MRAM是一種非易失性的磁性隨機存儲器。它擁有SRAM的高速讀取寫入能力，以及DRAM的高集成度，基本上可以無限次地重復寫入。專注于代理銷售MRAM芯片等存儲芯片供應商英尚微電子詳細介紹關于MRAM的存儲原理。MRAM單元的結構和目前硬盤驅動器中GMR讀取頭的自旋閥膜系結構相似,自旋閥的工作機理如下。
1、自旋閥
電子作為電流的載體,用的是電子的電荷,也就是說電流是電子電荷的輸運。但電子不僅有電荷,而且有自旋,自旋閥就是利用電子自旋(而非電荷)作為數字信息的載體,即用自旋向上或自旋向下來表征二進制的‘0’或‘1’，并利用TMJ的量子隧道勢壘對不同自旋方向的電子實現選擇性通過,在這種情況下信息傳輸靠的是電子自旋的輸運,簡稱自旋輸運(Spin Transfer)。
2、信息的寫入
為了有選擇地將信息寫入二維MRAM存儲陣列的各存儲單元，使用由位線和字線電流在MRAM單元自由層產生的合成磁場來實現。在運行時,利用編碼排序使二維MRAM陣列中只有一條字線和一條位線通過電流(如圖1),因而只有一個MRAM單元被選中,這時可以有兩種寫人狀態:
(1) 電流在MRAM單元自由層內的合成磁場方向與釘扎層內的磁場方向相同
電子在自由層磁場的作用下,自旋被極化為‘向上'或‘向下’的取向。由于隧道勢壘的作用,不同自旋方向的電子通過隧道結的幾率不一樣,如果自旋‘向上'的電子通過隧道結的幾率較大,則自旋‘向下’的電子通過隧道結的幾率就很小，可忽略不計。所以隧道結起到‘自旋閥’的作用。在自旋‘向上’電子通過隧道結進入釘扎層的情況下,MRAM單元表現為低阻狀態,對應的寫入態記作‘0’。見圖1。
圖1位線和字線在自由層中形成的合成磁場
圖1示出位線和字線在自由層中形成的合成磁場,為方便計,圖中只給出MRAM單元的自由層。當位線和字線電流的磁力線分別如圖中所示時,自由層中形成的合成磁場方向向右,也就是自由層材料中的磁疇取向向右。此時MRAM單元表現為低阻狀態,對應的寫入態記作‘0',如圖1右側的小塊所示。
(2)位線電流反向(圖2),使MRAM單元自由層內的磁疇取向和釘扎層內的磁場方向相反(圖3)
圖2位線電流反向
圖3 MRAM單元的寫‘1’態
在此情況下，自旋‘向上’電子通過隧道結進入釘扎層的幾率很小,MRAM單元表現為高阻狀態,對應的寫入態記作‘1',如圖1左側的小塊所示。
3、信息的讀出
信息讀出時,只有當一條位線和一條字線的電流選中了如上述的已寫單元時,才能從它的磁阻大小判斷已存入的信息是‘0’還是‘1'。讀出原理看來簡單,實際情況卻相當復雜,說明如下。
圖4給出由4個MRAM單元組成的刪格,在一條位線和一條字線加上電壓后，由圖可見被選中的是4號MRAM單元,這時電流從‘+V’電極流至‘-V’電極可以有兩條通道。
圖4信息讀出時電流的正常通道(白色箭頭)和潛行路線(黑色箭頭)
(1）電流可以通過圖4中白色箭頭所示的路線從‘+-V’電極流經4號MRAM單元到‘-V’電極,從而測出第4號MRAM單元的磁阻。
(2) 電流也可以通過圖6中黑色箭頭所示的潛行路線,從‘+V’電極先后經過第1、2、3號MRAM單元最后到達'-V’電極，因此測出的磁阻不僅僅是第4號MRAM單元的磁阻,而是迭加了其它單元磁阻后的結果。這就導致讀出錯誤。
對于大規模集成的mram芯片,情況則更復雜。解決此讀出難題的最佳方案是在每個MRAM單元都集成一個晶體管,使讀出時只有被選中的MRAM單元中的晶體管導通,其它未選中MRAM單元的晶體管總有截止的,因而不能形成電流回路。這樣可分別測得第4號MRAM單元存值為‘0’態和存值為‘1’態時的磁阻,并由此計算隧道磁阻改變率(TMR—Tunneling Magneto-resistive Ratio)
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