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MRAM工作原理分析

2020-11-27 10:42:51

目前主流的MRAM利用巨磁阻效應( GMR)和磁性隧道結(MTJ))的隧穿電阻效應來進行存儲。以MTJ為例,其元胞結構包括自由層、隧道層和固定層3個層面(如圖1所示)。自由層的磁場極化方向是可以改變的,而固定層的磁場方向是固定不變的,在電場作用下電子會隧穿絕緣層勢壘而垂直穿過器件,電流可隧穿的程度及MTJ的電阻均由2個磁性層的相對磁化方向來確定3'。當自由層的磁場方向與固定層的磁場方向相同時,存儲單元呈現低阻態“0”;當兩者磁場方向相反時,存儲單元呈現高阻態“1”。MRAM器件通過檢測存儲單元電阻的高低來判斷所存儲的數據是“0”還是“1”。
 
 
 
圖1MTJ結構示意圖
 
典型的存儲單元電路結構如圖2所示,一般是由1個NMOS管與MTJ單元集成在一起。NMOS管的柵極連接到存儲陣列的字線( word line,WL)﹐源(漏)極通過源極線( source line, SL)與MTJ的固定層相連;而連接到MTJ自由層上的連線為存儲陣列的位線( bit line, BL)。在位線和源極線之間施加不同的電壓,產生流過磁隧道結的寫入電流(Iwrite)﹐Iwrite可改變磁隧道結自由層的磁化方向,使隧穿電阻變化,完成“0”和“1”的存儲。MRAM電路的讀取機制是電流從位線流入,并通過MTJ和 MOS管輸出,電壓的大小同樣依賴于MTJ電阻的高低,相同讀取電流下所產生的輸出電壓不同。根據輸出電壓就可以判斷存儲單元所儲存的數據是“0”還是“1”。
 
 
圖2 MRAM工作原理示意圖
 
1個MTJ和1個MOSFET(即1T1M)結構構成MRAM基本的存儲單元,眾多存儲單元又組成存儲陣列,一般的MRAM電路除存儲陣列之外還有相應的外圍電路。如圖3所示的存儲器外圍電路主要包括靈敏放大器、譯碼電路、讀/寫控制電路等。與SRAM等存儲器類似,靈敏放大器主要用來對位線信號進行放大。可見除了存儲陣列之外,外圍電路均可采用與傳統工藝兼容的CMOS電路進行設計制造。
 

 
圖3典型存儲單元結構示意圖
 
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本文關鍵詞:MRAM  

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