Слоистые ферритовые пластины.

Эти пластины представляют собой многослойные ферритовые структуры с системой проводников, расположенных между слоями. На одну тонкую ферритовую пластину наносится система параллельных проводников, образующих координату Х, а на другую пластину – система проводников, образующих координату Y. Между этими пластинами помещается третья, тонкая ферритовая пластина, служащая носителем информации и изолирующей прослойкой между проводниками.

 

 

Небольшой объем магнитного материала, находящийся на пересечении проводников, образует запоминающую ячейку, эквивалент магнитного сердечника.

 

 

Тонкие магнитные пленки.

Если толщину магнитного покрытия уменьшить до размеров одного магнитного домена, то получим так называемую тонкую магнитную пленку однодоменную по толщине. В этом случае преобладающем процессом перемагничивания будет однородное (когерентное) вращение, при котором магнитные моменты одновременно поворачиваются в направлении поля. Происходит этот процесс за время ~10^-9с и является, по-видимому, самым быстротекущим процессом перемагничивания. Т.о. магнитные пленки способны обеспечить значительное повышение быстродействия магнитных ЗУ.

Магнитные пленки характеризуются ярко выраженной магнитной анизотропией, которая определяется наличием в магнитной пленке двух осей намагничивания: ось легкого намагничивания (ОЛН), вдоль которой стремится установиться вектор намагниченности тонкой пленки, и ось трудного намагничивания (ОТН) перпендикулярная оси легкого намагничивания. При перемагничивании по ОЛН необходимо затратить небольшую энергию, а при перемагничивании по ОТН затраты энергии значительно больше.

По конструкции тонкие магнитные пленки подразделяются на плоские и цилиндрические. Первые наносятся на плоские поверхности, а вторые на цилиндрические. Устройство памяти на магнитных пленках представляет собой совокупность тонких пятен круглой или прямоугольной формы, образующих матрицу тонкопленочных элементов. Такая матрица изготавливается методами интегральной технологии одновременно с шинами проводников перпендикулярных друг другу. Т.о. тонкий магнитный элемент переключается взаимно перпендикулярными полями. Запись информации осуществляется одновременной подачей двух импульсов тока, магнитные поля которых перпендикулярны друг другу. Адресный ток создает поле, направленное вдоль ОТН, а разрядный ток – направлен вдоль ОЛН.

 

 

Устройства памяти на основе управляемого движения магнитных доменов.

Дальнейшие попытки повышения плотности размещения информации привели к использованию для хранения информации отдельных магнитных доменов. В сплошной магнитной среде, намагниченной в одном направлении, для фиксации информации создаются отдельные домены, намагниченные в обратном направлении. Таким образом создается физически однородная информационная среда, в которой переработка и хранение информации осуществляется в результате перемещения и взаимодействия доменов.

В настоящее время существуют два типа магнитной запоминающей среды на подвижных доменах: тонкие магнитные пленки с плоскими магнитными доменами (ПМД) и магнитные (или аморфные) пленки с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД).

 

Плоские магнитные домены.

В тонкой пленке из высокоэрцитивного материала создаются узкие низкоэрцитивные каналы. Ширина канала выбирается столь малой, что в нем помещается только один домен. Вся пленка намагничивается в одном направлении, а информация фиксируется в пределах канала в виде доменов обратной намагниченности. Каждый такой домен окружен областью намагниченности первоначального направления и, следовательно, изолирован от соседних доменов. Емкость ЗУ на плоских магнитных доменах достигает нескольких мегабит.

 

Цилиндрические магнитные домены.

Тонкие пленки из некоторых магнитных материалов имеют единственную ось легкого намагничивания (ОЛН), расположенную перпендикулярно плоскости магнитного слоя. При отсутствии внешнего магнитного поля в них наблюдаются доменные образования (самопроизвольная, спонтанная намагниченность) в виде извилистых полос с противоположным направлением намагниченности.

Если на пленку нанести магнитный порошок, то будут видны так называемые полосы Битера-Акулова, а если пленку поместить в слабое магнитное поле, то наблюдается эффект Барк–Гаузена – скачки технической намагниченности. Площади этих образований равны (из условия минимума свободной энергии), поэтому результирующая намагниченность отсутствует. Если на такую пленку воздействовать магнитным полем, направленным вдоль ОЛН, т.е. перпендикулярным пленке, то домены, намагниченность которых противоположна направлению поля, сокращаются и при некоторой напряженности поля приобретают форму цилиндров, пронизывающих пленку сверху донизу. Такая форма доменных образований получила название цилиндрические магнитные домены (ЦМД).

При дальнейшем увеличении напряженности внешнего поля размеры ЦМД уменьшаются, сжимаются и наконец исчезают при некоторой Н_кр критической напряженности внешнего поля и тогда пленка оказывается однородно намагниченной вдоль поля. Т.о. если внешнее поле однородно, то при изменении его напряженности ЦМД расширяется или сжимается, но центр ее неподвижен. Если же внешнее поле неоднородно, то появляется сила, противоположная градиенту поля, которая смещает ЦМД в область с меньшей напряженностью поля и при этом размеры домена увеличиваются, а энергия домена убывает.

 

 

Чтобы домен пришел в движение изменение ∆H напряженности внешнего поля должно стать больше стартовой напряженности:

Чем меньше коэрцитивная сила Н_с, тем слабее может быть стартовое поле (~20А/см). Скорость движения доменов может достигать нескольких метров в секунду. Диаметр ЦМД – несколько микрометров. Скорость передачи информации определяется произведением средней скорости доменов на линейную плотность записи. Например, пусть диаметр ЦМД равен 2мкм и расстояние между доменами равно 3 мкм, а скорость доменов 10 м/сек, тогда скорость передачи информации равна:

 

.

Изолированные ЦМД обладают многими свойствами заряженных частиц и поэтому могут рассматриваться как носители информации. Их можно контролируемо создавать, перемещать с высокой скоростью, регистрировать и, наконец, уничтожать, осуществляя таким образом соответственно, ввод (запись), передачу, считывание и стирание информации. Наличие или отсутствие в данной точке магнитной пленки ЦМД эквивалентно «1» или «0» двоичного кода. Такая запись информации напоминает запись на магнитной ленте, однако имеется одно существенное отличие и преимущество – магнитная картина, образованная совокупностью ЦМД, движется внутри неподвижной пленки.

Для записи информации используются генераторы доменов – устройства, обеспечивающие в нужные моменты времени создание ЦМД и ввод их в информационный канал.

Считывание информации в доменных устройствах может быть осуществлено обычными методами – с использованием электромагнитной индукции. Индукционные считывающие устройства (датчики) выполняются в виде петли проводника, наносимой на поверхность пленки в нужном месте канала распространения. При прохождении ЦМД в петле наводится ЭДС, пропорциональная магнитному потоку рассеяния домена и скорости его перемещения. Индуктивный метод позволяет считывать информацию со скоростью 10⁶[бит/сек], однако получаемая ЭДС не превышает сотен микровольт.

Повысить уровень выходного сигнала до нескольких милливольт удается при считывании с использованием гальваномагнитных эффектов, в частности, эффекта Холла и магниторезистивного эффекта.

Если на поверхность магнитной пленки наложить проводник и пропустить по нему ток, то проходящий под ним домен охватит его своим магнитным полем перпендикулярным к направлению тока. На проходящие по проводнику электроны начнет действовать сила Лоренца

F=q∙v∙B,
где q – величина движущегося заряда;

V – скорость перемещения заряда;

B – магнитная индукция поля, создаваемого магнитным доменом.

Под действием силы Лоренца электроны отклоняются в определенную сторону, а на противоположной стороне проводника скапливаются положительные заряды. Т.о. между поверхностями проводника создается электрическое поле, препятствующее отклонению электронов магнитным полем проходящего домена. Разность потенциалов при эффекте Холла равна:

,
где I – сила тока;

d – линейный размер проводника в направлении вектора индукции В,

R – постоянная Холла.

На практике сигнал воспроизведения чаще формируется с помощью детекторов, построенных на основе магниторезистивного эффекта.

Чувствительный элемент такого детектора представляет собой проводник, наложенный на тонкую магнитную пленку, выполненный, например, из пермаллоя. При попадании такого проводника в магнитное поле домена сопротивление проводника изменяется, что регистрируется далее мостовыми измерительными схемами.

Магнетосопротивление (магниторезистивный эффект) – изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Впервые эффект был обнаружен в 1856г. Уильямом Томсоном. В общем случае можно говорить о любом изменении тока через образец при том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением. Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает этот эффект и вещество переходит в нормальное состояние, в котором наблюдается сопротивление. В нормальных металлах эффект магнетосопротивления выражен слабее. В полупроводниках относительное изменение сопротивления может быть в 100—10 000 раз больше, чем в металлах, и может достигать сотен тысяч процентов.

Магнетосопротивление вещества зависит и от ориентации образца относительно магнитного поля. Это связано с тем, что магнитное поле не изменяет проекцию скорости частиц на направление магнитного поля, но благодаря силе Лоренца закручивает траектории в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Это объясняет, почему поперечное поле действует сильнее продольного.

Качественно понять это явление можно, если рассмотреть траектории положительно заряженных частиц (например, дырок) в магнитном поле. Пусть через образец проходит ток j вдоль оси X. Частицы обладают тепловой скоростью или, если дырочный газ вырожден, то средняя скорость частиц равна фермиевской скорости (скорости частиц на уровне Ферми), которые должны быть много больше скорости их направленного движения (дрейфа). Без магнитного поля носители заряда движутся прямолинейно между двумя столкновениями.

Во внешнем магнитном поле B (перпендикулярном току) траектория будет представлять собой в неограниченном образце участок циклоиды длиной l (длина свободного пробега), и за время свободного пробега (время между двумя столкновениями) вдоль поля E частица пройдет путь меньший, чем l, а именно

Поскольку за время свободного пробега τ частица проходит меньший путь вдоль поля E, то это равносильно уменьшению дрейфовой скорости, или подвижности, а тем самым и проводимости дырочного газа, то есть сопротивление должно возрастать. Разницу между сопротивлением при конечном магнитном поле и сопротивлением в отсутствие магнитного поля принято называть магнетосопротивлением.

Также удобно рассматривать не изменение полного сопротивления, а локальную характеристику проводника — удельное сопротивление в магнитном поле ρ(B) и без магнитного поля ρ(0). При учете статистического разброса времен (и длин) свободного пробега, получим

∆ ρ(B)= ρ(B) - ρ(0) = ρ(0) ,

где μ — подвижность заряженных частиц, а магнитное поле предполагается малым: μB<<1. Это приводит к положительному магнетосопротивлению. В трёхмерных ограниченных образцах на боковых гранях возникает разность потенциалов благодаря эффекту Холла, в результате чего носители заряда движутся прямолинейно, поэтому магнетосопротивление с этой точки зрения должно отсутствовать. На самом деле оно имеет место и в этом случае, поскольку холлово поле компенсирует действие магнитного поля лишь в среднем, как если бы все носители заряда двигались с одной и той же (дрейфовой) скоростью. Однако скорости электронов могут быть различны, поэтому на частицы, движущиеся со скоростями, большими средней скорости, магнитное поле действует сильнее, чем холлово. Наоборот, более медленные частицы отклоняются под действием превалирующего холлова поля. В результате разброса частиц по скоростям уменьшается вклад в проводимость быстрых и медленных носителей заряда, что приводит к увеличению сопротивления, но в значительно меньшей степени, чем в неограниченном образце

 

Считывание информации в доменных устройствах может также производиться с использованием магнитооптических явлений, в частности, эффекта Фарадея и эффекта Керра.

Известно, что при прохождении светового луча через так называемые оптически активные вещества (некоторые кристаллы и многие чистые жидкости, газы) плоскость поляризации световой волны поворачивается (в твердых телах) на угол:

ζ=α∙d,

где α - удельное вращение, зависящее от рода вещества, температуры и длины световой волны;

d – длина пути светового луча в теле.

Некоторые оптически неактивные вещества приобретают активность, т.е. способность вращать плоскость поляризации света, под действием магнитного поля, направленного вдоль светового луча. Это явление называется эффектом Фарадея. В этом случае плотность поляризации поворачивается на угол:

ζ=V∙d∙B,

В – индукция магнитного поля,

d – длина пути света в веществе;

V – постоянная Верде (удельное магнитное вращение), зависящая от природы вещества, температуры, длины волны света.

Такие вещества используются в чувствительных элементах детекторов воспроизведения информации доменных ЗУ. В чувствительных элементах детекторов могут использоваться вещества, в которых наблюдается эффект Керра или эффект Коттона – Мутона. Суть этих эффектов сводится к двойному преломлению светового луча под действием внешнего магнитного поля, направленного вдоль луча. (Подробно рассмотрим позже.) Однако, поскольку эффект Фарадея является результатом взаимодействия электромагнитного излучения со всей массой вещества, то он проявляется гораздо сильнее эффекта Керра и эффекта Коттона – Мутона и позволяет получить значительно больший уровень сигналов при считывании. Поэтому целесообразно использовать в детекторах метод считывания, основанный на эффекте Фарадея. Достоинство оптических детекторов – отсутствие электрических контактов и высокая разрешающая способность.

Системы памяти на ЦМД отличают высокая плотность размещения информации, что позволяет реализовать достаточно емкие, быстродействующие и малогабаритные ЗУ, малой энергоемкости и низкой стойкости.

 

 

Атомная память.

Увеличить плотность записи информации – вот задача, над которой бьется множество исследовательских групп во всем мире. Свой вариант память с очень высокой плотностью записи информации предложили американские и швейцарские ученые.

Еще в 1959 году Ричард Фейнман заявил, что содержимое всех книг на Земле может уместиться в кубике с гранью 1/200 дюйма. Он предполагал, что для хранения одного бита информации можно использовать 5 x 5 x 5=125 атомов. Позднее выяснилось, что для хранения одного бита в молекуле ДНК используется 32 атома. Предположение Фейнмана оказалось очень близким к плотности записи, которую удалось добиться недавно американским и швейцарским ученым.

Первая демонстрация одноатомной памяти была выполнена специалистами IBM пятнадцать лет назад, когда они выложили отдельными атомами название своей фирмы. Фотография этой надписи облетела весь мир. Однако для настоящей памяти необходимо регулярное расположение атомов и их прочное закрепление на местах. Теперь удалось добиться и этого.

На поверхность кремния наносится монослой золота. В результате последующего отжига на поверхности образуется регулярная структура с периодом 5 x 2 атомов кремния. Внешне структура выглядит как канавки, на вершинах которых располагаются вакансии для атомов кремния. Вакансии образуют регулярную решетку с ячейкой 4 x 5=20 атомов. Бит информации – это наличие (1) или отсутствие (0) атома кремния на вакансии. В равновесных условиях степень заполнения вакансий близка к 50%, что видно на рис. 1а и 1с (изображения получены с помощью сканирующего туннельного микроскопа). Заполнение вакансий можно довести до 90% при дополнительном распылении кремния (рис. 1b и 1d). Исходным является состояние памяти, когда все вакансии заняты. Запись заключается в удалении атомов с определенных вакансий. Это можно сделать двумя способами: либо подводить острие сканирующего туннельного микроскопа вплотную к атому, и тогда он перескакивает на острие в результате химической десорбции, либо подавать на острие напряжение –4В длительностью 30мкс. Надежность удаления атома с использованием первого метода составляет 98%, надежность второго метода гораздо ниже.

Энергия активации вакансий составляет 1.2эВ, что обеспечивает хранение информации при комнатной температуре в течение 2-3 лет. Атомная память обладает плотностью записи свыше 10⁵Гбит/дюйм², что значительно превышает возможности магнитной памяти - 10²Гбит/дюйм². Однако атомная память очень сильно проигрывает в скорости считывания: 10²бит/с по сравнению с 10⁹бит/с у магнитной памяти.