TMR jev (či někdy označován jako MTJ), o jehož principu jste se mohli dočíst v článku "TMR – Tunelová magnetoresistence – 1. díl - princip ", se již delší dobu využívá pro potřeby realizaci paměťových buněk tzv. MRAM pamětí (Magnetoresistive Random Access Memory). Ty na rozdíl od klasickým RAM pamětí uchovávající hodnotu stavu bitu v podobě el. náboje / sepnutí tranzistoru, MRAM paměti s použitím TMR paměťovou buňkou využívají pro záznam bitu uložení informace o směru / přítomnosti magnetického pole prostřednictvím spinu elektronů. Matice paměťových buněk pak bývá obvykle integrována společně řídícími logickými obvody (podobné jako obvody RAM pamětí) do jedné integrované součástky.

Obrovskou výhodou MRAM pamětí je udržení informace, tedy stavů paměťových buněk, i bez přítomnosti napájení paměti. Jsou tedy alternativou Flash pamětí, proti nimž se však vyznačují výrazně rychlejším provozem (čtením a hlavně zápisem dat). Také se častým zápisem neopotřebovávají (výrobci garantují počet zápisů větší než 1016) a poskytují tedy velmi dlouhou životnost i ve funkci hlavního nosiče dat (větší než 15 let). Na druhou stranu stále poskytuje jen velmi omezenou kapacitu, pouze v řádu jednotek a desítek MB. Hodí se tedy hlavně pro aplikace vyžadující rychlý a spolehlivý zápis malého množství dat, jako například často různá inteligentní průmyslová zařízení.

Funkce a struktura MRAM

Typická MRAM paměťová buňka využívající TMR (MTJ) jev se skládá ze:

• společného čtecího / zápisového sloupcového vodiče (bit line)
• čtecího řádkového vodiče (read word line)
• zápisového řádkového vodiče (write word line)
• TMR (MTJ) struktury s pevnou a proměnlivou / ukládací mag. vrstvou

Z tohoto je mimochodem patrné, že celá dvourozměrná matice paměti je tvořena jako soubor řádkových a sloupcových vodičů, kde aktivací jednoho z nich se vybírá příslušné paměťové místo (tzn. příslušný paměťový bit) pro čtení či zápis.

Zápis dat

Data se zapisují malými stejnosměrnými elektrickým proudy na řádkových a sloupcových zapisovacích vodičích, které vytvářejí u TMR paměťových buněk magnetické pole. Proud však prochází jen „okolo“ volně magnetizovatelné záznamové feromagnetické vrstvy (free / storage layer) TMR struktury. Ta se zmagnetizuje (natočí mag. dipóly). V závislosti na směru její magnetizace (polaritě záznamového proudu) vzhledem k pevně přemagnetizované feromagnetické vrstvě (pinned layer) pak TMR struktura vykazuje či nevykazuje možnost tunelování elektronů, a tedy i buď vysoký nebo nízký el. odpor.

Čtení dat

Čtení dat probíhá měřením hodnoty odporu buňky vertikálním průchodem malého měřícího elektrického proudu TMR strukturou a snímání na ní vytvořeného úbytku napětí. Tedy podobně jako při využívání TMR technologie jako senzoru magnetického pole. El. odpor, který se na základě polarity volné magnetické vrstvy prudce (prakticky skokově) mění, tak přímo symbolizuje logický stav daného bitu „0“ nebo „1“.

Konkrétně se čtení stavu bitu obvykle provádí prostřednictvím jedné (horní) společné bitové elektrody a menší speciální čtecí elektrody napojené na protější stranu vertikální struktury, kde sepne příslušný izolační tranzistor čtené buňky. Takto vzniklou cestou protéká proud, jehož hodnota je porovnávána s referenční hodnotou. Pokud je zapsaný logický stav "1", má buňka větší odpor a proud je tedy menší než hodnota referenční, která protéká při log. stavu "0".

Reálná struktura MRAM buňky

V praxi pak je samozřejmě základní TMR struktura optimalizována a doplněna o další vrstvy, například realizující vzájemné odstínění magnetického pole jednotlivých buněk se stavy „0“ či „1“, složitější vícevrstvé provedení magneticky volné, resp. ukládací vrstvy (free layer či storage layer), které lépe „drží“ uložený logický stav, nebo provedení se zápisovým proudem přímo procházející TMR strukturou.

Typicky moderní MRAM paměti (například společnosti Freescale) využívají tzv. SAF vrstvy (Synthetic Antiferromagnet Layer). Ta v TMR (MTJ) přechodu formuje volně proměnnou feromagnetickou vrstvu (Free Layer) na další dvě antiparalelní feromagnetické vrstvy oddělené vrstvičkou z nemagnetického materiálu (Ru). Momentově vyvážená SAF vrstva odpovídá na aplikované magnetické pole jinak než standardní jedna feromagnetická vrstva běžné MRAM. Místo toho, aby klasicky sledovala směr vytvořeného externího magnet. pole, magnetizace SAF se otáčí vždy přibližně kolmo na mag. pole. Speciální sekvencí proudových pulsů (tzv. Savtchenkovo spínání) vytváří rotující magnetické pole, která nakonec otočí (přepne) celkové magnetické pole proměnné vrstvy o 180 °. Tím se odstraňují vzájemné rušící efekty mezi buňkami při zápisu log. 0 a log. 1 vznikající při jednovodičovém zápisu a navíc další výhodou je přesně stejná zápisová sekvence proudových pulsů pro stav 0 i 1.

MRAM hradla

Zajímavým dalším využitím TMR MRAM paměťové buňky je vytvoření MRAM hradla. To lze realizovat vzájemným propojením čtyř MRAM buněk do NAND nebo NOR zapojení. Na základě aktuálního stavu dvou vstupních proudových signálů pak výstup nabývá stavu logické funkce NAND či NOR. Výhodou této konstrukce např. proti klasické CMOS technologii je udržení posledního stavu i po vypnutí napájení.

Výrobci MRAM pamětí

Mezi nejznámější výrobce MRAM pamětí nebo součástek ji využívající jsou společnosti Freescale Semiconductor, Honeywell a Cypress Semiconductor. Všichni tito výrobci však využívají technologii vyvinutou společností NVE, kterou jsme si již v dřívějších dílech představili jako velkého výrobce AMR, GMR a TMR senzorů.

MRAM Honeywell

V nabídce společnosti Honeywell je jen jeden zástupce s označením HXNV0100.

Jde o 1Mbitovou paměť s maticí 64 k x 16 bitů vyráběnou 150 nm technologií a klasickou 3,3 V CMOS logikou a rozhraním. Dle údajů výrobce vyžaduje k zápisu čas max. 140 ns a pro čtení 110 ns. Je tedy patrné, že rychlost zápisu i čtení je prakticky skoro stejná. Jinak výrobce uvádí trvanlivost uložených dat min. 15 let bez připojení napájení a provoz v širokém teplotním rozsahu -40 až 105 °C.

Více informací najdete v datasheetu výrobce, který je ke stažení na odkazu: HXVN0100_1_Megabit_64K_x_16_Non-_Volatile_Magneto-Resistive_RAM.pdf .

MRAM Freescale

Naopak Freescale má v nabídce hned několik MRAM pamětí s různou kapacitou s označením MR0A16A s kapacitou 1 Mbitů (64k x 16 bitů), MR1A16A s kapacitou 2 Mbitů (128k x 16 bitů) a MR2A16A s kapacitou 4 Mb (256k x 16 bitů). Více zde...

Vrcholem řady je typ MR2A16A, který představuje 4Mbitovou MRAM paměť organizovanou v patici 256 k x 16 bitů s buňkou se standardní TMR (MTJ) strukturou s výrobcem uváděnou minimální životností uložených dat 20 let. Vykazuje vysokou symetrickou čtecí / záznamovou rychlost danou časem cca 35 ns.

Celá strukturu chipu MRAM paměti je rozdělena do několika samostatných stejných paměťových bloků vzájemně propojených komunikační sítí (MRAM Network) řízené procesorem a řídící logikou. Speciální implementační struktura umožňuje řídící logiku a procesor umístit pod matice paměťovým buněk, tedy jde o vrstevnatou strukturu, která umožňuje i na malém chipu získat velkou paměťovou kapacitu.

Napájecí a logické rozhraní odpovídá 3,3 V CMOS logice. Zatímco v komerčním provedení poskytují provozní teplotní rozsah 0 až 70°C, v rozšířením Extended provedení již -40 až 105°C.

Více informací najdete v datasheetu výrobce, který je ke stažení na odkazu:MR2A16A.pdf

Závěr

Mimo TMR senzorů a pamětí MRAM se již několik let technologie TMR používá pro realizaci čtecích hlav harddisků, podobně jako GMR. Dokonce je tato oblast elektroniky jejím "největším odběratelem". Tím je také největším "pohonen" pro vývoj, protože tlak zákazníků na kapacitu harddisků stále roste. V příští 4. díle se tedy podíváme na tuto oblast a hlavně na vyhlídky TMR do budoucna.

DOWNLOAD & Odkazy

• Stránky společnosti Freescale Semiconductor - www.freescale.com
• Stránky společnosti NVE - www.nve.com
• Stránky společnosti Honeywell - www.honeywell.com
• James Daughton: "Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM)"
• D. Wang, M. Tondra, A. V. Pohm, C. Nordman:"Spin dependent tunneling devices fabricated for magnetic random access
  memory applications using latching mode", JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOLUME 87, NUMBER 9, 1 MAY 2000
• J. M. Daughton: "Magnetic tunneling applied to memory (invited)", J. Appl. Phys., Vol. 81, No. 8, 15 April 1997
• James M. Daughton: "Advanced MRAM Concepts", NVE Corporation
• S. Yuasa, R. Matsumoto and collegues: "Tunnel Magnetoresistance Effect and Its Applications"
• Evgeny Tsymbal: "Magnetic Random Access Memory", University of Nebraska–Lincoln, Department of Physics and Astronomy
• První díl článku o GMR senzorech na stránkách automatizace - TMR – Tunelová magnetoresistence – 1. díl - princip 
• První díl článku o GMR senzorech na stránkách automatizace - GMR senzory mag. pole - 1. díl - princip a struktura
• Druhý díl článku o GMR senzorech na stránkách automatizace - GMR senzory mag. pole - 2. díl - vyráběné senzory
• Článek o AMR senzorech na stránkách automatizace - Integrované AMR senzory magnetického pole
• Další články a testy o snímačích, PLC, komponentech nejen pro průmyslové aplikace najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz