
einer kleinen anliegenden externen Vorspannung;
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8 zeigt
einen Vollmetall-Transpinnor für die
Implementation von Word- und Digit-Auswahlmatrizen für einen
Vollmetall-GMR-PRAM;
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9 zeigt
die Endstufe einer Auswahlmatrix für Word-Leitungen gemäß einer
spezifischen Ausgestaltung der Erfindung;
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10 zeigt
einen gattergesteuerten GMR-Differenzverstärker, der gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ausgelegt ist;
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11 zeigt
eine Abtastauswahlmatrix für einen
GMR-PRAM, der den gattergesteuerten Differentialverstärker von 10 verwendet;
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12 zeigt
eine spezifische Ausgestaltung eines GMR-Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung;
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13 zeigt
eine weitere spezifische Ausgestaltung eines GMR-Transformators
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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14 zeigt noch eine weitere spezifische Ausgestaltung
eines GMR-Transformators
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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BESCHREIBUNG SPEZIFISCHER
AUSGESTALTUNGEN
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Der
Begriff „Riesenmagnetowiderstand" (GMR) bezieht sich
auf die Widerstandsdifferenz, die leitende Elektronen bei der Passage
durch magnetische mehrlagige Filme erfahren, die von der relativen Ausrichtung
der Magnetisierung in aufeinander folgenden magnetischen Lagen abhängig ist.
Für ferromagnetische
Materialien ergibt sich diese Differenz, weil der Energiepegel für leitende
Elektronen in einer ferromagnetischen Lage für Elektronen mit Spin parallel
anstatt antiparallel zur Magnetisierung niedriger ist (um ein paar
Elektronen-Mikrovolt). Ein GMR-Film ist eine Verbundstruktur, die
eine oder mehrere mehrlagige Perioden umfasst, wobei jede Periode
wenigstens zwei magnetische Dünnfilmlagen
hat, die durch eine nichtmagnetische leitende Lage voneinander getrennt
sind. Zu einer großen
Widerstandsänderung kann
es in einer GMR-Struktur kommen, wenn sich die Magnetisierungen
in benachbarten magnetischen Lagen zwischen paralleler und antiparalleler
Ausrichtung ändern.
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Gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung wird ein GMR-Transpinnor beschrieben,
der sich von dem oben beschriebenen Johnson-Spin-Transistor in einer
Reihe von Hinsichten unterscheidet. In einer spezifischen Ausgestaltung hat
der GMR-Transpinnor
der vorliegenden Erfindung sechs Leitungen: zwei Eingangsleitungen,
zwei Ausgangsleitungen und zwei Stromleitungen. Im Gegensatz dazu
hat der Johnson-Spin-Transistor
4 oder 5 Leitungen: zwei Eingangsleitungen, eine Basisleitung und
entweder eine oder zwei Kollektorleitungen. Im GMR-Transpinnor fließt Strom
in der Filmebene; im Johnson-Spin-Transistor fließt Strom
normal zur Filmebene. Der GMR-Transpinnor ändert den Widerstand, indem
bewirkt wird, dass die Barriere zwischen Lagen Elektronen reflektiert.
Der Johnson-Spin-Transistor nutzt die Energiepegeldifferenz zwischen
parallelem und antiparallelem Spin zur Magnetisierung direkt. Außerdem ist
der Ausgang des GMR-Transpinnors der vorliegenden Erfindung im Gegensatz
zum Johnson-Spin-Transistor oder einem konventionellen Silicumtransistor
nicht nur proportional zum Eingangsstrom, sondern auch direkt proportional
zu dem durch die Stromleitungen fließenden Strom. Die Folge ist,
dass der Verstärkungsfaktor
des GMR-Transpinnors
der vorliegenden Erfindung auf einen gewünschten Wert einfach dadurch
eingestellt werden kann, dass der Strom von der Stromversorgung
in den Stromleitungen justiert wird. Somit braucht man zum Verdoppeln
des Ausgangs lediglich diesen Strom zu verdoppeln.
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Der
Verstärkungsfaktor
eines erfindungsgemäß ausgelegten
GMR-Transpinnors kann recht groß sein
und ist lediglich durch die Stromführungskapazität des mehrlagigen
Films begrenzt. Die Leistungsverstärkung ist proportional zum
Quadrat des Stromversorgungsstroms, zum Quadrat des GMR, zum Quadrat
der Treiberleitungs-Feldeffizienz
und umgekehrt proportional zum Quadrat der Koerzivität des GMR-Films.
Es kann eine Leistungsverstärkung von
mehreren hundert pro Stufe erzielt werden. Spezifische Ausgestaltungen
des GMR-Transpinnors der vorliegenden Erfindung sind besser für Impulsanwendungen
als für
lineare Verstärker
geeignet, weil sie Magnethysterese haben. Das heißt, wenn
ein solcher Transpinnor eingeschaltet wird, dann bleibt er so lange
eingeschaltet, bis ein Umkehrimpuls ihn ausschaltet. Dieses Phänomen wird
nachfolgend ausführlicher
erörtert.
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Eine
der Überraschungen
im Hinblick auf den GMR-Transpinnor der vorliegenden Erfindung ist,
dass er zum Implementieren des Auswahlschaltkomplexes für einen
Permanent-Direktzugriffsspeicher (PRAM) verwendet werden kann, der
Vollmetall-GMR-Speicherelemente hat. Somit kann ein Vollmetall-GMR-PRAM-Chip
hergestellt werden, bei dem die für Halbleiterelemente benötigten Auftragsschritte
nicht erforderlich sind. Dadurch wird die Zahl der Auftrags- und
Verarbeitungsschritte stark reduziert, die sonst zum Fertigen eines
GMR-PRAM notwendig wären,
wodurch die Produktionskosten stark verringert werden.
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Die
Eigenschaft von Riesenmagnetowiderstand lässt sich mit Bezug auf 1a verstehen,
die einen mehrlagigen GMR-Film 100 mit einer Feldspule 102 zum
Zuführen
eines Magnetfeldes zum GMR-Film 100 zeigt. Der GMR-Film 100 enthält magnetische
Lagen mit unterschiedlichen Koerzivitäten, die durch nichtmagnetische
leitende Lagen (nicht dargestellt) getrennt sind. Ein Ohmmeter 104 misst den
Widerstand des GMR-Films 100,
der sich mit änderndem
Eingangsstrom I ändert
(siehe 1b); die punktierte Linie zeigt
den Sättigungszustand
des Films mit hoher Koerzivität
in der zur durchgezogenen Linie entgegengesetzten Richtung. Wie
oben erörtert,
wenn die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Lagen der ersten
Koerzivität
parallel zur Magnetisierungsrichtung der magnetischen Lagen der zweiten
Koerzivität
ist, dann ist der Widerstand des Films niedrig. Wenn die Magnetisierungsrichtungen antiparallel
sind, dann ist der Widerstand hoch. Der GMR-Film 100 kann
aus einer oder mehreren Perioden geformt sein, wobei jede Periode
eine Kobaltlage, die durch eine mäßige Koerzivität gekennzeichnet
ist, eine Kupferlage, eine Permalloy-Lage, die durch eine niedrigere
Koerzivität
gekennzeichnet ist als die Kobaltlage, und eine weitere Kupferlage
hat. Die unterschiedlichen Koerzivitäten der abwechselnden magnetischen
Lagen ermöglichen
die Erzielung einer antiparallelen Orientierung der jeweiligen Magnetisierungsrichtungen.
Die Kupferlagen trennen die magnetischen Lagen physikalisch, die
sonst durch Austauschkräfte
fest gekoppelt würden.
Demzufolge ist es möglich,
die Magnetisierung in dem Film mit niedriger Koerzivität zu schalten,
ohne die Magnetisierung in dem Film mit hoher Koerzivität zu schalten. 1b zeigt
eine hypothetische Widerstandskurve für einen Eingangsstrom I, der
nicht ausreicht, um die Polarität
der Kobaltlage mit höherer
Koerzivität
umzukehren. Mit zunehmendem Strom schaltet mehr von dem Film mit
niedriger Koerzivität
um, wodurch der Widerstand erhöht
wird. Wenn der gesamte Film mit niedriger Koerzivität umgeschaltet
hat, dann gibt es keine weitere Widerstandsänderung und die Widerstandskurve
verflacht sich.
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2a zeigt
ein schematisches Diagramm eines Transpinnors 200, der
gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ausgelegt ist, wobei
ein mehrlagiger GMR-Dünnfilmstreifen 202 in einer
Brückenkonfiguration
mit drei ohmschen Elementen 204 versehen ist. Ein Leiter 206 ist
um den GMR-Film 202 gewickelt, um ein Magnetfeld daran anzulegen.
Ein Eingangssignal wird an die Anschlüsse 208 und 210 angelegt.
Ausgangsanschlüsse 212 und 214 geben
die Ausgangsspannung (per Voltmeter angegeben). Diese Konfiguration
lässt es
zu, dass die Ausgangsspannung sowohl null als auch positiv und negativ
ist. Wie leicht verständlich
wird, wird der Eingang (zwischen den Anschlüssen 208 und 210) selbst
für einen
DC-Eingangsstrom
I vollständig
resistiv vom Ausgang (zwischen den Knoten 212 und 214)
getrennt. Die Größe des Ausgangs
ist proportional zur anliegenden B+ Spannung und wird nur durch
die Stromführungskapazität des GMR-Films 202 begrenzt. 2b zeigt
die Ausgangsspannung des Transpinnors 200 in Abhängigkeit
vom Eingangsstrom. Wenn die Werte der Widerstände 204 korrekt gewählt werden,
dann hat die Ausgangsspannung keinen Sockel. Das heißt, die
Kurve schneidet die y-Achse bei y = 0 und ist nicht wie in 1b angehoben.
Wenn der Film mit hoher Koerzivität entweder durch einen starken
Eingangsstrom oder durch ein externes Feld umgekehrt wird, dann
wird auch die Polarität
des Ausgangs umgekehrt, wie durch die punktierte Linien in 2b angedeutet
ist. Ein Einperioden-GMR-Film 202 und ein Dreiperioden-GMR-Film 202 sind
jeweils in den 2c und 2d dargestellt,
jeweils mit einer Lage Permalloy (216), Kobalt (218)
und Kupfer (220). Die GMR-Filme der 2c und 2d illustrieren,
dass verschiedene Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung Ein- und
Mehrperioden-Strukturen einsetzen. Man wird verstehen, dass die
von diesen verschiedenen Ausgestaltungen verwendeten GMR-Filme eine
Reihe verschiedener Konfigurationen haben können und dass die Erfindung
nicht auf die in den 2c und 2d gezeigten
Konfigurationen beschränkt
ist.
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Wie
erwähnt, ändert sich
der Ausgang des Transpinnors 200 mit der Änderung
des Widerstands des GMR-Films 202 und ist proportional
zum Spannungsabfall über
den GMR-Film 202, während
der Abtaststrom durch ihn fließt.
Der Ausgang kann bipolar oder unipolar sein, je nach den Widerstandsverhältnissen,
die für
die anderen Schenkel gewählt
werden (d.h. die Vorspannung kann positiv, negativ oder null sein).
Ebenso kann, je nach der Rechtwinkligkeit der B-H-Schleife, der
Ausgang entweder linear oder eine Schwellenschrittfunktion sein.
Darüber
hinaus ist, wenn der GMR-Film 202 um die Mitte herum symmetrisch
konstruiert ist, das Nettomagnetfeld von dem durch den Film fließenden Abtaststrom
null. Daher sind die einzigen Grenzen für die Größe des Abtaststroms die Erhitzung
des GMR-Films 202 und/oder die Elektromigration. Gemäß spezifischen Ausgestaltungen
verwenden die GMR-Filme Metalle mit hohen Elektromigrationsschwellen
wie z.B. Kupfer, Kobalt, Nickel und Eisen.
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3a zeigt
ein schematisches Diagramm eines Transpinnors 300, der
gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der Erfindung ausgelegt ist. Diese Ausgestaltung
verwendet anstatt nur einem GMR-Film vier GMR-Filme 302,
die in einer Brückenkonfiguration
mit einem Leiter 304 angeordnet sind, der durch sie gewickelt
ist, um ein Magnetfeld daran anzulegen. Wie beim Transpinnor 200,
ist der Eingang des Bauelementes (zwischen den Anschlüssen 306 und 308)
selbst bei einem DC-Eingangsstrom resistiv vollständig vom
Ausgang (zwischen den Knoten 310 und 312) isoliert.
Ebenso wird die Ausgangsspannung des Transpinnors 300 durch
die Größe von B+
und durch die Stromführungskapazität von GMR-Filmen 302 bestimmt.
Wie in 3b gezeigt, hat der Transpinnor 300 das
Vierfache des Ausgangs des Transpinnors 200. Der Transpinnor 300 hat
auch den Vorteil, dass die Brücke
auf einen Null-Offset abgeglichen ist, wenn alle vier Filme identisch
sind.
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4 zeigt
einen Transpinnor 400 mit einer Geschlossenfluss-Geometrie,
die schematisch im Wesentlichen dieselbe ist wie beim Transpinnor 300. Es
gibt eine Isolierung (nicht dargestellt) in der Mitte des Transpinnors 400,
wo obere GMR-Filme 402 und 404 die unteren GMR-Filme 406 und 408 nahezu
berühren.
Die vier GMR-Filme
bilden eine Wheatstone-Brücke,
in der der Widerstand jeweils variabel ist. Der Eingangsleiter 410 liefert
das Magnetfeld, und die Ausgangsspannung kommt von den Ausgangsleitern 412 und 414.
Eine Vorspannung B+ wird zwischen die Knoten 416 und 418 angelegt.
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5 zeigt
einen Transpinnor 500 mit einer Offenfluss-Konfiguration,
die schematisch im Wesentlichen dieselbe ist wie beim Transpinnor 300. GMR-Filmelemente 502, 504, 506 und 508 bilden eine
Wheatstone-Brückenanordnung,
die lediglich einen einzigen GMR-Auftrag erfordert (d.h. die GMR-Lagen
werden mit einer einzigen Evakuierung aufgetragen, ohne dass zwischen
Lagenaufträgen eine Strukturierung
erforderlich ist). Ein solches Bauelement wurde experimentell hergestellt
und getestet. Der Eingangsleiter 510 wurde als einzelne
Magnetdrahtlage gewickelt. Die Geschlossenfluss-Struktur von 4 ergibt
eine überlegene
Leistung, insbesondere für
kleine Bauelemente, beinhaltet aber mehrere GMR-Auftragsschritte
und Strukturierung.
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6 illustriert
die Beziehung zwischen Eingangsstrom und Ausgangsspannung für den in 5 gezeigten
Vollmetall-GMR-Transpinnor. Der Transpinnor wurde zunächst durch
Sättigen
seiner vier GMR-Filmelemente entlang der Vorzugsrichtungen (d.h.
parallel zur Richtung der Filmstreifen) mit einem Magnet initialisiert,
dann wurde ein Eingangsstrom zugeführt, bis die Magnetisierungsrichtung
der Permalloy-Lagen in zwei der Elemente vollständig umschaltet (d.h. für einen
maximalen Ausgang von einer Wheatstone-Brücke müssen zwei Widerstände im hohen
Widerstandszustand und zwei im tiefen Widerstandszustand sein).
Nach einer derartigen Initialisierung wurden die Daten für die Kurve
von 6 genommen. Die durchgezogenen Kurven, sowohl
positiv als auch negativ, wurden mit dem initialisierten Zustand
beginnend genommen. Die gestrichelte Kurve ist die Neumagnetisierungskurve,
in der das angelegte Feld negativer gemacht wird (beginnend vom
Zustand des maximalen Ausgangs), um den anfänglichen Magnetisierungszustand
wiederherzustellen.
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Die
durchgezogene Kurve von 6 zeigt einen flachen Abschnitt
in der Nähe
des Nullpunkts, dann einen raschen Anstieg der Ausgangsspannung, wenn
der Eingangsstrom einen Schwellenwert erreicht. Man wird verstehen,
dass dieser flache Abschnitt und der Schwellenwert für digitale
Anwendungen wie Logik- oder Auswahlmatrizen wünschenswert sind. Der flache
Abschnitt der Kurve ist weitgehend auf die Austauschvorspannung
zwischen der Permalloy- und der Kobaltlage zurückzuführen. Für lineare Anwendungen kann
dieser Abschnitt der Kurve entweder durch Anlegen einer kleinen
externen Vorspannung oder durch Erzeugen einer symmetrischen Spin-Valve-Struktur
entfernt werden, in der zwei Kobalt-Lagen in entgegengesetzten Richtungen magnetisiert
werden.
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7 zeigt
eine Kurve der Ausgangsspannung gegenüber dem Eingangsstrom für den GMR-Transpinnor
von 6, aber mit einer geringen externen Vorspannung
(z.B. 1,5 Oe), die mit einem Magnet in Vorzugsrichtung (d.h. parallel
zu den Filmstreifen) angelegt wird. Wie ersichtlich ist, wurde das Austauschvorspannungsplateau
um den Nullpunkt im Wesentlichen eliminiert. Wie bei 6,
beginnen die durchgezogenen Linien mit dem initialisierten Zustand,
und die gestrichelte Linie ist die Neumagnetisierungskurve. Die
finite Hysterese macht diesen Transpinnor für digitale Anwendungen besser
geeignet als für
lineare Anwendungen.
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Die
GMR-Transpinnor von 6 haben eine recht große Hysterese
im Permalloy von 1 Oe. Es werden jedoch Permalloy-Koerzivitäten gefunden, die
um eine Größenordnung
niedriger sind. Dies ist deshalb von Interesse, weil Spannungs-
und Stromverstärkung
des GMR-Transpinnors der vorliegenden Erfindung umgekehrt proportional
zur Permalloy-Koerzivität
sind, und die Leistungsverstärkung
ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Permalloy-Koerzivität. Die in
Multiperioden-GMR-Filmen
gefundene Permalloy-Koerzivität
ist routinemäßig weitaus
geringer als die in Einperioden-GMR-Filmen. Der Grund hierfür ist, dass
die Domänenwände in Paaren in
den eng beabstandeten Filmen der Multiperioden-Bauelemente gebildet
werden, wodurch die magnetostatische Energie der Wände stark
reduziert wird. Dies ist für
lineare Anwendungen nützlich,
weil dadurch der Verstärkungsfaktor
des Transpinnors erhöht
wird. Leider findet man auch eine entsprechende Reduzierung der
Koerzivität
der Kobaltlagen. Diese Reduzierung ist deshalb unerwünscht, weil
an irgendeinem Punkt die Magnetisierungsrichtung der Kobaltlagen
beginnt, auf einen niedrigeren Schwellenwert zu schalten als die
Magnetisierungsrichtung von einigen der Permalloy-Lagen. Offensichtlich muss
der richtige Ausgleich zwischen diesen Parametern für die jeweilige
Anwendung gefunden werden.
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Es
ist für
spezifische Ausgestaltungen des GMR-Transpinnors der vorliegenden
Erfindung wichtig, einen Verstärkungsfaktor
zu haben, der größer ist als
eins. Der Niederfrequenz-Verstärkungsfaktor
dieser GMR-Transpinnor ist von ihren Grundparametern abhängig. Wieder
mit Bezug auf 5, die Eingangsleitung 510 von
Transpinnor 500 ist von der Ausgangsschaltung vollständig isoliert.
Zwecks Berechnung des Verstärkungsfaktors
des Transpinnors 500 sei der Eingangsstrom i, die Eingangsspannung sei
v und der Widerstand der Eingangsleitung sei r. Ferner sei die Ausgangsspannung
des Transpinnors 500 V, der Widerstand der Ausgangsschaltung
(inkl. GMR-Film) sei R, und der Abtaststrom sei I. Wir führen auch
eine Variable ein, um das Verhältnis
der prozentualen Widerstandsänderung
auszudrücken,
das durch ein kleines anliegendes Magnetfeld verursacht wird. Wo
die Scherung im Vergleich zur Koerzivität unbedeutend ist, da wird
diese Größe, die
wir als Resistibilität
X bezeichnen, ausgedrückt
durch: X = GMR/(100Hc) (1) wobei
Hc die Koerzivität des Permalloy im GMR-Film repräsentiert.
Der Spannungsverstärkungsfaktor
des GMR-Transpinnors der vorliegenden Erfindung ist proportional
zur Resistibilität,
und der Leistungsverstärkungsfaktor
ist proportional zum Quadrat der Resistibilität.
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Die
Eingangsleitung des Transpinnors erzeugt ein Feld. Das Verhältnis des
Feldes zum Strom, mit dem es erzeugt wird, wird nachfolgend als Spuleneffizienz
E bezeichnet. Allgemein ausgedrückt,
der Wert von E nimmt mit Abnahme der Größe des Transistors drastisch
zu. Wenn andere Parameter (einschließlich des Widerstands der Eingangsleitung)
gleich bleiben, dann ist die Spannungsverstärkung proportional zu E und
die Leistungsverstärkung
proportional zum Quadrat von E.
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Unter
Anbetracht der Definitionen der verschiedenen Parameter des Transpinnors
wird die Spannungsverstärkung
ausgedrückt
durch: ASpannung =
(R/r)IEX (2)und
die Leistungsverstärkung
wird ausgedrückt durch: ALeistung =
(R/r)I2E2X2 (3)Aus
(1) und (3) wird ersichtlich, dass die Leistungsverstärkung des
Transpinnors 500 proportional zum Quadrat des Abtaststroms,
zum Quadrat des GMR, zum Quadrat der Treiberleitungseffizienz und
umgekehrt proportional zum Quadrat der Koerzivität des GMR-Films ist.
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Einige
numerische Beispiele für
die Leistungsverstärkung
sind möglicherweise
hilfreich. Gemäß einem
ersten Beispiel beträgt
der Eingangswiderstand 0,8 Ohm, der Widerstand der GMR-Filmelemente
120 Ohm, die Resistibilität
0,011/Oe und die Spuleneffizienz 20 Oe/A. Wenn ein Eingangsstrom von
500 mA verwendet wird, dann beträgt
gemäß (3) die
Leistungsverstärkung
1,8. Dies ist kein besonders guter Film.
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Gemäß einem
zweiten Beispiel sind die Parameter dieselben wie im ersten Beispiel
oben, mit der Ausnahme, dass die Resistibilität 0,19/Oe beträgt. Jetzt
ist die Leistungsverstärkung 541.
Dies ist höher
als für
einen Logikbaum wünschenswert
ist, kann aber durch eine geeignete Senkung des Abtaststroms auf
einen wünschenswerten
Wert reduziert werden.
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Gemäß einem
dritten Beispiel wird ein miniaturisierter Transistor wie in 4 gezeigt
konfiguriert, wobei die Breite seiner Merkmale in der Größenordnung
von einem Mikron liegt. Der Kupfereingangsleiter hat eine Dicke
von 1 Mikron und eine Länge
von 3 Mikron. Der Eingangswiderstand beträgt 0,05 Ohm, der Ausgangswiderstand
8 Ohm, die Spuleneffizienz 6000 Oe/A, die Resistibilität 0,19/Oe
und der Abtaststrom 1 mA. Die Leistungsverstärkung beträgt dann 208.
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Die
Schlussfolgerung ist, dass eine erhebliche Leistungsverstärkung mit
GMR-Transpinnorn
der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von existierenden GMR-Filmkonfigurationen
erzielt werden kann. Darüber
hinaus können
Verstärkungsfaktoren von
mehreren hundert unabhängig
davon erzielt werden, ob die Transistoren groß oder so klein sind, dass sie
die Grenzen konventioneller Lithografie erreichen, weil der Leistungsverstärkungsfaktor
von der Größe des Bauelementes
unabhängig
ist. Die GMR-Transpinnor
der vorliegenden Erfindung lassen sich zwar skalieren, so dass ihre
Leistungsverstärkung
nicht herabgesetzt wird, wenn die Bauelemente miniaturisiert werden,
aber die Leistungshandhabungsfähigkeit
der Bauelemente nimmt natürlich
mit abnehmender Bauelementegröße ab. Die GMR-Transpinnor
der vorliegenden Erfindung können
so ausgelegt werden, dass sich entweder ein hoher Ausgangsstrom
und eine niedrige Ausgangsspannung oder eine hohe Ausgangsspannung
und ein niedriger Ausgangsstrom ergeben. Diese Parameter werden
anhand des Seitenverhältnisses
des GMR-Films bestimmt. Wenn der GMR-Film ein langer, schmaler Leiter
ist, dann ist der Ausgang eine hohe Spannung und ein niedriger Strom.
Wenn der GMR-Film ein kurzer, breiter Leiter ist, dann ist der Ausgang
eine niedrige Spannung und ein hoher Strom. Die Leistungsverstärkung ist
vom Seitenverhältnis
relativ unabhängig.
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Um
eine hohe Leistungsverstärkung
zu erzielen, muss Folgendes durchgeführt werden:
- (1)
Die Eingangsstreifenleitung so dick wie möglich machen, um den Widerstand
r zu senken. Die Leistungsverstärkung
hängt nur
linear von r ab, daher ist dies weniger kritisch als die anderen Schritte.
- (2) Die Resistibilität
so hoch wie möglich
machen, entweder durch Erhöhen
des GMR oder durch Senken der Koerzivität des Permalloy.
- (3) Die GMR-Filme so dick wie möglich machen, so dass ein höherer Abtaststrom
ohne Elektromigrationsprobleme möglich
wird. Dies bedeutet viele Perioden (z.B. müssen zum Erhalten eines GMR
von 15% 15 Perioden benutzt werden).
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Es
können
zwar niedrige GMR-Filme mit sehr geringer Koerzivität verwendet
werden, um GRM-Transpinnor mit hoher Leistungsverstärkung zu konstruieren,
aber das resultierende Bauelement ist möglicherweise ineffizient. Wenn
die Gesamtleistungsaufnahme ein Faktor ist, sollten Filme mit hohem
GMR verwendet werden. Es ist können
z.B. GMR-Filme mit einem GMR von mehr als 22% hergestellt werden.
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Es
gibt eine breite Palette von Anwendungen, für die der Transpinnor der vorliegenden
Erfindung einen erheblichen Vorteil bietet. Solche Transpinnor können beispielsweise
zum Implementieren von nichtflüchtigen
Logikgattern eingesetzt werden, d.h. Gattern, die bei wegfallender
Leistung ihren Zustand beibehalten. Darüber hinaus kann, da Vollmetallfilme
weitaus beständiger
gegenüber
strahlungsbedingten Schäden
sind als Halbleiter, der Transpinnor der vorliegenden Erfindung
eingesetzt werden, um intrinsisch strahlungsfeste Elektronik auszuführen.
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Die
in 7 gezeigte Kurve hat Hysterese. Dies ist zwar
für Logikbauelemente
nicht schädlich (und
kann sogar nützlich
sein), aber für
eine lineare Transpinnor-Leistung
muss die Hystereseschleife geschlossen und in einem finiten Betriebsbereich
begradigt werden; darüber
hinaus müssen
Filme mit sehr niedriger Koerzivität verwendet werden. Im Allgemeinen
ist die Form der Hystereseschleife von dünnen Filmen von der Richtung
der angelegten Felder abhängig.
Es werden verschiedene Ansätze
zur Erzielung von hysteresefreien GMR-Filmen für einen Transpinnor-Betrieb
im linearen Bereich auf der Basis von drei Methoden des Eliminierens
von Hysterese und Verzerrung von GMR-Filmen beschrieben. Ein Ansatz ist das
Anlegen eines transversalen (d.h. lotrecht zur Vorzugsrichtung)
Vorspannungsfeldes, das geringfügig
größer ist
als das anisotropische Feld des Elementes mit niedriger Koerzivität; das zu
verstärkende
Signal wird als variierendes Vorzugsrichtung-Magnetfeld angelegt.
Dieses Vorspannungsfeld kann durch eine externe Spule oder einen
externen Magnet geliefert werden, durch individuell aufgetragene
Magnete auf jedem Verstärker
oder durch einen Strom in einer Streifenleitung. Die Vorspannung
hat die Wirkung, Hysterese zu beseitigen und die longitudinale Permeabilität stark
zu erhöhen,
wie in zwei Publikationen beschrieben ist, nämlich Longitudinal Permeability
in Thin Permalloy Films, E. J. Torok und R. A. White, Journal of
Applied Physics, 34, Nr. 4, (Teil 2), S. 1064–1066, April 1963, sowie in
Measurement of the Easy-Axis and Hk Probability
Density Functions for Thin Ferromagnetic Films Using the Longitudinal
Permeability Hysteresis Loop, E. J. Torok et al., Journal of Applied
Physics, 33, Nr. 10, S. 3037–3041,
Oktober 1962. Anhand der Mathematik in diesen Publikationen kann
gezeigt werden, dass, wenn ein GMR-Film mit Widerstand R mit einer
oder mehreren Lagen von niedriger Koerzivität (z.B. Permalloy) mit anisotropischem
Feld Hk mit einem Vorzugsgegenrichtungsfeld
Ht > Hk vorgespannt wird, und an den ein kleines
Vorzugsrichtungsfeld dHL angelegt wird,
der Film eine entsprechende Widerstandsänderung dR hat, die ausgedrückt wird
durch: dR/dHL = (GMR)R/(HT – Hk) (4)wobei
GMR die maximale Widerstandsänderung
ist und HT größer sein muss als der maximale
Hk-Wert eines beliebigen Bereiches des Films.
Diese Widerstandsänderungsdifferenz
kann recht groß sein, wenn
die Inhomogenität
des Films klein ist, und die entsprechende Verstärkung kann groß sein.
Dies ist eine empfindliche Methode zum Erzielen von hysteresefreien
GMR-Filmen durch eine transversal vorgespannte Permeabilität. Sie ergibt
ein Analogsignal mit einem linearen Ansprechverhalten in einem bestimmten
Bereich.
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In
einem anderen Ansatz zum Eliminieren von Hysterese wird die Permalloy-Lage im Transpinnor
in der Vorzugsgegenrichtung angesteuert und erfasst. Die Kobaltlage
wird so aufgetragen, dass ihre Vorzugsrichtung parallel zur Vorzugsgegenrichtung des
Permalloy ist. Dies erfolgt durch Sättigen der Kobaltlage während des
Auftrags bei 90 Grad von der Vorzugsrichtung des Permalloy. Dieses
Verfahren erfordert im Allgemeinen kein Vorspannungsfeld während des
Betriebs; die Austauschvorspannung zwischen der/den Lage(n) mit
hoher Koerzivität
und der Permalloy-Lage reicht normalerweise aus, ein Öffnen des
Vorzugsgegenrichtungskreises zu verhüten. Die Empfindlichkeit des
in Vorzugsgegenrichtung angesteuerten Films ist nicht so gut wie
in dem Ansatz auf der Basis der transversal vorgespannten Permeabilität, wie oben
beschrieben, aber die Linearität
erstreckt sich über
einen breiteren Bereich, und dieses Verfahren lässt sich leichter implementieren,
da eine Vorspannung in Vorzugsgegenrichtung und ein Ansteuern in
Vorzugsrichtung vermieden werden.
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Ein
weiterer Ansatz beinhaltet ein Abtastverfahren. Ein Impuls wird
an den Transpinnor zwischen jedem Datenabtastwert angelegt. Der
Impuls hat eine ausreichende Amplitude, um die Permalloy-Lagen in dem
Transpinnor auf einen Anfangszustand zu sättigen, der unabhängig davon,
welches Signal dazwischen anliegt, gleich ist. Die Frequenz des
angelegten Impulses sollte höher
sein als die höchste
Frequenz von Interesse in dem zu verstärkenden Signal. Das Ergebnis
der Verwendung von schmalen Impulsen zum Reinitialisieren des Magnetmaterials
vor jeder Datenabtastung besteht darin, die Magnethistorie zu löschen und
die Hysterese im Ausgang zu eliminieren. Der Ausgang kann entweder
durch Abtasttechniken oder als Analogausgang mit einem Tiefpassfilter
erfasst werden.
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Gemäß einer
spezifischen Ausgestaltung der Erfindung wird der Vollmetall-GMR-Transpinnor zum
Implementieren von Auswahlmatrizen für einen PRAM eingesetzt, wobei
der PRAM in der oben erwähnten
mitanhängigen
US-Patentanmeldung beschrieben ist. Es ergeben sich mehrere Vorteile
daraus, dass der Transpinnor und die PRAM-Zelle beide GMR-Filmbauelemente
sind. Da die Transpinnor und die PRAM-Zellen mit denselben Auftrags- und Maskierungsschritten
hergestellt werden können,
werden weniger Prozessschritte benötigt als für Metall/Halbleiter-Hybridbauelemente,
bei denen kostspielige zusätzliche
Halbleiterauftragsschritte durchgeführt werden müssen. Zusätzlich sind,
da die Zahl der Prozessschritte reduziert wird, die Bauelementausbeuten
höher,
wodurch sich zusätzliche
Kosteneinsparungen ergeben.
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Da
beide Bauelemente Vollmetallelemente sind, können die Transpinnor zwischen
den Speicherzellen eingestreut werden, so dass kürzere Leitungen mit weniger
Bits pro Leitung möglich
werden. Darüber
hinaus verbessert sich, wie bei der PRAM-Zelle, die Leistung des Vollmetall-Transpinnors
mit abnehmenden Abmessungen. Daher ist die Dichtigkeit einer Vollmetall-GMR-PRAM-Array
auf der Basis des Transpinnors der vorliegenden Erfindung, im Gegensatz
zu Bauelementen auf Siliciumbasis, nur durch den Stand der Lithografietechnik
begrenzt. Schließlich
können
mit den Transpinnorn der vorliegenden Erfindung Chips mit Herstellungsdefekten
noch gerettet werden, weil durch eine entsprechende Leitwegführung die
betroffenen Bereiche des Chips umgangen werden können. Der Grund ist, dass die
nichtflüchtige
Natur der Transpinnor bedeutet, dass die fehlerhaften Gatter effektiv
ignoriert werden können.
Somit ergibt sich gemäß einer
spezifischen Ausgestaltung der Erfindung durch den Einbau des Vollmetall-GMR-Transpinnors in einen GMR-PRAM
ein nichtflüchtiger
Hochgeschwindigkeitsspeicher mit sehr hoher Dichte, der durch eine relativ
hohe Herstellungsausbeute gekennzeichnet ist.
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Es
wird allgemein verstanden, dass alle möglichen elektronischen Schaltungen,
analog und digital, mit aktiven Bauelementen wie z.B. Transistoren
in Kombination mit vier passiven Grundkomponenten implementiert
werden können,
d.h. Widerständen,
Kondensatoren, Induktoren und Transformatoren. Es ist ebenso hinlänglich bekannt,
dass weder Induktoren noch Transformatoren in bipolarer Halbleitertechnik
zur Verfügung
stehen. Im Gegensatz dazu können
die GMR-Transpinnor der vorliegenden Erfindung zum Bereitstellen
beider dieser Komponenten eingesetzt werden. In der Tat sind sie zum
Bereitstellen der Basis einer Reihe verschiedener analoger, digitaler
und gemischter Universal-Vollmetallschaltungen, Subsysteme und Systeme
gut geeignet. Da Kapazität
und Widerstand mit derselben Metalltechnik implementiert werden
können
wie die, die für
den passiven Transformator und den Transpinnor eingesetzt wird,
können
alle diese Komponenten sehr effektiv auf demselben Substrat kombiniert
werden, um eine umfassende Vielzahl von Vollmetallschaltungen zu
erzeugen. Im Gegensatz zu Halbleiterchips, deren Leistung unterhalb
einer kritischen Größe leidet,
werden die Charakteristiken von GMR-Bauelementen mit abnehmender
Größe immer besser.
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Im
entsprechenden Betriebsbereich vorgespannt, können GMR-Transpinnor als Grundbausteine
von Logikgattern verwendet werden, so dass das Fundament für digitale
Elektronik auf GMR-Basis gelegt wird. Während Logikelemente mit Kombinationen
von Transpinnorn hergestellt werden können, genau wie bei Transistoren,
gibt es noch eine weitere Alternative. Verschiedene Logikoperationen
können mit
einem einzigen Transpinnor implementiert werden. Diese Transpinnor
haben mehr als eine Eingangsleitung. Die 8 und 10 zeigen
Beispiele für
solche Transpinnor.
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Zwei
Prozeduren sind beim Implementieren von Logikgattern mit einem einzelnen
Transpinnor nützlich.
Eine beinhaltet das Einstellen des Transpinnor-Schwellenwertes, der durch die Koerzivität der Lagen
von niedriger Koerzivität
in dem GMR-Film bestimmt wird. Es sind in der Technik verschiedene
Arten zum Bestimmen der Koerzivität eines Dünnfilms bekannt. So wird der
Schwellenwert durch Wählen oder
Justieren der Koerzivität
von wenigstens einer der Lagen mit niedriger Koerzivität in den
GMR-Filmen des Transpinnors eingestellt. Die andere Prozedur beinhaltet
das Umschalten der Polarität
der GMR-Filme, die durch die Magnetisierungsorientierung aller Filmlagen
bestimmt wird. Die Polarität
des Transpinnors wird somit durch Umkehren der Magnetisierungsrichtung
aller Lagen aller GMR-Filme in dem Transpinnor umgeschaltet.
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Es
können
unter anderem die folgenden Logikoperationen mit einem einzigen
Transpinnor implementiert werden:
AND-Gate: Ein Transpinnor
schaltet nur dann um, wenn die Summe von Feldern von den Eingangsleitungen
den Umschaltschwellenwert überschreitet. Ein
AND-Gate ist als ein Gate definiert, das nur dann einen Ausgang
ergibt, wenn alle Eingänge
logisch „1" sind. Wenn der Transpinnor
n Eingangsleitungen hat und die Amplitude jedes Eingangsimpulses
ein (1/n)tel des Schwellenwerts beträgt, dann
ist der Transpinnor ein AND-Gate.
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NAND-Gate:
Dies ist die Umkehr des AND-Gates und ergibt nur dann einen Ausgang, wenn
alle Eingänge
null sind. Ein Transpinnor-NAND-Gate wird ähnlich hergestellt wie das AND-Gate,
indem die Magnetisierung aller Elemente umgekehrt wird, so dass
das Gate nur dann umschaltet, wenn alle n Eingänge logisch „0" sind, und nicht umschaltet,
wenn ein oder mehrere Eingänge
logisch „1" sind.
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OR-Gate:
Die Definition eines OR-Gates ist ein Gate, das einen Ausgang ergibt,
wenn ein oder beide Eingänge „1" sind. Dies kann
dadurch erzielt werden, dass der Schwellenwert eines Transpinnors so
eingestellt wird, dass ein einzelner Eingang ausreicht, um den Film
umzuschalten.
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Ein
praktisches Problem ergibt sich durch die Tatsache, dass verschiedene
Umschaltschwellenwerte für
verschiedene einzelne Transpinnor-Logikgatter benötigt werden.
Es gibt jedoch eine Reihe verschiedener Möglichkeiten, in denen diese
Schwellenwerte für
verschiedene Typen von Gates auf demselben Substrat justiert werden
können.
Dazu gehört die
Manipulation der Auftragsreihenfolge, weil die Reihenfolge die Koerzivität von Filmen
mit niedriger und hoher Koerzivität stark beeinflusst. Dieses
Verfahren beinhaltet zusätzliche
Auftragsschritte. Ein weiteres Verfahren zum Einstellen des Umschaltschwellenwertes
für einen
bestimmten Transpinnor ergibt sich aus der Tatsache, dass das Magnetfeld von
einer Stromführungsstreifenleitung
von der Breite der Streifenleitung abhängig ist.
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NOR-Gate:
Die Definition eines NOR-Gates ist ein Gate, das einen Ausgang ergibt,
wenn ein oder beide Eingänge „0" sind. Dies ist lediglich
die Umkehr eines OR-Gate.
Dies wird durch Umkehren der Polarität der GMR-Filme wie im obigen
Fall eines NAND-Gate erzielt.
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NOT-Gate:
Ein NOT-Gate ist ein Inverter, der die Polarität eines Eingangsimpulses von
positiv auf negativ und umgekehrt ändert. Dies lässt sich
einfach mit einem Transpinnor erzielen, indem die Polarität der Eingangswicklung
umgekehrt oder die Leistungsanschlussklemmen vertauscht werden.
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Exklusiv-OR-Gate:
Dies ist ein Gate, das dann einen Ausgang ergibt, wenn nur einer
der Eingänge „1" ist. Dies kann mit
einem Transpinnor so erzielt werden, dass ein Eingang ausreicht,
um das Element mit niedriger Koerzivität umzuschalten, was einen Ausgang
ergibt, während
zwei oder mehr Impulseingänge
ein Feld ergeben, das groß genug
ist, um auch das Element mit hoher Koerzivität umzuschalten, was einen Ausgang
von null ergibt. Das Gate muss nach jedem Gebrauch zurückgesetzt
werden.
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Für Logik-
und Computeranwendungen sind Transpinnor mit scharfen Schwellenwerten
und Rechteckimpulsausgängen
wünschenswert.
Für analoge
Anwendungen ist ein lineares Ansprechverhalten besser. Es wurden
oben bereits mehrere Methoden zum Erzielen eines linearen Transpinnor-Betriebs
erörtert.
Im linearen Bereich arbeitende Transpinnor können zum Entwickeln eines vollen
Komplements von analogen Grundschaltungen verwendet werden, die
ausreichen, um einen analogen Universalschaltkomplex auf der Basis
von GMR-Filmen zu erzeugen.
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Ein
spezifisches Beispiel für
einen Transpinnor, der im linearen Bereich arbeitet, für die Anwendung
auf Signalverstärkung,
illustriert einige der einzigartigen Vorteile der Doppelfunktion
des Transpinnors gegenüber
Siliciumtechnik. Differenzverstärker werden
gewöhnlich
verwendet, um Gleichtaktsignale und Gleichtaktrauschen innerhalb
des Frequenzbereichs ihres Betriebs zu eliminieren. Wie oben erörtert, wird
der Betriebsbereich des Transpinnors in seiner Transformatorfunktion
von (und inklusive) DC auf die Hochfrequenz-Abschaltgrenze erweitert.
Der GMR-Transpinnor kann vorteilhafterweise in seiner Transformatorfunktion
genutzt werden, um ein Gleichtaktsignal im Differenzeingangsmodus
zu beseitigen, sowie in seiner Transistorfunktion, um ein tiefes
Signal im einendigen Ausgangsmodus zu verstärken. Bei der Tiefsignalverstärkung haben GMR-Transpinnor
den zusätzlichen
Vorteil, dass sie Offset-Spannung am Eingang eliminieren, die in
integrierten Siliciumschaltungen ein so schwieriges Problem ist.
Es ist zu bemerken, dass es in der Siliciumtechnik sehr kostspielig
ist, eine Eingangsspannung mit niedrigem Offset für integrierte
Differenzverstärker
zu erzielen. Das heißt,
es wird eine Eingangsspannung mit niedrigem Offset in Siliciumschaltungen
nur auf Kosten einer Herabsetzung anderer Parameter erzielt. Mit
der Verwendung von Transpinnorn ist aufgrund der Transformator/Transistor-Tandemeigenschaften
kein solcher Preis assoziiert. Insbesondere wird das Eingangssignal
an einen Differenzeingang mit den Eigenschaften eines Primärtransformators
mit einem zusätzlichen
Vorteil eines flachen Niederfrequenzgangs bis einschließlich DC angelegt.
Das Ausgangssignal wird um einen Ausgang mit Transistoreigenschaften
verstärkt.
Transpinnor sind daher besonders gut als Differenzverstärker geeignet.
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Es
werden nachfolgend spezifische Ausgestaltungen der Erfindung erörtert, die
zum Implementieren verschiedener Teile der Auswahlelektronik für einen
Vollmetall-PRAM
eingesetzt werden können. Wie
oben erörtert,
können,
weil man die hierin beschriebenen Transpinnor gänzlich aus GMR-Filmen und Metallleitern
herstellen kann, solche Transpinnor verwendet werden, um die Auswahlelektronik
(d.h. Word- und Digit-Treiber,
Auswahlmatrizen, Low-Level-Abtastgates, Differenzleseverstärker usw.)
auf einem GMR-PRAM-Chip zu verwenden. Es brauchen überhaupt
keine konventionellen Bauelemente auf Siliciumbasis mehr verwendet
zu werden.
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Gemäß einer
spezifischen Ausgestaltung der Erfindung kann eine Array von Vollmetall-Transpinnorn
zum Implementieren von Word- und Digit-Auswahlmatrizen für einen
Vollmetall-GMR-PRAM verwendet werden. 8 zeigt
einen solchen Vollmetall-GMR-Transpinnor 800 und zwei Treiberleitungen.
Es werden vier GMR-Filme 802 miteinander
in einer gefalteten Wheatstone-Bridge Konfiguration gebunden. Jeder
GMR-Film 802 ist als rechteckiger Streifen dargestellt,
dessen Vorzugsrichtung in der langen Richtung verläuft. Auch
die Flussschließung
erfolgt in Vorzugsrichtung, aber dies ist nicht dargestellt. Die
beiden Treiberleitungen (Gates 1 und 2) sind aufgetragene Leiterstreifen.
Die Zuführung
von Strom zum Gate 2 neigt dazu, alle vier GMR-Filme in derselben
Richtung zu magnetisieren. Die Zuführung von Strom zum Gate 1 neigt
dazu, benachbarte GMR-Filme entgegengesetzt zu magnetisieren. Mit
den richtigen Impulskombinationen können Halb-Select-Impulse verwendet werden,
um die Lagen mit hoher Koerzivität
positiv oder negativ in einer Richtung zu magnetisieren oder um
abwechselnde Streifen in abwechselnden Richtungen zu magnetisieren.
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Mit
Hilfe der Gate-Leitungen ist es möglich, eine Magnetkonfiguration
in einen einzelnen Transpinnor zu schreiben, die sich von der Magnetkonfiguration
in allen anderen Transpinnorn in der Auswahlmatrix unterscheidet.
Wenn ein Halb-Select-Impuls über
eine Gate-Leitung übertragen
wird, die eine Reihe solcher Transpinnor überquert, dann gibt nur der
mit der anderen Magnetkonfiguration einen Impuls aus. Wenn z.B.
alle vier Filme in allen Transpinnorn der Auswahlmatrix gleichförmig in
derselben Richtung geschrieben werden, dann würde ein Halb-Select-Impuls
auf der Gate 2 Leitung keinen Ausgang in einem der Bauelemente erzeugen.
Wenn jedoch die vier Filme in einem Transpinnor in der Matrix abwechselnd
magnetisiert werden, dann würde dieser
Transpinnor einen Ausgang erzeugen.
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9 zeigt
einen Abschnitt einer Auswahlmatrix 900 für Wortleitungen 902.
Gemäß einer
spezifischen Ausgestaltung werden Transpinnor 904 in einer
Matrix von 100 × 100
angeordnet und können somit
10.000 Wortleitungen 902 versorgen. Die Wortleitungen 902 von
jedem Transpinnor 904 steuern eine entsprechende Speicherzelle
(nicht dargestellt) an. Auch die DC-Stromleitungen sind nicht dargestellt.
Gemäß dieser
Ausgestaltung wird ein ähnlicher Schaltkomplex
zum Implementieren einer Auswahlmatrix für 10.000 Digit-Leitungen (nicht
dargestellt) verwendet. Somit ist die Gesamtzahl der Bits in dem Speicher
108 Bits, d.h. 100 Megabit.
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Die
Anforderungen für
eine Abtastleitungsauswahlmatrix sind strenger als die für die Wort-
und Digitleitungsauswahlmatrizen. Für die oben beschriebene Ausgestaltung
mit 10.000 Abtastleitungen wird ein Mittel benötigt, um nur das Signal von
der gewünschten
Leitung zu wählen.
Dies macht es erforderlich, dass induktives und kapazitives Rauschen auf
der gewählten
Wortleitung minimiert wird. Um dies zu erzielen, werden Dummy-Leitungen
und Differenzverstärker
eingesetzt. Dasselbe Rauschen wird sowohl auf der Abtastleitung
als auch auf der entsprechenden Dummy-Leitung übertragen und durch den Differenzverstärker gelöscht. Zur
Erzielung optimaler Ergebnisse würde
diese Löschung
in der ersten Verstärkungsstufe
erfolgen.
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10 zeigt
einen gattergesteuerten GMR-Differenzverstärker 1000, der gemäß einer Ausgestaltung
der Erfindung für
den Einsatz in einer Abtastleitungsauswahlmatrix ausgelegt ist.
Auch hier sind wieder vier GMR-Filme 1002 zu einer Wheatstone-Brückenkonfiguration
angeordnet. Zwei Eingangsleitungen 1004 und 1006 liefern
ein Umschaltfeld zu den Permalloy-Lagen in GMR-Filmen 1002. Wenn
die Signale auf den Leitungen 1004 und 1006 identisch
sind, dann erfolgt keine Umschaltung und der Ausgang (zwischen den
Knoten 1008 und 1010) ist null. Somit wird jegliches
Gleichtaktrauschen unterdrückt.
Die Gate-Leitungen 1 und 2 erleichtern die Auswahl von nur einem
einzigen Differenzverstärker in
der Auswahlmatrix. Alle vier Leitungen (Gate-Leitungen 1 und 2 und
Eingangsleitungen 1004 und 1006) sind elektrisch
isoliert, d.h. es gibt keine elektrische Verbindung zwischen ihnen
oder mit den GMR-Filmen 1002 im gattergesteuerten Differenzverstärker 1000.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung wird der Abtaststrom durch eine Abtaststromauswahlmatrix
gattergesteuert (ähnlich
den Wort- und Digitauswahlmatrizen oben). In dieser Ausgestaltung
werden die beiden Gate-Leitungen nicht benötigt, weil Signale nur von
der gewählten
Abtastleitung und der Dummy-Leitung kommen. Die Gate-Leitungen können jedoch
zum Zurückstellen
des Permalloy nach einem Lesevorgang verwendet werden, und im Falle
eines tiefen Filmausgangs, zum Vorspannen des Permalloy auf den
Punkt mit maximaler Sensitivität.
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11 zeigt
einen Teil einer Abtastleitungsauswahlmatrix 1100 für einen
GMR PRAM, der den gattergesteuerten Differenzverstärker 1000 von 10 verwendet.
Ein solcher Differenzverstärker
ist am Ende jeder Abtastleitung 1102. 11 zeigt
neun Abtastleitungen 1102. Während man eine Dummy-Leitung
für jede
Abtastleitung haben könnte,
so ist dies doch nicht notwendig und bedeutet auch eine Platzverschwendung
auf dem Substrat. Daher wird in der gezeigten Ausgestaltung jede
Dummy-Leitung 1104 von drei Abtastleitungen 1102 als
Eingang zum jeweiligen Differenzverstärker 1000 gemeinsam
genutzt. Es ist zu verstehen, dass das in 11 gezeigte
3:1 Verhältnis
von Abtastleitungen zu Dummy-Leitungen lediglich illustrativ ist
und dass höhere
Verhältnisse
in kommerziellen Produkten wünschenswert
sein können.
In einem alternativen Design können
aktive Abtastleitungen auch als Dummy-Leitungen dienen, wenn sie
nicht abgefragt werden. Gate-Leitungen 1 und 2 für jeden Differenzverstärker 1000 sind
mit den x-Leitungen 1106 und den y-Leitungen 1108 der
Abtastleitungsauswahlmatrix 1100 verbunden dargestellt.
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Der
aktive GMR-Transpinnor der vorliegenden Erfindung ist eine neue
Art von Bauelement mit denselben Charakteristiken eines konventionellen Transformators,
wie z.B: (i) kein elektrisch leitender Pfad zwischen Primär- und Sekundärwicklung;
(ii) Signalübertragung
von der Primär-
zur Sekundärwicklung über ein
Magnetfeld; (iii) einendige (unabgeglichene) und abgeglichene Konfigurationen,
jeweils mit invertierender oder nichtinvertierender Polarität; und (iv)
der Ausgang kann gattergesteuert werden. Die folgenden zusätzlichen
Eigenschaften des hierin beschriebenen GMR-Transformators haben
keine Gegenstücke
in einem konventionellen Transformator: (v) flacher Frequenzgang
bis hinab zu DC; (vi) Strom-, Spannungs- und/oder Leistungsverstärkung; (vii)
integrale oder nichtintegrale (d.h. kontinuierliche) Verhältnisse
von Spannung oder Strom zwischen Primär- und Sekundärwicklung,
wie durch die Parameter des aktiven Bauelementes bestimmt.
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Eine
Ausgestaltung eines aktiven GMR-Transformators 1200 besteht
aus vier GMR-Filmen 1202(a)–(d), die wie in 12 gezeigt
zu einer Wheatstone-Brückenkonfiguration
angeordnet sind. Die Wheatstone-Brücke ist gefaltet, um das entmagnetisierte
Feld zu löschen
und um die nichtmagnetische Eingangsleitung 1204 effizienter
zu nutzen.
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Zum
Zeitpunkt der Herstellung ist der Transpinnor 1200 mit
einem großen
externen Magnetfeld links (mit Bezug auf 12) gesättigt. Ein
Strom von links nach rechts in einem u-förmigen Mittelleiter 1204 bewirkt,
dass die Permalloy- (d.h. die mit niedriger Koerzivität) Lage
im GMR-Film 1202(a) entgegengesetzt zu der der Kobaltlage
des Films magnetisiert wird, und ebenso für GMR-Film 1202(d),
so dass der Widerstand in diesen beiden Schenkeln der Brücke erhöht wird.
Dies verursacht ein Ungleichgewicht in der Brücke, was zu einer Ausgangsspannung zwischen
Knoten 1206 und 1208 führt. Ein Umkehren des Stroms
in dem u-förmigen
Leiter 1204 bewirkt, dass die Brücke in der anderen Richtung
unabgeglichen ist, so dass das Vorzeichen des Ausgangs umgekehrt
wird.
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Man
wird verstehen, dass der GMR-Transpinnor 1200 die Spannung
auf eine Weise auf- und abwärts
skalieren kann, die einem konventionellen Transformator ähnlich ist.
Im Gegensatz zu einem konventionellen Transformator ist jedoch der GMR-Transpinnor ein aktives
Bauelement, das tatsächlich
Leistungsverstärkung
haben kann.
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Es
gibt viele Anwendungen für
Transformatoren, von denen einige verlangen, dass die Transformatoren
gattergesteuert werden. So verwendeten beispielsweise viele der
früheren
militärischen
Dünnfilmspeicher
gattergesteuerte Transformatoren als Word- und Digit-Gatter für Auswahlmatrizen. Eine Ausgestaltung
eines gattergesteuerten GMR-Transpinnors 1300 ist in 13 dargestellt.
Konventionelle gattergesteuerte Transformatoren unterscheiden sich
vom GMR-Transpinnor 1300 dadurch, dass der letztere einen
flachen Frequenzgang bis hinab zu DC hat und Spannungs-, Strom-
und Leistungsverstärkung
haben kann.
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Anstatt
eines einzelnen nichtmagnetischen Leiters für die Einführung eines Eingangssignals
(wie mit Bezug auf Transpinnor 1200 beschrieben), hat der
Transpinnor 1300 zwei solcher nichtmagnetischer Leiter 1302 und 1304.
Der Leiter 1304 dient als Gate-Leitung und dient zum Sättigen der
Permalloy-Komponenten der GMR-Filme (1306(a)–(d)), so dass
kein Signal zwischen dem Primärleiter 1302 und den
sekundären
Ausgangsknoten 1308 und 1310 übertragen wird. Man beachte,
dass der Gate-Leiter 1304 vom Primärleiter 1302 isoliert
wird und auch als Eingangsleitung verwendet werden kann. Somit kann das
Bauelement auch als linearer Mischer verwendet werden, so dass eine
lineare Summe von zwei Signalen entsteht, die auf Leitern 1302 und 1304 ohne
Verzerrung eingeführt
werden. Ein Beispiel für
eine typische Anwendung eines linearen Mischers ist ein PA-System,
bei dem verschiedene Mikrofonsignale gemischt und in einen Verstärker gespeist
werden. Den GMR-Transpinnor kann man auch als nichtlinearer Mischer
verwenden, der Logikfunktionen ausführt und/oder Oberwellen und
die Summen- und Differenzfrequenzen von zwei Eingangssignalen erzeugt.
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In
einigen Fällen
ist es möglicherweise
wichtig, die Sensitivität
eines GMR-Transformators
(definiert als das effektive Primär/Sekundär-Transformationsverhältnis) durch
die Verwendung einer Mehrumdrehungseingangsleitung wie in 14 gezeigt zu erhöhen. Während in einem konventionellen
Transformator eine Spannungserhöhung
durch Erhöhen des
Verhältnisses
der Umdrehungen von Sekundärwicklung
zu Primärwicklung
erzielt wird, wird in einem erfindungsgemäß ausgelegten GMR-Transformator die
effektive Spannungserhöhung
durch Erhöhen
der Anzahl der Umdrehungen in der Primärwicklung erzielt. Die Sekundärwicklung
behält
die Form einer Wheatstone-Brücke
bei. 14 zeigt einen GMR-Transpinnor 1400,
der einen solchen Mehrumdrehungs-Eingangsleiter 1402 hat,
der den Einzelumdrehungsleiter 410 von 4 ersetzt.
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Gemäß dieser
Ausgestaltung hat der Eingangsleiter 1402 vier Umdrehungen,
so dass der Transformator 1400 viermal empfindlicher wird
als ein ähnliches
Design mit nur einer Umdrehung (d.h. dem Transformator 1600).
Es ist auch ein zusätzlicher
Leiter 1404 dargestellt, der notwendig ist, um die Innenleitung
der Eingangsspule zur Außenseite
des Bauelementes zu bringen. Es stellt sich heraus, dass diese Fertigungslage
selbst in gatterlosen Designs mit nur einer Umdrehung notwendig
ist, um die Bondinseln für
ein Drahtbonden dick genug zu machen. In der tatsächlichen
Praxis kann diese dicke Lage über
verschiedene Segmente von Leitern aufgetragen werden, um den Widerstand
dieser Segmente zu senken. Dies ist natürlich nur für Segmente durchführbar, die
für einen
ordnungsgemäßen Betrieb
des GMR-Transformators nicht dünn
zu sein brauchen. Es ist zu verstehen, dass das Mehrumdrehungsdesign
mehr Fläche
auf dem Chip benötigt
als das Einzelumdrehungsdesign.
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Anwendungen
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Der
GMR-Transpinnor der vorliegenden Erfindung ist ein sehr leistungsfähiges und
anpassungsfähiges
Werkzeug mit attraktiven Eigenschaften für eine Reihe verschiedener
Anwendungen. Da es in der konventionellen Halbleitertechnik keine
Induktoren oder Transformatoren gibt, sei es passiv oder aktiv,
bietet die Realisierung solcher Bauelemente mit GMR-Technik bisher
nicht verfügbare
Fähigkeiten.
Es folgen Beispiele für
einige spezifische Anwendungen für
Schaltungskomponenten im Mikron- und
Submikronbereich.
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Ein
linearer Betriebsbereich ermöglicht
die Verwendung des Transpinnors für Sensor-, Verstärker- und
Differenzverstärkeranwendungen
sowie für andere
analoge Funktionen. Es kann eine Reihe verschiedener Logikschaltungen
mit aktiven Impulstransformatoren für breite und diverse Anwendungen entwickelt
werden, einschließlich
Computerfunktionen wie z.B. eine Auswahlmatrix für Word- und Digitleitungen,
Logikbäume,
Addierer, ALUs und CPUs, d.h. einen strahlungsfesten Vollmetallmikroprozessor.
In Kombination mit dem GMR-Speicher und dem Analogschaltkomplex
würde dies
die Tür
zu einem Vollmetallcomputer öffnen.
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Wie
oben mit Bezug auf das US-Patent Nr. 5,587,943 erörtert, kann
ein Speicher auf GMR-Basis konstruiert werden, der genauso zuverlässig arbeitet wie
die alten Magnetkernspeicher und die Probleme in Verbindung damit
eliminert, da ein solcher Speicher zerstörungsfreies Lesen bietet, sich
leicht herstellen lässt
und einen Ausgang hat, der mit abnehmenden Bauelementegrößen nicht
schrumpft. Dieser GMR-Speicher hat auch einen entscheidenden Vorteil
gegenüber
dem dominanten Halbleiterspeicher DRAM, da er nichtflüchtig ist,
d.h. dass Daten nach einer Unterbrechung der Stromversorgung zu
dem Bauelement nicht verloren gehen. Die Herstellungsverfahren,
die für
solche Speicher angewendet werden, sind denen in der IC-Herstellung ähnlich.
Daher bietet der GMR-Transpinnor der vorliegenden Erfindung, da
er auf derselben zu Grunde liegenden Technik basiert wie dieser
GMR-Speicher (d.h. mehrlagige dünne
Magnetfilme) das ideale Fundament für den Unterstützungsschaltkomplex
für einen
solchen Speicher, da er gleichzeitig mit demselben Prozess hergestellt
werden kann wie die Speicherarray selbst.
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Im
Allgemeinen haben die hier beschriebenen Bauelemente mit sechs Anschlüssen weitaus mehr
Anwendungsmöglichkeiten
als konventionelle Si-Transistoren
mit drei Anschlüssen.
Die höhere Zahl
der Anschlüsse
kann verwendet werden, um eine breitere Vielzahl von interessanten
Schaltungskonfigurationen zu implementieren, die nur durch die Kreativität des Designers
begrenzt sind. Mikromechanische Systeme erfordern im Allgemeinen
elektronische Systeme im Mikron- und Submikronbereich für ihren
Betrieb, z.B. zum Steuern von und als Schnittstelle mit intelligenten
Systemen. Gemeinsam bilden diese mikroelektromechanischen Systeme (MEMS)
einen rapide wachsenden Sektor. Die hierin beschriebenen allgemeinen
GMR-Schaltungen können
eine integrierte Rolle in allen MEMS-Anwendungen spielen. Transpinnor
und GMR-Schaltungen im Allgemeinen eignen sich ideal zum Betreiben
von MEMS-Bauelementen. So können
beispielsweise viele zukünftige
MEMS eine große
Zahl von Sensoren haben. GMR-Schaltungen
können
kleine Signale von Sensoren verstärken und sie für eine digitale Kompatibilität zur Weiterverarbeitung
von Daten verarbeiten.
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Darüber hinaus
sollte GMR-Elektronik unter den Arten von Umweltbelastungen gut
funktionieren, die häufig
in Verbindung mit MEMS-Bauelementen auftreten, wie z.B. Strahlung,
breiter Temperaturbereich und Luftfeuchtigkeit, die eine hermetische
Abdichtung erfordern. Schließlich
sind GMR-Bauelemente, da sie aus Vollmetall bestehen, für Herstellungstechniken
geeignet, die wahrscheinlich mit der Herstellung einiger elektromagnetischer
Bauelemente von Mikronabmessungen und darunter kompatibel sind.