スピン素子を使用した弛緩発振器

【課題】スピン素子を使用した弛緩発振器を提供する。
【解決手段】弛緩発振器は、電源を印加する電源部と、該電源部から印加される電源によって駆動されるスピン素子と、該スピン素子に並列に連結されるキャパシタとを含む。スピン素子は、磁場の強さによって可変な可変電圧値を有する。キャパシタは、前記スピン素子が臨界電圧範囲の最小電圧値を有すると放電し、スピン素子が前記臨界電圧範囲の最大電圧値を有すると充電する。従って弛緩発振器は、製作に必要な部品の個数が少なくて回路が単純化され、製造費用と消費電力が少ない。よって弛緩発振器は、広範囲な周波数帯域の調節が可能で活動範囲が広く、磁化反転を使用することによって高出力が可能であるという効果がある。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、スピン素子を使用することによって弛緩発振器を具現するための技術に関する。
【背景技術】
【0002】
弛緩発振器は、発振のためにシュミットトリガ(Schmitt trigger)やウィンドウ比較器のような二つの臨界電圧が存在するトランジスタ基盤の装置に具現される。
【0003】
シュミットトリガは、図1に示すように、出力状態によって互いに異なる2個の臨界電圧(VLT、VHT)を有する。ここでυは、υの関数である。+Vsatは、+方向の飽和電圧であり、−Vsatは、−方向の飽和電圧を示す。
【0004】
またシュミットトリガは、図2に示すように、個別トランジスタ(TR)で構成できる。ここでRC1>RC2という条件が必要であり、二つの臨界電圧VLT、VHTによって駆動される。
【0005】
キャパシタの充電、放電によって周期波形を発生させる回路を、弛緩発振器という。従来の弛緩発振器は、図3に示すように、前記のようなシュミットトリガSTを使用した矩形波発生器である。ここでシュミットトリガSTの出力υを、−方向の飽和電圧である−Vsatと仮定すると、キャパシタCは、+方向の飽和電圧である+Vsatに向けて指数的に時定数RCを有するように充電する。キャパシタCの電圧υが、シュミットトリガSTの高臨界電圧VHTに到達すると、υは−方向の飽和電圧である−Vsatにスイッチングされ、キャパシタCは、指数的に時定数RCを有するように放電する。またキャパシタCの電圧υが、シュミットトリガSTの低臨界電圧VLTに到達すると、υは+方向の飽和電圧である+Vsatにスイッチングされる。このように、キャパシタCの充電と放電の反復によって、シュミットトリガSTの出力に周期的矩形波が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】米国特許出願公開第2006/0277498号明細書
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】Shehzaad Kaka等,Nature,2005年,第437巻,389−392頁
【非特許文献2】D.HOUSSAMEDDINE等,Nature materials,2007年,第6巻,447−453頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
従来の弛緩発振器は、製作のために使用されるトランジスタなどの電子素子が多くて製造費用が多くかかり、体積大きく、電力消費が多いという問題点があった。
また従来のスピン素子発振器は、磁化反転を発生する臨界電流よりも1.5倍から2倍以上の高い電流と磁場を印加する時、GHz帯域で発振する特性を使用した。ここで印加される高い電流に起因してスピン素子が損傷する虞がある。また、高い印加電流にもかかわらず出力はpW(ピコワット)水準であり、非常に低いという問題点があった。
【0009】
またこのような発振特性は、巨大磁気抵抗素子(GMR)型スピン素子でのみ主に観察され、相対的に耐久性が弱い磁気トンネル接合(MTJ)型スピン素子は、発振特性を観察しにくい問題点があった。
【0010】
更に、従来のスピン素子を使用した発振器は、耐久性の観点でも実用に困難があった。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の目的は、上述したような課題を解決するために案出されたものであり、既存の弛緩発振器に使用されるトランジスタを使用しないので部品の個数が少なくて、回路が単純化されて製作費用と電力が少なくなり、体積が小さな、スピン素子を使用した弛緩発振器を提供することにある。
【0012】
また本発明の目的は、非常に低いHzからGHz領域にまで至る広範囲な周波数帯域の調節が可能な、スピン素子を使用した弛緩発振器を提供することにある。
また本発明の目的は、磁化反転を使用することによって高い出力が可能な、スピン素子を使用した弛緩発振器を提供することにある。
【0013】
上述したような目的を達成するため、本発明による弛緩発振器は、電源を印加する電源部と、該電源部から印加される電源によって駆動されるスピン素子と、該スピン素子に並列に連結されるキャパシタとを含む。スピン素子は、磁場の強さによって可変する電圧値を有する。キャパシタは、前記スピン素子が臨界電圧範囲の最小電圧値を有すると放電し、スピン素子が前記臨界電圧範囲の最大電圧値を有すると充電する。
【0014】
ここで前記電源部は、前記電源として電圧を印加する電圧源であり得る。
弛緩発振器は更に、前記電圧源とスピン素子の間に直列に連結される抵抗素子を含むことができる。抵抗素子は、前記電圧源から印加される電圧を、前記スピン素子を駆動できる適正駆動電圧値にまで可変させる。
【0015】
弛緩発振器は更に、前記スピン素子に磁場を印加することによって前記スピン素子の電圧値を可変させる電磁石を含むことができる。
また前記スピン素子は、自ら磁場を発生する自己印加型(self−biased)磁気素子であり得る。
【0016】
一方、前記電源部は、前記電源として電流を印加する電流源であり得る。
【発明の効果】
【0017】
上述したように本発明によるスピン素子を使用した弛緩発振器によると、トランジスタを使用する既存の弛緩発振器よりも部品の個数が少なく、回路が単純化される効果がある。
【0018】
またスピン素子の早い磁化反転でキャパシタの容量と印加磁場を変化させることによって、GHz帯域の周波数のみを出力する既存のスピントルク型発振器の周波数帯域に比べて非常に低いHzからGHz領域にまで至る広範囲な周波数帯域の調節が可能であり、活用性が高いという効果がある。
【0019】
またスピンの歳差運動によって磁化反転を使用するため、高出力が可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】シュミットトリガの基本回路を示す図。
【図2】個別トランジスタ(TR)で構成されたシュミットトリガを示す図。
【図3】従来の弛緩発振器を示す図。
【図4】本発明によるスピン素子を使用した弛緩発振器を示す一回路図。
【図5】図4に使用されるスピン素子の磁場の強さによる抵抗の印加電圧依存性を示す図。
【図6】図4に使用されるスピン素子の磁場の強さによる磁化反転状態図(Phase diagram)。
【図7】図4に使用されるスピン素子に自ら磁場を印加できる構造が加えられた自己印加型(self−biased)スピン素子の磁化反転状態図。
【図8】本発明によるスピン素子を使用した弛緩発振器を示す他の回路図。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、添付された図を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。まず、図の中で同一な構成要素または部品は、できる限り同一参照符号で示している事に留意しなければならない。本発明を説明するにおいて、関連した公知機能あるいは構成に対する具体的な説明は、本発明の要旨を曖昧にさせないために省略する。
【0022】
図4は、本発明によるスピン素子を使用した弛緩発振器を示す一回路図である。図5は、図4に使用されるスピン素子において、磁場の強さによる抵抗の印加電圧依存性を示す図である。図6は、図4に使用されるスピン素子の磁場の強さによる磁化反転状態図を示す図である。
【0023】
また図7は、図4に使用されるスピン素子に自ら磁場を印加できる構造が加えられた自己印加型スピン素子の磁化反転状態図である。図8は、本発明のまた他の実施例によるスピン素子を使用した弛緩発振器を示す他の回路図である。
【0024】
各図面による本発明の実施例を、図を参照して説明する。
図4は、本発明によるスピン素子を使用した弛緩発振器の一実施例である。図4に示すように、弛緩発振器は電源部400、スピン素子420、およびキャパシタ430を含む。
【0025】
前記電源部400は、発振のための電源で電圧を印加する電圧源である。
また前記スピン素子420は、前記電源部400から印加される電源で駆動され、磁場の強さによって可変な可変電圧値を有する。
【0026】
弛緩発振器は更に、前記電圧源400とスピン素子420の間に直列に連結される抵抗素子410を含む。抵抗素子410は、前記電圧源400から印加される電圧を、前記スピン素子420を駆動できる適正駆動電圧値に可変させる。弛緩発振器は更に、前記スピン素子420に磁場を印加することによって前記スピン素子420の電圧値を可変させる電磁石440を含むことができる。
【0027】
また前記キャパシタ430は、前記スピン素子420に並列に連結される。前記スピン素子420が臨界電圧範囲の最小電圧値を有すると、キャパシタ430は放電し、スピン素子420が前記臨界電圧範囲の最大電圧値を有するとキャパシタ430は充電する。
【0028】
すなわち本発明によるスピン素子420を使用した弛緩発振器は、図4に示すように、電源として前記電圧源400を具備し、前記スピン素子420の周りに磁場の強さを制御できる前記電磁石440を置き、前記スピン素子420に印加される電圧を制御できる前記抵抗素子410を直列に連結する。更に充電と放電に必要となる時間を用いることによ
って発振周期(周波数)を制御できる前記キャパシタ430を並列に連結する。
【0029】
前記スピン素子420に印加された磁場と電圧は、前記スピン素子420の電気的抵抗を高くまたは低くする二つの臨界電圧を作り出す。電源部400が直流電圧源であり、電圧が決定された場合、前記スピン素子420に直列に連結された前記抵抗素子410を可変することによって適切な動作電圧領域に位置させることができる。ここで前記電源を印加することによって、高い抵抗状態から低い抵抗状態に移る臨界電圧(VHL)よりも若干高い電圧が前記スピン素子420に印加されるように前記抵抗素子410を調節すると、動作が始まる。
【0030】
図5は、図4に使用された前記スピン素子420について、磁場の強さ(0Oe、40Oe、80Oe、100Oe)による抵抗の印加電圧依存性を示す図である。高い抵抗状態から低い抵抗状態に向けて、または、その反対に変化する電圧は、磁場によって一方向に変化している。ここで抵抗状態の変化を、本文では磁化反転とも言う。
【0031】
図6は、図4と図5に使用される前記スピン素子420の磁場の強さによる磁化反転状態図である。前記スピン素子420を通過する電流(I)または電圧(I×RMTJ)の強さが、磁化反転をなすに十分な臨界電流(IHL:高い(H)抵抗状態から低い(L)抵抗状態、ILH:低い(L)抵抗状態から高い(H)抵抗状態)または、臨界電圧(VHL=IHL×RMTJ、VLH=ILH×RMTJ、RMTJは図4のスピン素子420の抵抗値)に到達すると、自由層と固着層の磁化方向が互いに一致するかまたは反対になる現象が発生する。スピン素子420の前記臨界電圧は、図5のようにスピン素子420に印加された磁場の強さによって増加したり減少したりする傾向を示す。またスピン素子420の電気的抵抗が大きくなったり小さくなったりする二つの臨界電圧の間の差も、変化する。特に、前記スピン素子420に印加される磁場の強さが大きくなるほど、二つの臨界電圧は段々増加するのと同時に、二つの臨界電圧の間の間隔は段々減る。
【0032】
すなわち前記スピン素子420が低い抵抗状態になると、電圧分配法則によってスピン素子420には、低い電圧(
【0033】
【数1】

【0034】
)がかかり、前記キャパシタ430では放電が始まる。ここで時間による前記キャパシタ430の電圧V(t)は、次の数2で表わされる。
【0035】
【数2】

【0036】
ここでVは、前記キャパシタ430が充電できる最終電圧であり、Vは、前記キャパシタ430が充電を始める初期電圧である。tは時間であり、τはスピン素子の抵抗(RMTJ)とRの並列合成抵抗に前記キャパシタ430の値(容量値)を掛け合わせた時定数である。放電に必要となる時間t(discharge)は、前記数2から
【0037】
【数3】

【0038】
になる。ここでRMTJは、低い抵抗状態である。
前記キャパシタ430の放電電圧が、前記スピン素子420が低い抵抗から高い抵抗に移る臨界電圧(VLH)に到達すると、電圧分配法則によってスピン素子420には高い電圧(
【0039】
【数4】

【0040】
)がかかり、前記キャパシタ430では充電が始まる。充電に必要となる時間は、前記と同じく
【0041】
【数5】

【0042】
であり、ここでRMTJは高い抵抗状態である。
本弛緩発振器の発振周期Tは、放電時間+充電時間であり、下記の数6のように表わすことができる。
【0043】
【数6】

【0044】
前記スピン素子420は、自ら磁場を発生する自己印加型磁気素子であることができ、
図7は、図4に示したスピン素子420に外部から印加する磁場がなくても、自ら磁場を印加できる構造が加えられた自己印加型スピン素子の磁化反転状態図である。印加された磁場がなくても、すなわち外部磁場が0Oeの時にも、図6に示すように、二つの臨界電圧を示す。
【0045】
図7の特性を示す前記スピン素子420を採用した発振器である図8を基準にした作用は、下記のとおりである。
前記スピン素子420に印加された前記電流源(400)は、前記スピン素子420の電気的抵抗を高くまたは低くする二つの臨界電圧を作り出す。
【0046】
電源である直流電流源を調節することによって、前記スピン素子420の両端にかかる電圧(I×RMTJ)を、弛緩発振器が動作するのに適切な電圧領域に位置させることができる。高い抵抗状態から低い抵抗状態に移る臨界電圧(VHL)よりも若干高い電圧が前記スピン素子420に印加されるように調節すると、動作が始まる。
【0047】
前記スピン素子420が低い抵抗状態になると、前記スピン素子420には低い電圧(IRMTJ(low))がかかり、前記キャパシタ430では放電が始まる。ここで時間による前記キャパシタ430の電圧V(t)は、前記数2と同じである。ここでτは、スピン素子の抵抗(RMTJ)と、前記キャパシタ430の値(容量値)とを掛け合わせた時定数である。放電に必要となる時間t(discharge)は、数2から
【0048】
【数7】

【0049】
になる。ここでRMTJは低い抵抗状態である。
前記キャパシタ430の放電電圧が、前記スピン素子420が低い抵抗から高い抵抗に移る臨界電圧(VLH)に到達すると、前記スピン素子420には高い電圧(IRMTJ(high))がかかり、前記キャパシタ430では充電が始まる。充電に必要となる時間は、前記と異なりほとんど必要とならない。その理由として、放電時には、RMTJを通じて放電するが、充電時には、RMTJを経ないで、電流源から直接電荷供給を受けるからである。
【0050】
したがって、本弛緩発振器の発振周期Tは、放電時間+充電時間であり、下記の数8のように表わすことができる。
【0051】
【数8】

【0052】
ここで前記電源部400は、図8に示すように、電源に電流を印加する電流源800であることができ、図8は電源として電流源800を、そして、スピン素子810として図
6で示した素子を具備したスピン素子弛緩発振器の回路図である。電流が印加されることによって、スピン素子810の電圧が臨界電圧(VHL)に到達すると、前記スピン素子810の抵抗と電圧が低くなって、したがって、キャパシタ820は放電する。前記キャパシタ820が放電することによって、スピン素子810の電圧がVLHに到達すると、前記スピン素子810の抵抗と電圧が高くなり、したがって前記キャパシタ820は充電される。
【0053】
以上のように本発明によるスピン素子を使用した弛緩発振器を例示した図を参照して説明したが、本明細書に開示された実施例と図によって本発明が限定されるのではなく、本発明の技術思想の範囲内で当業者によって多様な変形が成り立ち得ることは、もちろんである。
【符号の説明】
【0054】
400:電源部、電圧源。
410:抵抗素子。
420、810:スピン素子。
【0055】
430、820:キャパシタ(蓄電器)。
440:電磁石。
800:電流源。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
電源を印加する電源部と、前記電源部から印加される電源によって駆動されるスピン素子と、前記スピン素子に並列に連結されるキャパシタとを含む弛緩発振器であって、
前記スピン素子は、磁場の強さによって可変する電圧値を有し、
前記キャパシタは、前記スピン素子の臨界電圧の範囲で最小電圧値を有すると放電し、前記臨界電圧範囲で最大電圧値を有すると充電することを特徴とする、スピン素子を使用した弛緩発振器。
【請求項2】
前記電源部は、前記電源として電圧を印加する、請求項1記載の弛緩発振器。
【請求項3】
前記弛緩発振器は更に、前記電圧源と前記スピン素子の間に直列に連結される抵抗素子を含み、前記抵抗素子は、前記電圧源から印加される電圧を、前記スピン素子を駆動できる適正駆動電圧値に可変させる、請求項2記載の弛緩発振器。
【請求項4】
前記弛緩発振器は更に、前記スピン素子に磁場を印加することによって前記スピン素子の電圧値を可変させる電磁石を含む、請求項1記載の弛緩発振器。
【請求項5】
前記スピン素子は、自ら磁場を発生する自己印加型の磁気素子である、請求項1記載の弛緩発振器。
【請求項6】
前記電源部は、前記電源として電流を印加する、請求項1、請求項4および請求項5何れか1項記載の弛緩発振器。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2010−279008(P2010−279008A)
【公開日】平成22年12月9日(2010.12.9)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−173580(P2009−173580)
【出願日】平成21年7月24日(2009.7.24)
【出願人】(505280369)コリア ベーシック サイエンス インスティテュート (11)
【Fターム(参考)】