MRAM是一种非易失性的磁性随机存储器。它领有SRAM的高速读取写入能力,以及DRAM的高集成度,基本上能够有限次地反复写入。专一于代理销售MRAM芯片等存储芯片供应商英尚微电子具体介绍对于MRAM的存储原理。MRAM单元的构造和目前硬盘驱动器中GMR读取头的自旋阀膜系构造类似,自旋阀的工作机理如下。
1、自旋阀电子作为电流的载体,用的是电子的电荷,也就是说电流是电子电荷的输运。但电子不仅有电荷,而且有自旋,自旋阀就是利用电子自旋(而非电荷)作为数字信息的载体,即用自旋向上或自旋向下来表征二进制的‘0’或‘1’,并利用TMJ的量子隧道势垒对不同自旋方向的电子实现选择性通过,在这种状况下信息传输靠的是电子自旋的输运,简称自旋输运(Spin Transfer)。
2、信息的写入为了有选择地将信息写入二维MRAM存储阵列的各存储单元,应用由位线和字线电流在MRAM单元自在层产生的合成磁场来实现。在运行时,利用编码排序使二维MRAM阵列中只有一条字线和一条位线通过电流(如图1),因此只有一个MRAM单元被选中,这时能够有两种写人状态:
(1) 电流在MRAM单元自在层内的合成磁场方向与钉扎层内的磁场方向雷同
电子在自在层磁场的作用下,自旋被极化为‘向上'或‘向下’的取向。因为隧道势垒的作用,不同自旋方向的电子通过隧道结的几率不一样,如果自旋‘向上'的电子通过隧道结的几率较大,则自旋‘向下’的电子通过隧道结的几率就很小,可忽略不计。所以隧道结起到‘自旋阀’的作用。在自旋‘向上’电子通过隧道结进入钉扎层的状况下,MRAM单元体现为低阻状态,对应的写入态记作‘0’。见图1。
图1位线和字线在自在层中造成的合成磁场
图1示出位线和字线在自在层中造成的合成磁场,为不便计,图中只给出MRAM单元的自在层。当位线和字线电流的磁力线别离如图中所示时,自在层中造成的合成磁场方向向右,也就是自在层资料中的磁畴取向向右。此时MRAM单元体现为低阻状态,对应的写入态记作‘0',如图1右侧的小块所示。
(2)位线电流反向(图2),使MRAM单元自在层内的磁畴取向和钉扎层内的磁场方向相同(图3)
图2位线电流反向
图3 MRAM单元的写‘1’态
在此状况下,自旋‘向上’电子通过隧道结进入钉扎层的几率很小,MRAM单元体现为高阻状态,对应的写入态记作‘1',如图1左侧的小块所示。
3、信息的读出信息读出时,只有当一条位线和一条字线的电流选中了如上述的已写单元时,能力从它的磁阻大小判断已存入的信息是‘0’还是‘1'。读出原理看来简略,理论状况却相当简单,阐明如下。
图4给出由4个MRAM单元组成的删格,在一条位线和一条字线加上电压后,由图可见被选中的是4号MRAM单元,这时电流从‘+V’电极流至‘-V’电极能够有两条通道。
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图4信息读出时电流的失常通道(红色箭头)和潜行路线(彩色箭头)
(1)电流能够通过图4中红色箭头所示的路线从‘+-V’电极流经4号MRAM单元到‘-V’电极,从而测出第4号MRAM单元的磁阻。
(2) 电流也能够通过图6中彩色箭头所示的潜行路线,从‘+V’电极先后通过第1、2、3号MRAM单元最初达到'-V’电极,因而测出的磁阻不仅仅是第4号MRAM单元的磁阻,而是迭加了其它单元磁阻后的后果。这就导致读出谬误。
对于大规模集成的mram芯片,状况则更简单。解决此读出难题的最佳计划是在每个MRAM单元都集成一个晶体管,使读出时只有被选中的MRAM单元中的晶体管导通,其它未选中MRAM单元的晶体管总有截止的,因此不能造成电流回路。这样可别离测得第4号MRAM单元存值为‘0’态和存值为‘1’态时的磁阻,并由此计算隧道磁阻扭转率(TMR—Tunneling Magneto-resistive Ratio)。