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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-52258
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2011/5225/


Spin Valves for Reconfigurable Logic Devices

Spinventile für rekonfigurierbare Logikelemente

Güde, Bernd

pdf-Format:
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Basisklassifikation: 53.12 , 54.23 , 54.31 , 54.76
Institut: Informatik
DDC-Sachgruppe: Informatik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Möller, Dietmar P. F. (Prof. Dr.-Ing.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.06.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 20.07.2011
Kurzfassung auf Englisch: Spin valves are ferromagnetic nanostructures whose electrical resistance can be tuned either by an applied magnetic field, an electrical current, or in combination with an electrical current through thermal excitation. A spin valve
consists of at least three layers, two ferromagnetic layers, which are separated by a non-magnetic layer. The electrical resistance of a spin valve depends on the orientation of the magnetization in both ferromagnetic layers. Two configurations are relevant for applications of spin valves in logic and memory devices, parallel and antiparallel alignment of the magnetizations relative to each other. Both correspond to two different resistances, which can represent Boolean values 0 and 1. The electrical resistance of a spin valve can be explained with the giant magnetoresistance (GMR) effect and the tunneling magnetoresistance (TMR) effect, respectively. Spin valves are promising candidates for future logic and memory devices, since they show principle assets compared to traditional technologies based on semiconductor-based field-effect transistors. The technological relevance of spin valves in memory and logic devices and in field-programmable gate arrays is investigated in this work. The acceptability of spin valves for applications is based on models that describe the electrical properties appropriately and efficiently, making spin valve available for circuit designers. Such models are referred to as a compact model. The established model for spin valves, the micromagnetic model, describes the magnetization dynamics in the ferromagnetic layers of the spin valve; it is too generic and not suited for circuit design based on spin valves. In this thesis state-of-the-art compact models for spin valves are reviewed. Following a common approach for compact models in the literature, two different electrical circuits are depicted. Both mimic the most relevant characteristic of a spin valve, the hysteresis of its electrical resistance, but at different levels of abstraction following Gajski and Kuhn's Y chart. The first circuit approximates the hysteresis of a real spin valve, but is simpler than other circuits in the literature. Two case studies indicate the flexibility of the circuit. The feasibility of logic gates based on spin valves is studied employing the circuit and picking up the case studies again. The second circuit allows for the simulation of a spin valve's hysteresis at a tunable precision. The latter circuit is an enhancement compared with recently published works in the literature on the same topic. The circuits were simulated with a free available version of SPICE, the de facto standard for circuit simulation.
Kurzfassung auf Deutsch: Spinventile sind ferromagnetische Nanostrukturen, deren elektrischer Widerstand mithilfe eines Magnetfeldes, eines elektrischen Stromes oder in Verbindung damit durch Aufheizen eingestellt werden kann. Ein Spinventil besteht wenigstens aus drei Schichten; dabei handelt es sich um zwei ferromagnetische Schichten, die durch eine weitere Schicht getrennt sind. Der elektrische Widerstand eines Spinventils hängt von der Ausrichtung der Magnetisierungen in den ferromagnetischen Schichten ab. Zwei Konfigurationen sind von besonderem Interesse für Anwendungen: Die parallele und antiparallele Ausrichtung der Magnetisierungen zueinander. Beide Konfigurationen führen zu unterschiedlichen Widerständen, mit denen
sich die Booleschen Wahrheitswerte 0 und 1 repräsentieren lassen. Der
elektrische Widerstand eines Spinventils beruht auf dem gigantischen
Magnetwiderstand (GMR) beziehungsweise dem Tunnelmagnetwiderstand (TMR). Spinventile eignen sich besonders für Speicherzellen und Logikgatter,
weil sie grundsätzliche Vorteile besitzen im Vergleich zu herkömmlichen Technologien, die auf Halbleiter-Feldeffektransistoren beruhen. In dieser Arbeit wird die technologische Relevanz der Spinventile für Speicherzellen, Logikgatter und Field Programmable Gate Arrays untersucht. Die Akzeptanz von Spinventilen hängt auch von der Verfügbarkeit von Modellen ab, die eine angemessene und einfache Beschreibung ihres Verhaltens erlauben. Diese Modelle erlauben den Entwurf von Schaltungen mit Spinventilen. Einfache, aber angemessene Modelle bezeichnet man als kompakte Modelle. Das gängigste Modell zur Beschreibung eines Spinventils ist das mikromagnetische Modell, das die Dynamik der Magnetisierung in den ferromagnetischen Schichten eines Spinventils beschreibt. Es eignet sich jedoch nicht, um Spinventile für den Schaltungsentwurf zu beschreiben. In dieser Arbeit wird daher der Stand der Technik der kompakten Modelle für Spinventile vorgestellt und bewertet. Einem etablierten Ansatz folgend werden zwei elektrische Ersatzschaltungen vorgestellt. Beide Schaltungen ahmen die für den Schaltungsentwurf wichtigste Eigenschaft eines Spinventils nach. Die Hysterese des Widerstandes wird mit beiden Schaltungen imitiert, allerdings auf verschiedenen Abstraktionsebenen, vergleichbar denen in Gajski und Kuhns Y-Diagramm. Durch die erste Schaltung wird die Hysterese eines Spinventils genähert durch eine rechteckförmige Hysterese. Diese Schaltung ist einfacher als die Arbeiten in der Literatur. Durch zwei Fallstudien wird die Flexibilität der Schaltung deutlich. Damit wird auch die Machbarkeit von Logikgattern untersucht. Die zweite Schaltung erlaubt es, die Hysterese bei einstellbarer Genauigkeit zu simulieren. Diese Schaltung ist eine Weiterentwicklung kürzlich veröffentlichter Arbeiten aus der Literatur. Die Schaltungen wurden mit einer frei verfügbaren Version von SPICE simuliert, dem Standardprogramm zur Schaltungssimulation.

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