УДК 621.382 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИБОРОВ СПИНТРОНИКИ
advertisement
УДК 621.382 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИБОРОВ СПИНТРОНИКИ А.И. Костров Рассмотрены подходы к разработке электрических моделей для приборов спинтроники на основе туннельного магнитосопротивления. Разработана динамическая поведенческая модель и spice-макромодель магнитного туннельного перехода для использования в системах компьютерного моделирования электронных устройств. Работоспособность моделей продемонстрирована для элемента магниторезистивной памяти, результаты тестирования показали высокую точность и вычислительную эффективность. Введение Разработка и моделирование электронных устройств на основе эффектов спин-зависимого токопереноса, таких как магниторезистивная память, сверхчувствительные магнитные датчики и логические приложения, требует применения точных и адекватных электрических моделей магнитных устройств, пригодных для достоверного уровня расчетов в современных системах компьютерного проектирования прибора/схемы/системы. Однако разработка таких моделей сопряжена с определенными трудностями, связанными с невозможностью учета и реализации ряда специфических факторов и физических эффектов. Для спиновых приборов такими являются магнитные анизотропные поля, гистерезисные характеристики, изменение плотности электронных состояний материала [1]. При встраивании модели в программу схемотехнического компьютерного проектирования возникают проблемы сходимости, переносимости на различные платформы и ошибки, вызванные большим объемом и сложностью программного кода. Для решения этих проблем требуются новые подходы к разработке, унификации и встраиванию моделей электронных приборов. Подходы к разработке электрических моделей Пригодность модели для замещения компонента электрической цепи с целью ее компьютерного моделирования является главным назначением электрической модели, которая строится на основе эквивалентной схемы. Эквивалентная схема – электрическая схема, в которой все реальные элементы заменены максимально близкими по функциональности цепями из идеальных компонентов. Однако эквивалентная схема является линейной системой, поэтому нелинейные эффекты реальных цепей не могут быть смоделированы путем составления эквивалентных схем. Для решения проблем нелинейности, унификации, сходимости и встраивания моделей существуют подходы, основанные на языках высокоуровневого поведенческого моделирования цифро-аналоговых систем Verilog-A/AHDL и Verilog-AMS/VHDL-AMS, позволяющие учитывать физические характеристики приборов [2]. Основной принцип разработки поведенческих моделей – декомпозиция полной схемы и последовательная замена небольших схемных фрагментов их поведенческими описаниями. Современные средства компьютерного моделирования обеспечивают возможность одновременного использования транзисторных и поведенческих моделей, поэтому результат такого последовательного замещения можно постоянно контролировать. Совместное функционирование аналоговых и цифровых блоков на уровне поведенческих моделей обеспечивается введением в структурную схему модели математических аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей. Это позволяет эффективно разрабатывать точные и адекватные модели, обладающие гибкостью использования и встраивания в программные пакеты для моделирования. Одним из способов моделирования электрических характеристик является разработка эффективных и легких в использовании макромоделей на основе компонентов Spice-подобных программ (HSPICE, Eldo, Spectre и др.). В данном случае используются идеальные компоненты: резисторы, конденсаторы, диоды, независимые и нелинейные источники. Это способствует легкому переносу модели в любую программу проектирования. Динамическая поведенческая модель В работе предложена физическая модель, основанная на распределении магнитного момента (намагниченности) в наноструктуре с магнитным туннельным переходом (МТП), описываемым уравнением Ландау-ЛифшицаГильберта. Модель реализует двухмерную гистерезисную характеристику переключения и динамику намагниченности однодоменной магнитной структуры с одноосной анизотропией [3]. На основании физико-топологического моделирования разработана динамическая электрическая модель ячейки спиновой памяти на основе МТП с использованием языка поведенческого моделирования Verilog-A, поддерживаемого комплексами схемотехнического проектирования мировых лидеров (Cadence, Mentor Graphics, Synopsys). Модель состоит из трех модулей (рис. 1). Рис.1. Структурная схема модели ячейки спиновой памяти Модуль записи (МЗ) определяет напряженность магнитного поля в зависимости от протекающего в шине тока. Магнитный модуль (ММ) моделирует изменение направления намагниченности свободного слоя в зависимости от магнитного поля, создаваемого током шины записи. Результатом является определение угла вектора намагниченности магнитомягкого ферромагнетика относительно магнитотвердого. Магниторезистивный модуль (МР) определяет выходную электрическую характеристику, исходя из направления намагниченности свободного ферромагнитного слоя. Проведены тестовые расчеты ВАХ, АЧХ и динамических характеристик предложенной модели для ячейки памяти, состоящей из наноструктур CoFe/MgO/Si-n и CoFe/MgO/Si-p. Показано, что значения токов переключения не превышают 5 мА, задержки переключения порядка 300 пс для толщины туннельного диэлектрика 2 нм. Максимальная расчетная рабочая частота составила 3 ГГц. На рис. 2 показаны результаты моделирования переходных процессов ячейки памяти. Рис.2. Результаты моделирования записи информации в ячейку спиновой памяти Spice-макромодель Предложена структурная схема и электрическая макромодель магнитного туннельного перехода, переключаемого с помощью переноса спина, реализованная с применением двух нелинейных сопротивлений для параллельного и антипараллельного состояний намагниченности. Структурная схема макромодели представлена на рис. 3. Она состоит из трех модулей: магнитный модуль – реализует особенности входного гистерезиса, модуль хранения двоичного бита – сохраняет направление относительной ориентации свободного слоя МТП, магниторезистивный модуль – моделирует управляемое напряжением сопротивление в параллельном и антипараллельном состояниях намагниченности. Для моделирования использовались компоненты программы Spectre, на их основе строились подсхемы управляемого напряжением переключателя и нелинейных сопротивлений. Макромодель пригодна для использования в SPICE-подобных системах компьютерного моделирования и проектирования электронных устройств. Работоспособность модели продемонстрирована для элемента магниторезистивной памяти. Рис.3. Структурная схема макромодели МТП Заключение Рассмотрены подходы, используемые для компьютерного моделирования характеристик спинтронных приборов. Разработана динамическая модель элемента спиновой памяти на основе магнитного туннельного перехода с использованием языка схемотехнического поведенческого описания Verilog-A, входящего в состав большинства коммерческих программ для компьютерного проектирования интегральных микросхем. Представлена Spice-макромодель МТП структуры. Она является масштабируемой и может использоваться для моделирования переходных характеристик приборов спинтроники в широком диапазоне входных сигналов. Результаты моделирования позволяют сделать вывод о достаточной точности и вычислительной эффективности моделей. Литература: 1. A.I. Kostrov, V.R. Stempitski, V.N. Kazimirchik. Simulation of magnetic tunnel junction in ferromagnetic/insulator/semiconductor structure // Proceedings of the SPIE, vol. 7377, pp.73770P-13, 2009. 2. Денисенко В.В. Проблемы схемотехнического моделирования КМОП СБИС // Компоненты и технологии, № 3, 2002, с .74-78. 3. А.И. Костров, В.Р. Стемпицкий, Т.Н. Родина, А.Л. Данилюк, В.Е. Борисенко. Электрическая модель ячейки памяти на эффекте туннельного магнитосопротивления // Доклады БГУИР. – 2010 (в печати). Александр Иванович Костров, аспирант кафедры микро- и наноэлектроники факультета радиотехники и электроники Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, магистр технических наук, kostrov-s@tut.by
