專利名稱：使用自旋電子器件的弛張振蕩器的制作方法
技術領域：
本發明涉及使用自旋電子器件實現弛張振蕩器的技術。
背景技術：
弛張振蕩器使用諸如施密特觸發器(Schmitt trigger)或窗口比較器的具有兩個 閾值電壓的基于晶體管的器件實現，從而實現振蕩。如圖Ia與Ib所示，施密特觸發器具有取決于輸出狀態的兩個不同的閾值電SVu 與VHT。在所述附圖中，^是、的函數，+Vsat是正⑴方向的飽和電壓，且-Vsat是負㈠ 方向的飽和電壓。此外，如圖2a與2b所示，施密特觸發器可以由單獨的晶體管TR構成。這時，必須 滿足條件Ra > R。2，且兩個閾值電壓Vu與Vht用于驅動該觸發器。用于通過電容器的充電和放電產生周期性波形的電路稱為弛張振蕩器。如圖3所 示，傳統的弛張振蕩器是使用施密特觸發器ST的方波發生器。在此，假設施密特觸發器ST 的輸出、是-Vsat，即負㈠方向上的飽和電壓，則電容器C以時間常數為RC的指數方式 充電達到+Vsat，即達到正⑴方向上的飽和電壓。當υ。達到施密特觸發器ST的閾值電壓 Vht時，、切換到-Vsat，則電容器C以時間常數為RC的指數方式放電。此外，當υ。達到施 密特觸發器ST的閾值電壓Vu時，、切換到+Vsat。如上所述，由于電容器C的重復充電和 放電，施密特觸發器ST的輸出端產生周期性方波。傳統的弛張振蕩器的問題在于其制造中使用大量諸如晶體管的電子器件，從而造 成其制造成本高、尺寸大且功耗高。此外，使用自旋電子器件的傳統的振蕩器利用了當施加高于臨界電流1. 5 2倍 的電流并施加磁場時在GHz頻帶中的振蕩的特性，在該臨界電流處發生反向磁化。這時，存 在自旋電子器件因施加的高電流而容易損壞，并且無論施加多高的電流輸出都處于PW級 的低水平的問題。此外，還存在一個問題，即主要在巨磁電阻(Giant Magnetoresistive :GMR)自 旋電子器件中觀察到振蕩特性，而不能在具有相對差的耐久性的磁性隧道結(Magnetic Tunnel Junction =MTJ)自旋電子器件中觀察到振蕩特性。此外，從耐久性的角度來看，使用自旋電子器件的傳統振蕩器難以付諸實用。
發明內容
因此，本發明是考慮到現有技術中出現的上述問題作出的，且本發明的一個目的 是提供使用自旋電子器件的弛張振蕩器，其不使用用于傳統弛張振蕩器的晶體管，從而減少了弛張振蕩器的部件的數目并簡化了弛張振蕩器的電路，因此減少了弛張振蕩器的制造 成本與功耗，并使弛張振蕩器的體積最小化。此外，本發明的另一目的是提供使用自旋電子器件的弛張振蕩器，其能夠在從很 少的幾Hz到GHz區域的寬的頻率范圍內進行調頻。此外，本發明的另一目的是提供使用自旋電子器件的弛張振蕩器，其能夠使用反 向磁化實現高輸出。為了實現上述目的，本發明提供了使用自旋電子器件的弛張振蕩器，其包括電源 單元，其配置用于施加電能；自旋電子器件，其配置為被電源單元所施加的電能驅動，并具 有取決于磁場強度的可變電壓值；以及電容器，其與自旋電子器件并聯，所述電容器配置為 當承受自旋電子器件的閾值電壓范圍中的最小電壓值時放電，并當承受閾值電壓范圍中的 最大電壓值時充電。在此，電源單元可以是施加電壓作為電能的電壓源。弛張振蕩器還可包括電阻元件，該電阻元件串聯于電壓源與自旋電子器件之間， 并配置用于將由電壓源施加的電壓變換到適合自旋電子器件的驅動的驅動電壓值。弛張振蕩器還可包括電磁鐵，該電磁鐵通過對自旋電子器件施加磁場以改變自旋 電子器件的電壓值。自旋電子器件可以是自身產生磁場的自偏磁器件。電源單元可以是施加電流作為電源的電流源。
從下述結合附圖的詳細描述中將更清楚地理解本發明的上述與其它目的、特征以 及優點，所述附圖中圖Ia與Ib分別是表示施密特觸發器的基本電路與工作原理的圖；圖2a與2b分別是表示由單獨的晶體管構成的施密特觸發器的電路與工作原理的 圖；圖3是傳統的弛張振蕩器的電路圖；圖4是根據本發明的一個實施例的使用自旋電子器件的弛張振蕩器的電路圖；圖5是表示基于圖4的自旋電子器件中的磁場強度的電阻對偏壓的依賴關系的 圖；圖6是表示基于圖4的自旋電子器件的磁場強度的反向磁化的相位圖；圖7是表示自偏自旋電子器件的反向磁化的相位圖，其中圖4的自旋電子器件中 增加了能夠自身施加磁場的結構；以及圖8是根據本發明的另一實施例的使用自旋電子器件的弛張振蕩器的電路圖。
具體實施例方式以下參照附圖進行說明，在不同的附圖中所使用的相同的附圖標記指代相同或相 似的元件。在本發明的以下描述中，省略對相關的公知功能或結構的詳細描述，以避免使本 發明的要旨不清楚。圖4是根據本發明的一個實施例的使用自旋電子器件的弛張振蕩器的電路圖，圖
45是表示基于圖4的自旋電子器件中的磁場強度的電阻對偏壓的依賴關系的圖，且圖6是表 示基于圖4的自旋電子器件的磁場強度的反向磁化的相位圖。圖7是表示自偏自旋電子器件的反向磁化的相位圖，其中圖4的自旋電子器件中 增加了能夠自身施加磁場的結構，且圖8是根據本發明的另一實施例的使用自旋電子器件 的弛張振蕩器的電路圖。下面將結合上述附圖描述本發明的實施例。圖4表示根據本發明的一個實施例的使用自旋電子器件的弛張振蕩器。如圖4所 示，弛張振蕩器包括電源單元400、自旋電子器件420以及電容器430。電源單元400是施加電壓以作為振蕩電源的電壓源。此外，自旋電子器件420被由電源單元400所施加的電能驅動，并具有隨著磁場強 度變化的電壓值。在此，弛張振蕩器還可包括電阻元件以及電磁鐵440，所述電阻元件串聯于電壓源 與自旋電子器件420之間，并配置用于使由電壓源施加的電壓變換到適合驅動自旋電子器 件的驅動電壓，所述電磁鐵440配置為通過對自旋電子器件420施加磁場以改變自旋電子 器件的電壓值。此外，電容器430并聯于自旋電子器件420，且電容器430當自旋電子器件處于閾 值電壓范圍中的最小電壓值時放電，當處于該閾值電壓范圍中的最大電壓值時充電。S卩，如圖4所示，在根據本發明的實施例的使用自旋電子器件的弛張振蕩器中，提 供電壓源作為電源，自旋電子器件420附近布置有能夠控制磁場強度的電磁鐵440，串聯有 能夠控制施加于自旋電子器件420的電壓的電阻元件410，且并聯有能夠使用充電和放電 所需的時間控制振蕩周期(頻率)的電容器430。施加于自旋電子器件420的磁場與電壓產生兩個閾值電壓，所述兩個閾值電壓分 別增加和減少自旋電子器件的電阻。當電源是DC電壓源且電壓確定時，通過改變串聯于自 旋電子器件的電阻元件410可獲得恰當的工作電壓范圍。這時，通過施加電能并控制電阻 元件410，以對自旋電子器件420施加稍微高于閾值電壓Vm的電壓(此時發生從高電阻狀 態到低電阻狀態的轉變)，從而開始工作。圖5是表示基于圖4的自旋電子器件420中的00e、400e、800e以及IOOOe的磁場 強度的電阻對偏壓的依賴關系的圖。造成電阻狀態從高電阻狀態改變到低電阻狀態或造成 電阻狀態反向改變的電壓隨著磁場在任一方向上改變。在本說明書中，電阻狀態的變化稱 為“反向磁化”。此外，圖6是表示基于圖4與5的自旋電子器件420的磁場強度的反向磁 化的相位圖。當電流I的強度或跨接在自旋電子器件420上的電壓IXRmtt達到足以實現 反向磁化的閾值電流(Im 用于從高電阻狀態H到低電阻狀態L的轉變；Im 用于從低電阻 狀態L到高電阻狀態H的轉變)或閾值電壓(VHl = IhlXRmtj, Vlh = IlhXRmtj,且Rmtt是圖4 的自旋電子器件的電阻)時，會發生自由層與釘扎層的磁化方向相一致或相反的現象。如 圖5所示，存在閾值電壓隨著施加到自旋電子器件的磁場強度而增加或減少的趨勢。此外， 也改變了增加或減少自旋電子器件的電阻的兩個閾值電壓之間的差異。具體地，施加于自 旋電子器件420的磁場強度越高，則兩個閾值電壓逐漸變得越大，且兩個閾值電壓之間的 間隔逐漸變得越窄。
S卩，當自旋電子器件420進入低電阻狀態時，根據電壓將低電壓
廣施
加于自旋電子器件420，且電容器430開始放電。在此，電容器430的電壓V。(t)在時間域 上表示為下述等式(1)Vc (t) = Vf- (Vf-Vi) e_t/ τ，(t > 0)(1)在等式(1)中，￥ 是電容器430可以充電到的最終電壓，％是電容器430開始充電 的起始電壓，t是時間，且τ是通過將自旋電子器件的電阻Rmtt與電阻R1的并聯合成電阻
乘以電容器430的值得到的時間常數。放電需要的時間從等式(1)推導為Tln 1 +，。
、 Kmtj J
這時，Rmtt處于低電阻狀態。當電容器430的放電電壓達到自旋電子器件420發生從低電阻狀態到高電阻狀態
R
的轉變的閾值電壓Vui時，根據電壓分配定則將高電壓G施加于自旋電子器
(2R )
件，且電容器430開始充電。如上所述，充電需要的時間為Tin 1 + —L，其中Rmtt處于高
、 "-MTJ y
電阻狀態。本振蕩器的振蕩周期T為放電時間+充電時間，且可以表示為下述等式⑵
(2RλΓ = 2τ1η 1 +-- (2)
、 1 / 2(i Aff/(/ow) + ^-MTJ(high)) J自旋電子器件420可以是自身產生磁場的自偏磁器件，且圖7是表示自偏自旋電 子器件的反向磁化的相位圖，其中圖4的自旋電子器件中增加了能夠自身施加磁場而不需 要外加磁場的結構。如圖6所示，在無外加磁場的情況下，即在外部磁場是OOe的情況下， 圖示了兩個閾值電壓。以下描述采用了顯示出圖7的特性并在圖8中表示的自旋電子器件420的振蕩器 的工作原理。施加于自旋電子器件420的電流源的電能產生兩個閾值電壓，所述兩個閾值電壓 分別增加和減少自旋電子器件420的電阻。跨接在自旋電子器件420上的電壓IXRmtt可設于恰當的電壓范圍，在該范圍中， 通過調整作為電源的DC電流源可以使振蕩器工作。通過進行調整，從而對自旋電子器件 420施加稍微高于閾值電SVm的電壓，在該閾值電SVm處發生從高電阻狀態到低電阻狀 態的轉變，從而開始工作。當自旋電子器件420進入低電阻狀態時，低電壓IRMmi。w)施加于自旋電子器件 420，且電容器430開始放電。這時，電容器430的電壓V。(t)在時間域上表示為前述等式 (1)。在該等式中，τ是通過將自旋電子器件的電阻乘以電容器430的值得到的時間常數。
fl + R Λ
放電需要的時間從等式(1)導出為Aw7yC1 In mj。這里，Rmtt處于低電阻狀態。
、丄一 ^MTJ >當電容器430的放電電壓達到閾值電壓Vm時，在所述閾值電壓Vui處，自旋電子器
6件發生從低電阻狀態到高電阻狀態的轉變，高電壓IRimhigh)施加于自旋電子器件420，且電 容器430開始充電。與上述情況不同，充電需要的時間很小。其原因是放電通過Rmtt進行， 但是進行充電時不使用Rto，而是直接從電流源提供電荷。因此，本振蕩器的振蕩周期T為放電時間+充電時間，并可以表示為下述等式 ⑶ 在此，如圖8所示，電源單元可以是提供電流作為電能的電流源800。圖8是采用 電流源800作為電源并配備圖6的器件作為自旋電子器件的自旋電子器件型弛張振蕩器的 電路圖。當施加電流并達到閾值電壓Vm時，降低了自旋電子器件810的電阻與電壓，從而 電容器820放電。當電容器820放電并隨后達到電壓Vm時，增加了自旋電子器件810的電 阻與電壓，從而電容器820充電。相比于傳統的使用晶體管的弛張振蕩器，根據本發明的使用自旋電子器件的上述 弛張振蕩器具有弛張振蕩器的部件的數目小，且弛張振蕩器的電路簡單的優點。此外，相比于通過變化電容器的電容與施加的磁場僅輸出GHz頻帶中的頻率的傳 統自旋扭矩振蕩器，本弛張振蕩器的優點在于能夠使用自旋電子器件的快速反向磁化，在 從很少的幾Hz到GHz區域的寬的頻帶中進行調頻，從而具有寬的應用范圍。此外，弛張振蕩器具有使用反向磁化而非使用自旋進動實現高輸出的優點。盡管為了說明性目的公開了本發明的優選實施例，然而本領域的技術人員應當理 解，在不脫離本發明的由所附權利要求所公開的范圍與精神的情況下，可以進行各種變化、 增加以及替代。
權利要求
一種使用自旋電子器件的弛張振蕩器，其包括電源單元，其配置用于施加電能；自旋電子器件，其配置為被所述電源單元施加的所述電能驅動，并具有隨著磁場強度可變的電壓值；以及電容器，其與所述自旋電子器件并聯，所述電容器配置為當承受所述自旋電子器件的閾值電壓范圍中的最小電壓值時放電，并當承受該閾值電壓范圍中的最大電壓值時充電。
2.如權利要求1所述的弛張振蕩器，其中，所述電源單元是施加電壓作為所述電能的 電壓源。
3.如權利要求2所述的弛張振蕩器，還包括串聯于所述電壓源與所述自旋電子器件之 間的電阻元件，所述電阻元件配置用于將由所述電壓源施加的所述電壓變換到適合驅動所 述自旋電子器件的驅動電壓值。
4.如權利要求1所述的弛張振蕩器，還包括通過對所述自旋電子器件施加磁場以改變 所述自旋電子器件的所述電壓值的電磁鐵。
5.如權利要求1所述的弛張振蕩器，其中，所述自旋電子器件是自身產生磁場的自偏 磁器件。
6.如權利要求1到5的任一項所述的弛張振蕩器，其中，所述電源單元是施加電流作為 所述電能的電流源。
全文摘要
本申請公開了一種使用自旋電子器件的弛張振蕩器。該弛張振蕩器包括電源單元、自旋電子器件以及電容器。電源單元施加電能。自旋電子器件由電源單元施加的電能驅動，并具有隨著磁場強度變化的可變電壓值。電容器與自旋電子器件并聯，并當電容器承受自旋電子器件的閾值電壓范圍中的最小電壓值時放電，并當承受閾值電壓范圍中的最大電壓值時充電。本發明的弛張振蕩器的部件的數目小，且電路簡單，而且能夠使用自旋電子器件的快速反向磁化，在從很少的幾Hz到GHz區域的寬的頻帶中進行調頻，從而具有寬的應用范圍，還具有使用反向磁化而非使用自旋進動實現高輸出的優點。
文檔編號H03K3/45GK101902214SQ20091016279
公開日2010年12月1日 申請日期2009年8月14日 優先權日2009年5月28日
發明者曺永勛, 樸勝永 申請人:韓國基礎科學支援研究院