专利名称：使用自旋电子器件的弛张振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用自旋电子器件实现弛张振荡器的技术。
背景技术：
弛张振荡器使用诸如施密特触发器(Schmitt trigger)或窗口比较器的具有两个 阈值电压的基于晶体管的器件实现，从而实现振荡。如图Ia与Ib所示，施密特触发器具有取决于输出状态的两个不同的阈值电SVu 与VHT。在所述附图中，^是、的函数，+Vsat是正⑴方向的饱和电压，且-Vsat是负㈠ 方向的饱和电压。此外，如图2a与2b所示，施密特触发器可以由单独的晶体管TR构成。这时，必须 满足条件Ra > R。2，且两个阈值电压Vu与Vht用于驱动该触发器。用于通过电容器的充电和放电产生周期性波形的电路称为弛张振荡器。如图3所 示，传统的弛张振荡器是使用施密特触发器ST的方波发生器。在此，假设施密特触发器ST 的输出、是-Vsat，即负㈠方向上的饱和电压，则电容器C以时间常数为RC的指数方式 充电达到+Vsat，即达到正⑴方向上的饱和电压。当υ。达到施密特触发器ST的阈值电压 Vht时，、切换到-Vsat，则电容器C以时间常数为RC的指数方式放电。此外，当υ。达到施 密特触发器ST的阈值电压Vu时，、切换到+Vsat。如上所述，由于电容器C的重复充电和 放电，施密特触发器ST的输出端产生周期性方波。传统的弛张振荡器的问题在于其制造中使用大量诸如晶体管的电子器件，从而造 成其制造成本高、尺寸大且功耗高。此外，使用自旋电子器件的传统的振荡器利用了当施加高于临界电流1. 5 2倍 的电流并施加磁场时在GHz频带中的振荡的特性，在该临界电流处发生反向磁化。这时，存 在自旋电子器件因施加的高电流而容易损坏，并且无论施加多高的电流输出都处于PW级 的低水平的问题。此外，还存在一个问题，即主要在巨磁电阻(Giant Magnetoresistive :GMR)自 旋电子器件中观察到振荡特性，而不能在具有相对差的耐久性的磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction =MTJ)自旋电子器件中观察到振荡特性。此外，从耐久性的角度来看，使用自旋电子器件的传统振荡器难以付诸实用。
发明内容
因此，本发明是考虑到现有技术中出现的上述问题作出的，且本发明的一个目的 是提供使用自旋电子器件的弛张振荡器，其不使用用于传统弛张振荡器的晶体管，从而减少了弛张振荡器的部件的数目并简化了弛张振荡器的电路，因此减少了弛张振荡器的制造 成本与功耗，并使弛张振荡器的体积最小化。此外，本发明的另一目的是提供使用自旋电子器件的弛张振荡器，其能够在从很 少的几Hz到GHz区域的宽的频率范围内进行调频。此外，本发明的另一目的是提供使用自旋电子器件的弛张振荡器，其能够使用反 向磁化实现高输出。为了实现上述目的，本发明提供了使用自旋电子器件的弛张振荡器，其包括电源 单元，其配置用于施加电能；自旋电子器件，其配置为被电源单元所施加的电能驱动，并具 有取决于磁场强度的可变电压值；以及电容器，其与自旋电子器件并联，所述电容器配置为 当承受自旋电子器件的阈值电压范围中的最小电压值时放电，并当承受阈值电压范围中的 最大电压值时充电。在此，电源单元可以是施加电压作为电能的电压源。弛张振荡器还可包括电阻元件，该电阻元件串联于电压源与自旋电子器件之间， 并配置用于将由电压源施加的电压变换到适合自旋电子器件的驱动的驱动电压值。弛张振荡器还可包括电磁铁，该电磁铁通过对自旋电子器件施加磁场以改变自旋 电子器件的电压值。自旋电子器件可以是自身产生磁场的自偏磁器件。电源单元可以是施加电流作为电源的电流源。
从下述结合附图的详细描述中将更清楚地理解本发明的上述与其它目的、特征以 及优点，所述附图中图Ia与Ib分别是表示施密特触发器的基本电路与工作原理的图；图2a与2b分别是表示由单独的晶体管构成的施密特触发器的电路与工作原理的 图；图3是传统的弛张振荡器的电路图；图4是根据本发明的一个实施例的使用自旋电子器件的弛张振荡器的电路图；图5是表示基于图4的自旋电子器件中的磁场强度的电阻对偏压的依赖关系的 图；图6是表示基于图4的自旋电子器件的磁场强度的反向磁化的相位图；图7是表示自偏自旋电子器件的反向磁化的相位图，其中图4的自旋电子器件中 增加了能够自身施加磁场的结构；以及图8是根据本发明的另一实施例的使用自旋电子器件的弛张振荡器的电路图。
具体实施例方式以下参照附图进行说明，在不同的附图中所使用的相同的附图标记指代相同或相 似的元件。在本发明的以下描述中，省略对相关的公知功能或结构的详细描述，以避免使本 发明的要旨不清楚。图4是根据本发明的一个实施例的使用自旋电子器件的弛张振荡器的电路图，图
45是表示基于图4的自旋电子器件中的磁场强度的电阻对偏压的依赖关系的图，且图6是表 示基于图4的自旋电子器件的磁场强度的反向磁化的相位图。图7是表示自偏自旋电子器件的反向磁化的相位图，其中图4的自旋电子器件中 增加了能够自身施加磁场的结构，且图8是根据本发明的另一实施例的使用自旋电子器件 的弛张振荡器的电路图。下面将结合上述附图描述本发明的实施例。图4表示根据本发明的一个实施例的使用自旋电子器件的弛张振荡器。如图4所 示，弛张振荡器包括电源单元400、自旋电子器件420以及电容器430。电源单元400是施加电压以作为振荡电源的电压源。此外，自旋电子器件420被由电源单元400所施加的电能驱动，并具有随着磁场强 度变化的电压值。在此，弛张振荡器还可包括电阻元件以及电磁铁440，所述电阻元件串联于电压源 与自旋电子器件420之间，并配置用于使由电压源施加的电压变换到适合驱动自旋电子器 件的驱动电压，所述电磁铁440配置为通过对自旋电子器件420施加磁场以改变自旋电子 器件的电压值。此外，电容器430并联于自旋电子器件420，且电容器430当自旋电子器件处于阈 值电压范围中的最小电压值时放电，当处于该阈值电压范围中的最大电压值时充电。S卩，如图4所示，在根据本发明的实施例的使用自旋电子器件的弛张振荡器中，提 供电压源作为电源，自旋电子器件420附近布置有能够控制磁场强度的电磁铁440，串联有 能够控制施加于自旋电子器件420的电压的电阻元件410，且并联有能够使用充电和放电 所需的时间控制振荡周期(频率)的电容器430。施加于自旋电子器件420的磁场与电压产生两个阈值电压，所述两个阈值电压分 别增加和减少自旋电子器件的电阻。当电源是DC电压源且电压确定时，通过改变串联于自 旋电子器件的电阻元件410可获得恰当的工作电压范围。这时，通过施加电能并控制电阻 元件410，以对自旋电子器件420施加稍微高于阈值电压Vm的电压(此时发生从高电阻状 态到低电阻状态的转变)，从而开始工作。图5是表示基于图4的自旋电子器件420中的00e、400e、800e以及IOOOe的磁场 强度的电阻对偏压的依赖关系的图。造成电阻状态从高电阻状态改变到低电阻状态或造成 电阻状态反向改变的电压随着磁场在任一方向上改变。在本说明书中，电阻状态的变化称 为“反向磁化”。此外，图6是表示基于图4与5的自旋电子器件420的磁场强度的反向磁 化的相位图。当电流I的强度或跨接在自旋电子器件420上的电压IXRmtt达到足以实现 反向磁化的阈值电流(Im 用于从高电阻状态H到低电阻状态L的转变；Im 用于从低电阻 状态L到高电阻状态H的转变)或阈值电压(VHl = IhlXRmtj, Vlh = IlhXRmtj,且Rmtt是图4 的自旋电子器件的电阻)时，会发生自由层与钉扎层的磁化方向相一致或相反的现象。如 图5所示，存在阈值电压随着施加到自旋电子器件的磁场强度而增加或减少的趋势。此外， 也改变了增加或减少自旋电子器件的电阻的两个阈值电压之间的差异。具体地，施加于自 旋电子器件420的磁场强度越高，则两个阈值电压逐渐变得越大，且两个阈值电压之间的 间隔逐渐变得越窄。
S卩，当自旋电子器件420进入低电阻状态时，根据电压将低电压
广施
加于自旋电子器件420，且电容器430开始放电。在此，电容器430的电压V。(t)在时间域 上表示为下述等式(1)Vc (t) = Vf- (Vf-Vi) e_t/ τ，(t > 0)(1)在等式(1)中，￥ 是电容器430可以充电到的最终电压，％是电容器430开始充电 的起始电压，t是时间，且τ是通过将自旋电子器件的电阻Rmtt与电阻R1的并联合成电阻
乘以电容器430的值得到的时间常数。放电需要的时间从等式(1)推导为Tln 1 +，。
、 Kmtj J
这时，Rmtt处于低电阻状态。当电容器430的放电电压达到自旋电子器件420发生从低电阻状态到高电阻状态
R
的转变的阈值电压Vui时，根据电压分配定则将高电压G施加于自旋电子器
(2R )
件，且电容器430开始充电。如上所述，充电需要的时间为Tin 1 + —L，其中Rmtt处于高
、 "-MTJ y
电阻状态。本振荡器的振荡周期T为放电时间+充电时间，且可以表示为下述等式⑵
(2RλΓ = 2τ1η 1 +-- (2)
、 1 / 2(i Aff/(/ow) + ^-MTJ(high)) J自旋电子器件420可以是自身产生磁场的自偏磁器件，且图7是表示自偏自旋电 子器件的反向磁化的相位图，其中图4的自旋电子器件中增加了能够自身施加磁场而不需 要外加磁场的结构。如图6所示，在无外加磁场的情况下，即在外部磁场是OOe的情况下， 图示了两个阈值电压。以下描述采用了显示出图7的特性并在图8中表示的自旋电子器件420的振荡器 的工作原理。施加于自旋电子器件420的电流源的电能产生两个阈值电压，所述两个阈值电压 分别增加和减少自旋电子器件420的电阻。跨接在自旋电子器件420上的电压IXRmtt可设于恰当的电压范围，在该范围中， 通过调整作为电源的DC电流源可以使振荡器工作。通过进行调整，从而对自旋电子器件 420施加稍微高于阈值电SVm的电压，在该阈值电SVm处发生从高电阻状态到低电阻状 态的转变，从而开始工作。当自旋电子器件420进入低电阻状态时，低电压IRMmi。w)施加于自旋电子器件 420，且电容器430开始放电。这时，电容器430的电压V。(t)在时间域上表示为前述等式 (1)。在该等式中，τ是通过将自旋电子器件的电阻乘以电容器430的值得到的时间常数。
fl + R Λ
放电需要的时间从等式(1)导出为Aw7yC1 In mj。这里，Rmtt处于低电阻状态。
、丄一 ^MTJ >当电容器430的放电电压达到阈值电压Vm时，在所述阈值电压Vui处，自旋电子器
6件发生从低电阻状态到高电阻状态的转变，高电压IRimhigh)施加于自旋电子器件420，且电 容器430开始充电。与上述情况不同，充电需要的时间很小。其原因是放电通过Rmtt进行， 但是进行充电时不使用Rto，而是直接从电流源提供电荷。因此，本振荡器的振荡周期T为放电时间+充电时间，并可以表示为下述等式 ⑶ 在此，如图8所示，电源单元可以是提供电流作为电能的电流源800。图8是采用 电流源800作为电源并配备图6的器件作为自旋电子器件的自旋电子器件型弛张振荡器的 电路图。当施加电流并达到阈值电压Vm时，降低了自旋电子器件810的电阻与电压，从而 电容器820放电。当电容器820放电并随后达到电压Vm时，增加了自旋电子器件810的电 阻与电压，从而电容器820充电。相比于传统的使用晶体管的弛张振荡器，根据本发明的使用自旋电子器件的上述 弛张振荡器具有弛张振荡器的部件的数目小，且弛张振荡器的电路简单的优点。此外，相比于通过变化电容器的电容与施加的磁场仅输出GHz频带中的频率的传 统自旋扭矩振荡器，本弛张振荡器的优点在于能够使用自旋电子器件的快速反向磁化，在 从很少的几Hz到GHz区域的宽的频带中进行调频，从而具有宽的应用范围。此外，弛张振荡器具有使用反向磁化而非使用自旋进动实现高输出的优点。尽管为了说明性目的公开了本发明的优选实施例，然而本领域的技术人员应当理 解，在不脱离本发明的由所附权利要求所公开的范围与精神的情况下，可以进行各种变化、 增加以及替代。
权利要求
一种使用自旋电子器件的弛张振荡器，其包括电源单元，其配置用于施加电能；自旋电子器件，其配置为被所述电源单元施加的所述电能驱动，并具有随着磁场强度可变的电压值；以及电容器，其与所述自旋电子器件并联，所述电容器配置为当承受所述自旋电子器件的阈值电压范围中的最小电压值时放电，并当承受该阈值电压范围中的最大电压值时充电。
2.如权利要求1所述的弛张振荡器，其中，所述电源单元是施加电压作为所述电能的 电压源。
3.如权利要求2所述的弛张振荡器，还包括串联于所述电压源与所述自旋电子器件之 间的电阻元件，所述电阻元件配置用于将由所述电压源施加的所述电压变换到适合驱动所 述自旋电子器件的驱动电压值。
4.如权利要求1所述的弛张振荡器，还包括通过对所述自旋电子器件施加磁场以改变 所述自旋电子器件的所述电压值的电磁铁。
5.如权利要求1所述的弛张振荡器，其中，所述自旋电子器件是自身产生磁场的自偏 磁器件。
6.如权利要求1到5的任一项所述的弛张振荡器，其中，所述电源单元是施加电流作为 所述电能的电流源。
全文摘要
本申请公开了一种使用自旋电子器件的弛张振荡器。该弛张振荡器包括电源单元、自旋电子器件以及电容器。电源单元施加电能。自旋电子器件由电源单元施加的电能驱动，并具有随着磁场强度变化的可变电压值。电容器与自旋电子器件并联，并当电容器承受自旋电子器件的阈值电压范围中的最小电压值时放电，并当承受阈值电压范围中的最大电压值时充电。本发明的弛张振荡器的部件的数目小，且电路简单，而且能够使用自旋电子器件的快速反向磁化，在从很少的几Hz到GHz区域的宽的频带中进行调频，从而具有宽的应用范围，还具有使用反向磁化而非使用自旋进动实现高输出的优点。
文档编号H03K3/45GK101902214SQ20091016279
公开日2010年12月1日 申请日期2009年8月14日 优先权日2009年5月28日
发明者曺永勋, 朴胜永 申请人:韩国基础科学支援研究院