LEE- Elektronik Mühendisliği-Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/19265

Gözat

Yazar "Atasoyu, Mesut" ile LEE- Elektronik Mühendisliği-Doktora'a göz atma
  • Öge
    Spintronic devices for wireless communication,memory, and analog applications
    ( 2020) Atasoyu, Mesut ; Özoğuz, İsmail Serdar ; 629126 ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği ; Electrical and Electronics Engineering
    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.