Logik-Chip mit Magnetkontrolle
Magnetisch programmierbare Schaltkreise erweitern die Möglichkeiten der Elektronik.
Elektronenspins werden in Computern bisher nur zur magnetischen Speicherung von Information eingesetzt, wobei die Leseköpfe der Magnetspeicher den spinabhängigen Riesenmagnetwiderstand nutzen. Die Spintronik soll gleichzeitig mit Spins und Elektronenladungen Daten speichern und verarbeiten. Diesem Ziel kommen in Korea entwickelte magnetisch rekonfigurierbare Schaltkreise einen großen Schritt näher – obwohl in ihnen der Spin scheinbar keine Rolle spielt.
Abb.: Durch den InSb-Kanal der Lawinendiode fließt ein elektrischer Strom, dessen Stärke sich mit einem angelegten Magnetfeld ein- und ausschalten lässt. (Bild: Joo et al., NPG)
Forscher um Jin Dong Song vom Nano Photonics Research Center am KIST in Seoul haben einen Weg gefunden, wie man mit einem Magnetfeld sehr effizient die Stromstärke in einem elektronischen Schaltkreis steuern kann. Beruht das Magnetfeld auf der nichtflüchtigen Magnetisierung eines umpolbaren Nanomagneten – also letztlich auf den Elektronenspins –, so kann man mit ihm den Schaltkreis magnetisch programmieren. Dadurch lassen sich mit einem Schaltkreis verschiedene logische Gatter verwirklichen, die ebenfalls nichtflüchtig sind und ohne Stromfluss erhalten bleiben.
Das Herz des Schaltkreises ist eine magnetisch gesteuerte Lawinendiode, durch die erst dann ein starker Strom fließt, wenn die angelegte Spannung die Sperrspannung der Diode übertrifft. Die Elektronen im Leitungsband des Halbleitermaterials der Diode werden beschleunigt und schlagen dabei andere Elektronen los, die sich ihrerseits beschleunigt bewegen und weitere Elektronen freisetzen, bis es zu einer Ladungslawine kommt. Werden die bewegten Elektronen einem Magnetfeld ausgesetzt, das sie durch die Lorentz-Kraft aus ihrer Bahn bringt und aus der Diode entfernt, so bricht die Lawine zusammen, und die Diode sperrt wieder. Dadurch kann man einen hohen Magnetwiderstand erzielen, mit dem man die elektrischen Eigenschaften eines Schaltkreises verändern kann.
Abb.: Die beiden in Reihe geschalteten Dioden können im Magnetfeld einzeln zwischen zwei möglichen Ausrichtungen gedreht werden, die dem Input „0“ oder „1“ entsprechen. Je nach angelegter Spannung ist die Schaltung ein AND- bzw. ein OR-Gatter. (Bild: Joo et al., NPG)
Die am KIST entwickelte Lawinendiode enthält einen 120 µm langen und 10 µm breiten Kanal, bestehend aus einer InSb-Doppelschicht mit einer n-dotierten und einer p-dotierten Lage. Indiumantimonid ist ein Halbleiter mit einer sehr kleinen Bandlücke von 0,17 eV und gut beweglichen elektrischen Ladungen, was der Stärke der Lawine gute kam. Nach Anlegen einer ausreichend große Spannung trat in der n-dotierten Schicht eine Ladungslawine und somit ein starker elektrischer Strom auf.
Ein Magnetfeld, das parallel zu den Schichten (und senkrecht zur Stromrichtung) orientiert war, lenkte die Elektronen in der Lawine zur p-Schicht, wo sie mit den dort vorhandenen positiven Löchern rekombinierten. Ein hinreichend starkes Magnetfeld ließ die Lawine deshalb zusammenbrechen. Wurde das Magnetfeld umgedreht, so führte es die Elektronen von der p-Schicht weg, und die Lawine blieb unbeeinflusst. Diese Wirkung des Magnetfeldes führte dazu, dass es bei einer Stärke von 0,1 T je nach seiner Richtung (+0,1 T bzw. -0,1 T) der Diode unterschiedlich große Sperrspannungen von 11,0 V bzw. 11,13 V gab.
Die Forscher stellten ein logisches Gatter her, indem sie zwei solche Lawinendioden in Reihe schalteten und einem Magnetfeld von 0,1 T aussetzten. Die Dioden konnten einzeln gedreht werden, sodass sich die Richtung des auf eine Diode wirkenden Magnetfeldes umkehren ließ. Die Magnetfeldrichtungen der beiden Dioden waren die beiden Input-Bits, wobei „1“ für +0,1 T und „0“ für -0,1 T steht. Dann wurde an die beiden Dioden eine Arbeitsspannung gelegt und der Strom gemessen. Wenn der Strom klein war, weil mindestens eine der beide Dioden sperrte, so war das Output-Bit „0“; war der Strom hingegen groß, so war der Output „1“.
Für das AND-Gatter wählten die Forscher eine Arbeitsspannung von 22,05 V. War mindestens eines der Input-Bits „0“, so reichte diese Spannung nicht aus, um für beide Dioden die Sperrspannung zu überwinden. Es floss ein kleiner Strom, und der Output war „0“. Waren hingegen beide Input-Bits „1“, so übertraf die Arbeitsspannung nun die doppelte Sperrspannung einer Diode, sodass durch beide Dioden ein starker Strom floss und der Output „1“ war. Für das OR-Gatter betrug die Arbeitsspannung 22,20 V. Damit konnten beide Dioden in Durchlassrichtung geschaltet werden, vorausgesetzt bei mindestens einer von ihnen war der Input „1“. Beide Gatter erfüllte also ihre Aufgabe perfekt. Mit ihnen ließen sich kompliziertere logische Schaltungen systematisch aufbauen.
Jin Dong Song und seine Kollegen sind zuversichtlich, dass man die äußeren Magnetfelder durch die Wirkung von winzigen Magneten ersetzen kann, die sich elektrisch umpolen lassen und neben den Dioden auf einem Chip sitzen. Zudem sollte es möglich sein, die Dioden noch erheblich kleiner zu machen, sodass sich Chips mit einer großen Zahl von Schaltelementen verwirklichen ließen. Solch ein Chip hätte einen unschätzbaren Vorteil: Da seine logische Konfiguration nichtflüchtig ist, könnte man ihn kurzerhand ausschalten, ohne dass sein momentaner Zustand verlorenginge. Schaltet man den Chip wieder an, so könnte er seine Berechnungen dort fortsetzen, wo sie unterbrochen wurden.
Rainer Scharf
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