12.5. Элементы функциональной электроники на цилиндрических магнитных доменах

Запоминание и обработку информации можно осуществить так­же с помощью магнитных интегральных схем. Для их создания при­меняют магнитные пленки толщиной несколько микрометров, кото­рые наносятся на подложку. В качестве носителей информации ис­пользуются цилиндрические магнитные домены (ЦМД). Известно, что магнитные пленки имеют доменную структуру, т.е. состоят из отдельных микроскопических областей – доменов, обладающих произвольным направлением вектора намагниченности. В преде­лах одного домена все атомы намагничены в одном направлении. При отсутствии внешнего магнитного поля домены имеют форму полос с противоположными направлениями вектора намагничен­ности (рис. 12.5,а). В соседних полосах магнитные домены в пленке занимают все поперечное сечение пленки, а их векторы намагни­ченности перпендикулярны поверхности. Домены имеют различ­ные форму и размеры. Изменение конфигурации доменной струк­туры происходит вдоль поверхности пленки. Суммарные площади противоположно намагниченных доменов равны, поэтому происхо­дит компенсация их магнитных полей.

Если на магнитную пленку действует внешнее постоянное маг­нитное поле Н, перпендикулярное поверхности пленки, то конфигу­рация и размеры магнитных доменов изменяются. Полосовые до­мены, у которых вектор их намагниченности совпадает с направле­нием внешнего поля, расширяются за счет сужения доменов с про­тивоположным намагничиванием. Дальнейшее увеличение внеш­него поля приводит к разрыву полосовых доменов и образованию доменов цилиндрической формы (ЦМД, рис. 12.5,б). Установлено, что домен становится цилиндрическим при некотором поле . При этом с ростомН диаметр домена уменьшается. При дальней­шем увеличении магнитного поля, когда оно становится больше оп­ределенного значения , домены исчезают. Таким образом, цилиндрические магнитные домены существуют при по­стоянном магнитном поле с напряженностью отдо. Диаметр ЦМД составляет 1 ...5 мкм в зависи­мости от материала и толщины пленки.

ЦМД можно создать с помощью генератора доменов, который представляет собой проволочную петлю с током. Такая петля из тонкой металлической пленки наносится на поверхность магнитной пленки. Через петлю пропускается импульс тока, который создает магнитное поле Н_пет с направлением, противоположным вектору внешней магнитной индукции. При этом в магнитной пленке под петлей образуется цилиндрический магнитный домен – ЦМД (рис. 12.6,а). В запоминающих устройствах наличие ЦМД в определен­ном месте пленки соответствует хранению лог. 1, а ее отсутствие – хранению лог. 0. Домен – устойчивое образование и для записи двоичной информации ЦМД должен занимать фиксированное по­ложение и иметь возможность перемещаться по предложенной траектории к «адресату». Если домен сможет удаляться от генера­тора доменов (петли), то при поступлении новых импульсов тока, соответствующих введению лог. 1, под петлей будут создаваться новые домены.

Чтобы зафиксировать домен в определенном месте пленки, при­меняют магнитостатические ловушки. В качестве такой ловушки мо­жно использовать виток стоком (рис. 12.6,б), как в генераторе доме­нов. Но наиболее широкое применение нашли ловушки с пермаллоевыми пленками (аппликации). На поверхность магнитной пленки наносятся пленочные аппликации определенной формы из специ­ального ферромагнитного материала – пермаллоя. В области под магнитной аппликацией из-за ее экранирующего действия происходит ослабление внешнего магнитного поля. При попадании ЦМД в такую ловушку уменьшается его полная энергия, т.е. ЦМД оказыва­ется в потенциальной яме.

Систему пермаллоевых аппликаций можно использовать для пе­ремещения ЦМД в определенную точку (адрес). Для этого применя­ется управляющее магнитное поле Н_упр, вращающееся в плоскости аппликаций. Вращающееся поле создается двумя взаимно перпен­дикулярными катушками, токи в которых сдвинуты по фазе на 90°. На рис. 12.7 показана система из четырех аппликаций, направление Н_упр в моменты времени че­рез четверть периода, по­ложения магнитных полю­сов N и S на аппликациях, создаваемых полем Н_упр, и положения ЦМД в эти мо­менты времени.

В исходный момент t = 0 поле Н_упр направлено про­тив оси у (рис. 12.7,а). Предполагается, что торец ЦМД, касающийся аппликации, является южным полюсом S. Поэтому он будет испы­тывать притяжение к север­ному полюсу аппликации; ЦМД окажется расположен­ным на аппликации 1 сим­метрично оси х.

Через четверть перио­да (t = T/4) Н_упр направлено вдоль оси х (рис. 12.7,б). Новое расположение соз­данных этим полем полю­сов вызовет смещение ЦМД по оси х вправе. В мо­мент t = Т/2 ЦМД перейдет под полюс N близко распо­ложенной аппликации 2 (рис. 12.7,в), а в момент t = 3/4Т (рис. 12.7,г) он ока­жется под полюсом N апп­ликации 3. Еще через четверть периода (t= Т) ЦМД сместится впра­во по оси х, оставаясь под аппликацией 3 (рис. 12.7,д). Это положе­ние аналогично исходному. Таким образом, через период Т завер­шается один цикл перемещения ЦМД.

При заранее изготовленной геометрии системы этих апплика­ций можно переместить домен в заданную точку. Аппликации, расположенные близко друг к другу, образуют регистр. Сдвиг ин­формации в регистре происходит при перемещении доменов от края одной аппликации к краю другой. Скорость перемещения до­менов может быть равна десяткам и даже сотням метров в секун­ду. Вследствие малого диаметра ЦМД плотность записи инфор­мации может быть 10⁴... 10⁵ бит/мм, а скорость записи составляет 10⁵...10⁶ бит/с. Для считывания информации применяют устрой­ство, основанное на магниторезистивном эффекте, который заключается в изменении сопротивления пленки при изменении магнитного поля. Один из способов считывания следующий: на основную пленку наносят петлю из полупроводника, обладающе­го магниторезистивным эффектом. Через петлю пропускают по­стоянный ток. Если под петлей проходит ЦМД, то магнитное поле в петле изменяется. При этом изменяются сопротивление петли и ток в ней, что соответствует лог. 1.

На ЦМД создаются СБИС ПЗУ. Они обладают высокой надеж­ностью и быстродействием. Устройство памяти на ЦМД является законченным устройством функциональной электроники, широко используется в схемотехнических системах и выдает информацию в двоичном коде. Запоминающие устройства на ЦМД по своим па­раметрам превосходят аналогичные устройства на магнитных дис­ках. Однако увеличению плотности записи при использовании ЦМД препятствует магнитостатическое взаимодействие между ЦМД. Для его устранения необходимо сохранять определенное расстоя­ние между ЦМД в соседних элементах памяти. При этом площадь элемента памяти получается достаточно большой, и дальнейшее повышение информационной емкости для СБИС на ЦМД становит­ся невозможным.