MRAM工做原理分析

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爲例,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能夠改變的,而固定層的磁場方向是固定不變的,在電場做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肯定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」;當二者磁場方向相反時,存儲單元呈現高阻態「1」。MRAM器件經過檢測存儲單元電阻的高低來判斷所存儲的數據是「0」仍是「1」。

 
 
圖1MTJ結構示意圖

典型的存儲單元電路結構如圖2所示，通常是由1個NMOS管與MTJ單元集成在一塊兒。NMOS管的柵極鏈接到存儲陣列的字線( word line,WL)﹐源（漏）極經過源極線( source line, SL)與MTJ的固定層相連;而鏈接到MTJ自由層上的連線爲存儲陣列的位線( bit line, BL）。在位線和源極線之間施加不一樣的電壓,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，並經過MTJ和 MOS管輸出，電壓的大小一樣依賴於MTJ電阻的高低,相同讀取電流下所產生的輸出電壓不一樣。根據輸出電壓就能夠判斷存儲單元所儲存的數據是「0」仍是「1」。

 
 
圖2 MRAM工做原理示意圖

1個MTJ和1個MOSFET（即1T1M）結構構成MRAM基本的存儲單元,衆多存儲單元又組成存儲陣列，通常的MRAM電路除存儲陣列以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等存儲器相似,靈敏放大器主要用來對位線信號進行放大。可見除了存儲陣列以外,外圍電路都可採用與傳統工藝兼容的CMOS電路進行設計製造。

 
圖3典型存儲單元結構示意圖

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