Магнитные запоминающие устройства

 

2.3 Перемещение доменов

 

Практически реализованная система записи и  считывания информации основана на перемещении  ЦМД в магнитных плёнках при  помощи тонких (0,3—1 мкм) аппликаций из магнитно-мягкого материала (пермаллоя) Т—I, Y—I или V-образной (шевронной) формы, накладываемых непосредственно  на плёнку с ЦМД Аппликации намагничивают вращающимся в плоскости плёнки управляющим магнитным полем Н_упр (рис. 4) так, что в требуемом направлении возникает градиент поля, обеспечивающий перемещение ЦМД. Схемы управления перемещением ЦМД при помощи пермаллоевых аппликаций работают на частотах изменения управляющего поля около 1Мгц. Запись информации осуществляется с помощью генераторов ЦМД, работающих на принципе локального перемагничивания материала импульсным магнитным полем тока, пропускаемого по проводнику в форме шпильки. Одна из возможных схем генерации и перемещения ЦМД показана на рис. 5. Для считывания информации в запоминающих устройствах на ЦМД используют детекторы, работающие на магниторезистивном эффекте. Магниторезистивный детектор ЦМД представляет собой аппликацию специальной формы из проводящего материала (например, пермаллоя), сопротивление которого зависит от действующего на него магнитного поля. Проходя детектор, ЦМД своим полем изменяют его сопротивление, что можно зарегистрировать по изменению падения напряжения на детекторе. Запоминающие устройства на ЦМД обладают высокой надёжностью и низкой стоимостью хранения единицы информации. Применение ЦМД - один из возможных путей развития ЭВМ.

 

Рис. 4. Схемы  перемещения цилиндрических магнитных  доменов

 

 (1) на пермаллоевых аппликациях (2) Т—I-oбразного (а), Y—I-oбразного(б) и шевронного(V-oбразного) (в) профилей. Н_упр — управляющее магнитное поле.

 

Рис. 5. Схема  генерирования и перемещения  цилиндрических магнитных доменов

 

Слева —  генератор доменов, Н_упр — управляющее магнитное поле. При повороте управляющего поля один из концов зародышевого домена постепенно втягивается в канал распространения, обособляется и под действием поля намагниченных аппликаций перемещается по каналу.

 

2.4 Доменная структура тонких  магнитных пленок

 

Ферромагнитные  образцы состоят из большого числа  намагниченных до насыщения областей, векторы намагниченности в которых  направлены в разные стороны. Если векторы  намагниченности доменов ориентированы  хаотически, то их векторная сумма  будет равно нулю. Это состояние  образца называется размагниченным. Такой ферромагнетик при отсутствии внешнего магнитного поля будет казаться ненамагниченным, хотя отдельные области самопроизвольной намагниченности сохраняются. При переходе от одного домена к соседнему происходит изменение направления намагниченности. Оно осуществляется не скачком, а постепенно, в пределах, в пределах некоторого промежуточного слоя определенной ширины. Слой между соседними доменами называется доменной границей (ДГ) или стенкой. В зависимости от толщины пленок в них встречаются разные типы ДГ. На рис.6 показано распределение векторов намагниченности в границах, которые наблюдаются в пленках толщиной более 100нм и массивных монокристаллах, где имеются антипараллельные домены. Такая модель границы была предложена Блохом. В блоховской границе происходит постепенный поворот векторов М в плоскостях, параллельных плоскости доменной границы, пока направление намагниченности не изменится на противоположное. При этом в доменной границе возникают отличные от нуля проекции M на нормаль к плоскости пленки (рис. 6).

 

Рис.6. Распределение векторов намагниченности в блоховской доменной границе

 

Стрелки изображают векторные проекции векторов M на плоскость, перпендикулярную ОЛН пленки.

В центральной  части ДГ вектор M оказывается направленным перпендикулярно к поверхности пленки. В результате на пересечении ДГ с поверхностью пленки возникают магнитные поля.

При уменьшении толщины пленок энергия этих полей, а соответственно и полная энергия  блоховских границ возрастает. Поэтому  в тонких пленках существование  блоховских доменных границ энергетически  невыгодно. Неель показал, что в  пленках толщиной ниже определенной энергетически выгодна ДГ, в которой  поворот векторов M при переходе от одного домена к другому происходит в плоскости пленки. То есть перпендикулярная к поверхности пленки компонента намагниченности остается равной нулю. Доменная граница такого типа называется неелевской. Таким образом, для толстых пленок устойчивой является граница Блоха, а для тонких пленок, например толщиной менее 20 нм, – граница Нееля. При экспериментальном исследовании тонких пленок помимо рассмотренных двух типов доменных границ обнаружены ДГ, в которых чередуются элементы блоховских и неелевских границ. ДГ этого переходного типа получили название границ с перевязками. Границы с перевязками встречаются в интервале промежуточных толщин, где оба крайних случая энергетически эквивалентны. Этот интервал зависит от свойств пленок и приблизительно составляет 30–120 нм. Границы с перевязками иногда называют границами типа колючей проволоки.

 

2.5 Принцип записи на тонких  магнитных пленках

 

Система магнитной записи состоит из носителя записи и взаимодействующих с  ним магнитных головок. На рис. 7 показаны носитель и головка записи кольцевого типа. Головка состоит из сердечника с обмоткой. В сердечнике имеется  зазор шириной 0,1-10 мкм. При включении  в обмотку тока записи (входной  сигнал) в области зазора возникает  магнитное поле рассеяния (поле записи), которое воздействует на прилегающую к головке область рабочего слоя движущегося магнитного носителя, например магнитной ленты.

 

Рис. 7. Процесс  магнитной записи:

 

1 - носитель  записи,

2 - головка  записи. Внизу показана последовательность  участков с противоположным направлением  намагниченности.

В цифровой магнитной записи, используемой в  компьютерной технике, в магнитную  головку поступает ток, при котором  поле записи через определенные промежутки времени изменяет свое направление  на противоположное. В результате под  действием поля рассеяния магнитной  головки происходят намагничивание и перемагничивание отдельных участков движущегося магнитного носителя. При  периодическом изменении направления  поля записи в рабочем слое носителя возникает цепочка чередующихся участков с противоположным направлением намагниченности, которые соприкасаются  друг с другом одноименными полюсами (рис. 7). В итоге сигнал, поступающий  в головку записи, оставляет на движущемся носителе след, то есть магнитную  запись. Рассмотренный вид записи, когда участки рабочего слоя носителя перемагничиваются вдоль его  движения, называется продольной записью. Носители магнитной записи с продольным намагничиванием - магнитные ленты, жесткие и гибкие магнитные диски - составляют основную массу используемых в мире накопителей информации. Они играют важнейшую роль в современной науке, технике и промышленности, являясь одним из функциональных элементов вычислительной техники.

Чередующиеся  участки, возникшие в металлизированном  рабочем слое (пленке), являются доменами. Чем меньше размер домена, тем выше плотность записи информации. Однако с уменьшением размера доменов  возрастает величина их размагничивающих полей, направленных в сторону, противоположную  намагниченности в доменах. Эти  поля способствуют их перемагничиванию. В результате смещение доменных границ одиночных доменов происходит в  полях H_см, меньших по величине коэрцитивной силы H_с. С уменьшением длины домена разница между H_см и H_с увеличивается. Понижается устойчивость домена к внешним полям. Из сказанного следует, что домен можно уменьшать до некоторого минимального размера. При меньших размерах доменов размагничивающие поля становятся настолько значительными, что домен перемагничивается и исчезает. Происходит стирание информации. Минимальные размеры домена, то есть размеры, при которых он еще устойчив при отсутствии внешнего магнитного поля, зависят от параметров пленки, в частности большую роль играет коэрцитивная сила пленки. Увеличение H_с снижает влияние эффекта саморазмагничивания и повышает устойчивость домена к действию внешних магнитных полей. Поэтому с возрастанием величины H_с минимальные размеры доменов становятся меньше.

Размер  стабильного домена также зависит  от толщины пленок d. С понижением d ослабляются размагничивающие поля доменов и происходит уменьшение их минимальных размеров при прежних  значениях Нс. Поскольку в металлических  пленках отсутствует немагнитная  связывающая среда, то, как было отмечено выше, металлизированный рабочий  слой носителя может иметь меньшую  толщину, чем ферролаковый. Поэтому  в пленках можно реализовать  перемагниченные участки меньшего размера, а следовательно, обеспечить большую информационную плотность записи. Из сказанного следует, что магнитные пленки являются перспективным материалом и обладают достоинствами, ценными при их использовании в технике магнитной записи.

 

2.6 Запоминающие устройства на  гребенчатых структурах

 

Рассмотрим  кратко еще один способ записи информации, основанный на использовании структур стенок между доменами. По сравнению  со способом сдвига стенок преимущества этого способа состоят в уменьшении потребляемой энергии, увеличении на порядок  скорости передачи информации (20 Мбит/с) и увеличении на два порядка плотности  записи (10⁴ бит/мм²). Все эти преимущества достигаются благодаря небольшим размерам структурных элементов стенок; в связи с этим предъявляются повышенные требования к технологии производства, которая, так же как и в случае ЗУ со сдвигом стенок, строится на базе освоенного изготовления тонких поликристаллических пленок. В отличие от способа записи на ЦМД, при записи на гребенчатых структурах, как и при записи со сдвигом стенок, ось анизотропии носителя ориентирована в плоскости слоя. Основное отличие способа гребенчатых структур от способа сдвига стенок состоит в том, что при записи и воспроизведении сдвигаются не сами магнитные структуры, а структуры стенок.

Структуры стенок образуются, когда в пределах одной стенки направление вектора  намагниченности не везде одно и  то же. Причиной возникновения структуры  стенки является уменьшение магнитостатической энергии при существовании магнитных  полюсов на границах слоя или стенок. На рис. 8 а) и б) показаны простейшие структуры стенок между доменами.

 

 

Рис. 8. Структура стенок в одноосных слоях;

 

а) - стелка Блоха;

б) - стенка Нееля,

в)- стенка Нееля с линиями Блоха и  поперечной стенкой.

В зависимости  от того, как повернут вектор намагниченности  стенки - вдоль или поперек слоя, различают стенки Блоха и стенки Нееля. На рис.8 в) схематически показана стенка Нееля, содержащая сегменты с различным направлением поворота вектора намагниченности. Сегменты стенок разделены между собой попарно возникающими линиями Блоха и поперечными стенками. Стенки такого типа называются гребенчатыми (cross-tie wall). Они образуются преимущественно в слоях пермаллоя толщиной от 25 до 60 нм. В более тонких слоях энергетически благоприятной является стенка Нееля, в более толстых - стенка Блоха. Предложено несколько способов получения стабильных гребенчатых структур стенок, которые к тому же поддаются преобразованию в стенки Блоха.

В запоминающих устройствах на гребенчатых структурах записанная информация представлена наличием пар поперечных стенок и линии  Блоха. Так же, как и при других способах магнитной записи со сдвигом доменов, стенка должна смещаться в направлении оси трудного намагничивания под действием неоднородных полей, создаваемых структурой проводников с током (рис. 9). Максимальная ширина полоски пермаллоя должна быть 100-25 мкм. Импульсы тока определенной последовательности сдвигают пары линий Блоха и поперечные стенки на один шаг. Напряженность поля сдвига примерно равна полю анизотропии и воздействует в течение нескольких наносекунд. Первый импульс поля сдвигает линию Блоха, более подвижную, чем поперечная стенка, из зауженной части полоски пермаллоя (фаза 1 - фаза 2). В фазе 3 линия Блоха передвигается дальше в результате магнитостатического отталкивания от дополнительно созданных пар линий Блоха и поперечных стенок. Следующий импульс поля уничтожает ту пару линий Блоха, у которой расстояние до поперечной стенки меньше. В результате магнитное состояние, соответствующее фазе 1, оказывается сдвинутым на один шаг.

 

Рис. 9. Фазы сдвига пар поперечных стенок и линий Блоха.

 

Были  предложены и другие способы сдвига структур различного рода и способы  возбуждения полей. Для воспроизведения  информации можно применять систему (рис. 10), в которой используется магниторезистивный эффект. Зачерненными пятнами показаны три электрических контакта на поверхности пермаллоевого слоя. Сопротивление между контактами зависит от угла между направлениями намагниченности и токов. Если этот угол равен 0° (правая верхняя ветвь на рис. 10), то сопротивление участка цепи больше, чем при угле 90° (нижняя левая ветвь). Ожидается, что при прохождении пары линий Блоха мимо системы контактов перепад ЭДС будет достигать 1 мВ.

 

Рис. 10 Намагниченность слоя с окрестности гребенчатой стенки и принцип воспроизведения.

 

 

3. Запоминающие устройства на  магнитных сердечниках

 

3.1 История использования запоминающие  устройства на магнитных сердечниках

 

До недавних лет в блоках оперативной памяти ЭВМ применялись исключительно  ЗУ на магнитных сердечниках. Такие  ЗУ практически нечувствительны  к разбросу параметров коммутационных цепей, компактны по конструкции  и надежны в эксплуатации, но скорость их действия уже не удовлетворяет  современным требованиям. Основной причиной вытеснения ЗУ на магнитных  сердечниках твердотельными полупроводниковыми ЗУ являются экономические факторы, такие, например, как расход энергии, наличие сложных и, следовательно, дорогих логических коммутационных устройств, трудности автоматизации  процессов изготовления пластин  ЗУ (плетение шин в матрицах) и  т. д. Что же касается теории и техники  ЗУ на магнитных сердечниках, то, в  отличие от теории и техники тонкопленочных устройств и даже устройств на магнитных лентах, ее можно рассматривать  как законченную и освоенную.

 

3.2 Принцип действия запоминающих  устройств на магнитных сердечниках

 

Способность запоминания информации у магнитного тороидального сердечника основана на гистерезисе процесса перемагничивания. Поясним это на примере сердечника, изображенного на рис. 11а. Чтобы записать один из двух сигналов двоичного кода (0 или 1) сердечнику придается одно из двух магнитно устойчивых состояний  остаточной намагниченности +J_r,или -J_r (магнитная поляризация направленная по часовой стрелке или против). Таким образом, в одном сердечнике можно записать только 1 бит информации. Для перехода из одного состояния в другое необходимо преодолеть коэрцитивную силу сердечника H_с. Поскольку магнитная цепь сердечника замкнута, он малочувствителен к внешним мешающим влияниям. Процессы записи и воспроизведения осуществляются при взаимодействии сердечника с полем одного или нескольких проводников (шин) с током. Порядок размещения сердечников в матрице и последовательность их коммутации называются организацией ЗУ. Принцип устройства ЗУ на матрице из магнитных сердечников показан на рис. 11. Поле записи Н_т должно быть рассчитано так, чтобы при воздействии на сердечник с коэрцитивной силой H_c оно его перемагничивало, т.е. Н_т>Н_с. Кроме того, должно удовлетворяться условие Н_т/2< Н_с (поле напряженностью Н_т/2 не должно оказывать на сердечник никакого влияния). Множество сердечников п³ можно смонтировать в виде матрицы так, чтобы необходимое для перемагничивания каждого сердечника в отдельности общее число шин было равно только 2π.