دیود اسپینترونیک (Spintronic Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود اسپینترونیک (Spintronic Diode) :
دیود اسپینترونیک (Spintronic Diode) یک نوع دیود است که از خاصیت اسپین (Spin) الکترون ها علاوه بر بار الکتریکی برای ایجاد یکسوسازی استفاده می کند. اسپینترونیک (Spintronics) شاخه ای از الکترونیک است که به جای استفاده صرف از بار الکترون، از جهت اسپین آن (بالا یا پایین) نیز برای ذخیره و پردازش اطلاعات بهره می گیرد. دیودهای اسپینترونیک معمولا بر اساس ساختارهای لایه ای مغناطیسی (مانند اتصالات تونل زنی مغناطیسی - Magnetic Tunnel Junctions) ساخته می شوند.
ساختار یک دیود اسپینترونیک معمولا شامل دو لایه فرومغناطیسی (Ferromagnetic Layers) است که توسط یک لایه عایق بسیار نازک (چند نانومتر) از هم جدا شده اند. این ساختار، اتصال تونل زنی مغناطیسی (Magnetic Tunnel Junction - MTJ) نامیده می شود. جهت مغناطش یکی از لایه ها ثابت (Pinned) و لایه دیگر آزاد (Free) است.
مکانیزم کار: مقاومت الکتریکی MTJ به موازی یا پادموازی بودن جهت مغناطش دو لایه بستگی دارد (پدیده مقاومت مغناطیسی تونلی - Tunneling Magnetoresistance - TMR). با اعمال ولتاژ، می توان جهت مغناطش لایه آزاد را تغییر داد و در نتیجه مقاومت را تغییر کرد. این تغییر مقاومت می تواند برای یکسوسازی جریان استفاده شود. در برخی طراحی ها، ساختار به گونه ای است که جریان در یک جهت به راحتی عبور می کند اما در جهت دیگر با مقاومت بالایی مواجه می شود.
پارامترهای مهم یک دیود اسپینترونیک عبارتند از: نسبت TMR (TMR Ratio) که درصد تغییر مقاومت بین حالت موازی و پادموازی است، ولتاژ شکست عایق، چگالی جریان بحرانی برای سوئیچینگ مغناطیسی، و پایداری حرارتی.
کاربرد اصلی دیودهای اسپینترونیک در حافظه های MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory) و سنسورهای مغناطیسی بسیار حساس (مانند سنسورهای هد خوان/نویس در هارد دیسک ها) است. همچنین پتانسیل استفاده در مدارات منطقی قابل برنامه ریزی و نوسان سازهای اسپینی (Spin-Torque Oscillators) را دارند.
یکی از مزایای مهم دیودهای اسپینترونیک، غیرفرار بودن (Non-Volatility) آنهاست، یعنی اطلاعات (جهت مغناطش) حتی با قطع برق نیز حفظ می شود. همچنین سرعت سوئیچینگ بالا و تعداد دفعات نوشتن/خواندن نامحدود دارند.
مواد سازنده دیودهای اسپینترونیک شامل لایه های فرومغناطیسی مانند آهن، کبالت، نیکل و آلیاژهای آنها (مانند CoFeB) و لایه عایق مانند اکسید منیزیم (MgO) یا اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) است. لایه MgO به دلیل تطابق شبکه خوب و TMR بالا بسیار رایج است.
یکی از چالش های دیودهای اسپینترونیک، جریان نسبتا بالای مورد نیاز برای سوئیچینگ مغناطیسی (در مقایسه با ترانزیستورهای CMOS) و پیچیدگی ساخت در ابعاد بسیار کوچک است. با این حال، تحقیقات زیادی برای کاهش جریان سوئیچینگ با استفاده از تکنیک هایی مانند STT (Spin-Transfer Torque) و SOT (Spin-Orbit Torque) در حال انجام است.
در نهایت، دیود اسپینترونیک یک قطعه پیشرفته است که مرزهای الکترونیک سنتی را جابجا می کند. با افزودن اسپین به عنوان یک درجه آزادی جدید، امکان طراحی مدارات با قابلیت های جدید (مانند حافظه غیرفرار یکپارچه با منطق) فراهم می شود که می تواند انقلابی در معماری کامپیوترها ایجاد کند.
