Spintronic devices for wireless communication,memory, and analog applications
Kablosuz haberleşme, hafıza, ve analog uygulamalar için spintronik aygıtlar
- Tez No: 629126
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL SERDAR ÖZOĞUZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Son on yılda spintronik elemanlar, bellek, analog devre tasarımında, ve kablosuz iletişim alanlarındaki güncel uygulamalarda önemli sınırlamaları olan CMOS teknolojisinin yerini alabilecek aday bir teknoloji olarak karşımıza çıkmıştır. Spintronik elemanın manyetik durumun geleneksel elemanlara göre çok daha az enerji ile değiştirilebilir olmasının hız verdiği araştırmalarla, bu elemanın yukarıdaki uygulamalarda nasıl kullanılabileceğini gösteren yeni yöntemler geliştirilmiştir. Ferromagnetin spin-tork anahtarlaması, bellek, analog ve kablosuz iletişim uygulamaları için çok yararlı bir özellik olarak kabul edilmektedir. Bununla birlikte, hala spin-tork cihazlarının bu uygulamalar için daha etkin nasıl kullanılabileceğini gösteren yeni araştırmalara ihtiyaç bulunmaktadır. Literatürde spintronik elemanların bellek, ayarlanabilir direnç, ve osilatör uygulamalarında, manyetik tünel jonksiyonun spin tork anahtarlama modeli için çeşitli modeller ve devre tasarım teknikleri önerilmiştir. Bu tezde, bellek, analog ve kablosuz iletişim alanlarına yönelik olarak spintronik cihazların matematiksel modellemesi ve olası uygulamaları incelenmiştir. Temel olarak bu uygulamalarda, ofset iptali, BER performansının iyileştirilmesi ve faz gürültüsünün azaltılması için yeni devre teknikleri önerilmiştir. Bu tezde sunulan çalışmalar özet olarak: Bölüm 1 Bu tezin motivasyonu ve araştırma katkıları bu kısımda derlenmiştir. Bölüm 2 Spintronik aygıtların iyi anlaşılması için, manyetik teoremler açıklanmıştır. Spintronik aygıtların kapsamlı bir şekilde anlaşılması, manyetik malzemelerin fiziksel prensipleri hakkında kapsamlı bir bilgiye dayanır. Bu bölümde, elektromanyetik teoremlerin önemli sonuçlarının bir özetini ve bu tür aygıtların anahtarlama sistemleri için ilgili manyetik teorilerin bir özeti sunulmuştur. Sonuç olarak, bu manyetik bilgi temeli üzerine spintronik aygıtların modellenmesi incelenmiştir. Bölüm 3: analog devre uygulaması Yeni nesil devre elemanı olarak memristörler bir analog uygulamada ilk önce değişken kazan kuvvetlendirici yapısında kullanılmıştır. Ancak memristörleri düşük gerilim seviyelerinde çalıştırmak zordur. Spintronik devre elemanları düşük gerilim seviyelerinde çalıştırılabilir ve ilk uygulama olarak bir işlemsel geçişiletkenliği kuvvetlendirici (OTA) yapısında yerleşme zamanı kompanzasyonu için ayarlanabilir direnç olarak kullanılmıştır. Çünkü spintronik aygıtların çoklu hücresel fabrikasyonu düşük maliyetli olduğu ve CMOS teknolojisine entegrasyonu tasarım alanı verimliliği sağladığı için, analog uygulamalarda tercih edilmektedir. Bu bölümde spintronik aygıtlar pratik programlanabilir direnç olarak bir analog uygulama yapısında gerçeklenmiştir. Bu aygıtların programlanabilir direnç uygulaması, spin tork anahtarlama mekanizması yardımıyla gerçekleştirilir. Ayrıca, bir spintronik aygıtın direnci uygulanan darbe gerilim kaynağının darbe genişliğine ve uygulanan kutuplama akımın yönüne bağlıdır. Bu amaçlanan ayarlanabilir direnç yapısı karşılaştırıcı yapısında ön kuvvetlendiri ofsetinin azaltılması için uygulanmıştır. Çok hücreli spintronik aygıtlarin üretimi ucuz olduğundan, bu ofset azaltma yöntemi düşük maliyetli bir tasarımdır. Bu amaçlanan programlanabilir direnç yapısında, spintronik aygıtların direnç değeri sapmalarını azaltmak için bu aygıtlar birbirlerine seri olarak bağlanmıştır. Bölüm 4: bellek uygulaması Modern yüksek hızlı sayısal sistemlerde yonga önbelleği olarak statik rastgele erişim belleği (SRAM) kullanılır. Bununla birlikte, CMOS teknoloji nodu küçüldükçe, SRAM'ın statik enerji tüketimi artar. Yeni teknoloji bellek elemanları, SRAM'ın yerini almak için geliştirilmektedir. Bunlar arasında rastgele manyetik bellek elemanları (STT-MRAM) özellikle caziptir. STT-MRAM' in avantajları arasında: CMOS tasarım uyumluluğu, hızlı okuma ve yazma işlevselliği, ve dayanıklılığı yüksektir. Bir STT-MRAM'in ana bellek işlemleri yazma ve okumadır. Bu işlemler arasında bellek hücresi akımı açısından bir ödünleşim vardır. Yazma işlemleri için daha düşük hücre akımları tercih edilir, ancak okuma işlemleri için daha yüksek hücre akımları tercih edilir. Aygıt geliştirme seviyesindeki araştırmalar, manyetik tünel jonksionu (MTJ) anahtarlama akımını yazma operasyonlarında azaltmayı ve devre seviyesindeki araştırmalar bit hata oranı (BER) performansını bu bellek elemanının okuma operasyonlarında arttırmayı amaçlamaktadır. Bu tezde bellek uygulamasında, STT-MRAM yapısında okuma işlemlerini iyileştirmek için çeşitli devre tasarım teknikleri sunulmuştur. Akım algılama kuvvetlendiricisine ve gerilim algılama kuvvetlendiricisine dayanan yaygın olarak kullanılan iki algılama şeması karşılaştırılmıştır. Düşük dirençli alanlarda yüksek tünelleme direnci (TMR) sağlayan MTJ ile yapılandırılmış STT-MRAM için tasarlanmış sezme şemalarının temel sınırlamaları araştırılmıştır. Sonuç olarak, tek bir referans MTJ hücresi ile önerilen algılama şeması, yüksek hızlı ve düşük güçlü STT-MRAM okuma işlemleri için iyi bir çözüm sunmaktadır. Önerilen algılama şeması, veri ve referans hücrelerinin direnç varyasyonlarına ve latch deki parazitik kapasitanslara daha az duyarlıdır. Önerilen tasarım, literatürdeki benzerlerine kıyasla hızlı okuma, BER performansı, ve güç tüketimini açısından daha iyi bir çözüm sunmaktadır. Bölüm 5: kablosuz haberleşme uygulaması Nano aygıt araştırmaları, frekans sentezleyicilerinin indükleyici olmadan tasarımı açısından büyük önem taşımaktadır. Araştırmacılar, yeni nesil frekans sentezleyici için yeni grafen tabanlı cihazlar ve spintronik cihaz teknolojileri üzerinde aygıt araştırmalarına ağırlık vermektedirler. Spintronik osilatör teknolojisindeki son gelişmeler, küçük çip boyutu (100 nm veya daha küçük çaplı), kompaktlığı, CMOS işlem uyumluluğu, yüksek çalışma frekansları, gelecekteki kablosuz iletişim ve ayrıca milimetre kablosuz iletişiminde yani 65 GHz'in üzerinde frekanslarda çalışabiliyor olması nedeniyle bu osilatör teknolojisi önem arzetmektedir. Çoklu RF vericileri özellikle VCO'lar yapılarındaki LC tabanlı osilatörler nedeniyle çok fazla alan kaplamaktadırlar. Bu nedenle spintronik osilatörlerin çoklu RF vericisinde uygulaması, LC tabanlı bir VCO'dan kompakt alan tasarım açısından daha caziptir. Bununla birlikte, STO'ların bazı ana dezavantajları vardır. Bunlar, düşük çıkış gücü, düşük frekans çözünürlüğü ve doğrusal olmayan genlik-faz kuplajıdır. Bu aygıt araştırmalarında, bu dezavantajların çözümüne odaklanılmıştır. Kablosuz uygulamada, spintronik osilatör tabanlı frekans sentezleyici yapısı tasarlanmıştır. Bu tezde geliştirilen devre teknikleri spintronik osilatörün spektral çözünürlüğünü geliştirmeye odaklanmıştır. Sonuç olarak, spintronik osilatörün spektral çözünürlüğü iyileştirilmiştir. Entegre devre yaklaşımındaki spintronik osilatörün faz gürültü seviyeleri, bu araştırma alanındaki gelecekteki çalışmalar için simülasyon sonuçlarıyla belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
In the last decade, spintronic elements have emerged as a candidate technology to replace CMOS technology, which has significant limitations in state-of-the-art applications, such as memory, analog signal processing, and wireless communication system realizations. New methods have emerged to show how the spintronic devices can be used in the above applications by investigations triggered by the fact that the magnetic state can be changed with much less energy than conventional CMOS devices. Ferromagnet spin-torque switching is considered a very beneficial feature for memory, analog, and wireless communication applications. However, new research is still needed to demonstrate how spin-torque devices can be used more effectively for these applications. Various models and circuit design techniques have been proposed in the literature to apply spin-torque phenomena to magnetic tunnel junctions: working as a memory, a variable resistance, and an oscillator. In this thesis, compact modeling and possible applications of spintronic devices are considered for memory, analog, and wireless communication areas. New circuit techniques have been introduced to improve offset, BER performance, and phase noise performance in the specified applications of the spin devices. In the introductory chapter of the thesis, the dissertation's motivation and contribution are discoursed. In Chapter 2, the modeling of spintronic devices is described by providing essential information about magnetic theories. In Chapter 3, the spintronic analog application is represented. The operating this device as a programmable resistor in this application area to cancel the offset of the comparator is useful in terms of cost-efficient design because the multi-cell fabrication of the MTJs is cheap. The underlying principle of the proposed approach is that the resistance of the MTJ varies with the duty-cycle of the applied pulse voltage source. In chapter 4, the memory application of spintronic devices is presented. The circuit design techniques for the STT-MRAM are mainly motivated to enhance bit error rate (BER) performance in the reading operation of the STT-MRAM cells. The circuit techniques on the sensing schemes that are the current sense amplifier and the voltage sense amplifier are studied. The main limitations of sensing schemes for STT-MRAM structured with MTJ providing high TMR in low resistance area product are reviewed. Consequently, the proposed sensing scheme with a single reference MTJ cell can be a good solution for high-speed and low-power read operations of the STT-MRAM cells. It is important to note that the proposed sensing scheme is also less sensitive to the resistance variations of the data and reference cells, and parasitic capacitances in the latch. As a result, the proposed design has a substantial advantage in sensing speed, BER performance, and power consumption compared to its counterparts in the literature. In Chapter 5, the spintronic wireless applications are discussed. Researchers have pursued a new generation frequency synthesizer by employing emerging nanodevices such as based on graphene and spintronic device technologies. A literature survey immediately indicates that the use of spintronic devices in the realization of inductorless frequency synthesizers. Recent technological advances in spintronic oscillator technology make it a promising candidate for this implementation, due to its small chip size (100 nm or less in diameter), compactness, compatibility with CMOS processes, high tunability, and operation frequencies beyond 65 GHz for future wireless communication and further millimeter-wave applications. The spin torque oscillator (STO) can be superior to an LC tank–based voltage controlled oscillator (VCO) toward in next-generation re-configurable wireless applications because using multiple VCOs is not a power-friendly approach. However, STOs suffer from the main drawbacks: low output power, low-frequency resolution, and nonlinear amplitude-phase coupling. In the field of spintronics device research, researchers have focused on improving these shortcomings. The limited spectral purity of the device that arises from a significant issue in this application mainly can be improved by applying a new device design technique. Finally, detailed simulation results indicating the potential usefulness of this device in the next generation wireless transmitters are provided.
Benzer Tezler
- Current-driven generation and stabilization of magnetic skyrmions
Manyetik skyrmionların akım-sürümlü üretimi ve stabilizasyonu
CANER DEĞER
Doktora
İngilizce
2019
Fizik ve Fizik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. İLHAN YAVUZ
DOÇ. DR. FİKRET YILDIZ
- Magnetic anisotropy control in rare earth iron garnet thin films for spintronic devices and all-optical ultrafast manipulation of magnetization
Spintronik uygulamaları için nadir toprak demir garnet ince filmlerde manyetik anizotropi kontrolü ve tam optik ultra hızlı manyetizma kontrolü
SAEEDEH MOKARIAN ZANJANI
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET CENGİZ ONBAŞLI
- Spintronic properties of carbon and silicon based nanostructures
Karbon ve silikon tabanlı nanomalzemelerin spintronik özellikleri
ENGİN DURGUN
Doktora
İngilizce
2007
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. SALİM ÇIRACI
- Polarized neutron scattering on the magnetization reversible of the multiferroic spinel CoCr2O4
Tersinir manyetize multiferroik spinel CoCr2O4'ün polarize nötron saçılması
UGUR MERT ULUTANIR
- Spintronik uygulamaları için germanyum bazlı manyetik nanotellerinin geliştirilmesi
Development of germanium based magnetic nanowires for spintronic applications
İLKNUR GÜNDÜZ AYKAÇ
Doktora
Türkçe
2020
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LEYLA ÇOLAKEROL ARSLAN