EO 517

i sensori TMR sono destinati a sostituire progressiva- mente i sensori a effetto Hall. La scoperta dell’effetto TMR ha ampliato le potenziali- tà di utilizzo dei fenomeni magnetoelettronici nell’in- dustria informatica: un esempio è rappresentato dalle memorie dati non volatili basate sull’effetto MR nei si- stemi di archiviazione a strati. Lo sviluppo tecnologi- co di queste MRAM è dovuto, tra l’altro, a IBM. I primi prodotti sono stati introdotti sul mercato circa 20 anni fa. Oggi, tutti i dischi rigidi moderni utilizzano testine di lettura/scrittura di tipo TMR. Le MRAM combinano i vantaggi delle memorie a se- miconduttore (tempi di accesso rapidi) e dei materiali magnetici (elevata densità di archiviazione). Inoltre, le memorie non volatili sono robuste, funzionano in- dipendentemente dall’alimentazione, sono resistenti alle radiazioni e presentano un processo di lettura non distruttivo. Le MRAM possono persino salvare i dati senza richiedere corrente. L’archiviazione dei dati con una memoria dinamica ad accesso casuale (DRAM) è attualmente ancora la tecno- logia predominante. Tuttavia, questo tipo di memoria presenta come svantaggio la perdita dei dati a seguito dell’interruzione dell’alimentazione. Oltretutto, i si- stemi di storage basati su tale tecnologia richiedono aggiornamenti regolari per evitare la perdita dei dati. Nonostante si fosse ipotizzata la graduale sostituzione delle DRAM su silicio con le tecnologie TMR, le MRAM sono ora utilizzate solamente in applicazioni di nicchia e sono in attesa di una diffusione su larga scala. Ne- gli ultimi anni, tuttavia, la loro quota di mercato nei comparti automotive, consumer e industriale è cre- sciuta proporzionalmente in misura maggiore rispetto ad altre tecnologie come i sensori ad effetto Hall, AMR o GMR. L’effetto TMR L’effetto TMR si basa su un principio simile all’effetto GMR. Michel Jullière lo scoprì per la prima volta nel 1975 nelle eterostrutture Fe/Ge-O/Co a 4,2 K. La variazione re- lativa della resistenza era di circa il 14% e non aveva atti- rato particolare attenzione. Nel 1991, Terunobu Miyazaki notò una variazione del 2,7% a temperatura ambiente. Tre anni dopo, Miyazaki rilevò una variazione del 18% in composti di ferro separati da un isolante amorfo in ossido di alluminio. Jagadeesh Moodera misurò una variazione dell’11,8% nelle connessioni con elettrodi di CoFe and Co. A differenza dei dispositivi GMR con uno strato non ma- gnetico, un sensore TMR prevede l’inserimento di uno strato non conduttivo tra due strati magnetici. Ciò viene ottenuto con una struttura magnetica a tunnel, un com- ponente costituito da due strati ferromagnetici separati da un sottile strato isolante. Se lo strato isolante è sufficientemente sottile (in gene- re pochi nanometri), gli elettroni possono viaggiare da uno strato ferromagnetico all’altro attraverso la barriera a tunnel. La probabilità che ciò si verifichi dipende an- che dallo spin, che permette di ottenere valori elevati di magnetoresistenza nel caso di magnetizzazione con spin paralleli (rispetto a quella con spin antiparalleli) negli strati di giunzione del tunnel magnetico. Gli effetti mag- giori sono previsti per i materiali con elettroni completa- mente spin-polarizzati. Essendo il processo di tunneling “vietato” secondo la fisica classica, la TMR risulta essere un fenomeno spie- gabile attraverso la meccanica quantistica. La direzione delle due magnetizzazioni degli strati ferromagnetici può essere modificata da un campo magnetico esterno. Se le magnetizzazioni sono orientate parallelamente, è più probabile che gli elettroni attraversino lo strato iso- lante piuttosto che nel caso di orientamento in direzione Fig. 2 – L’effetto TMR: se le direzioni di magnetizzazione dello “strato libero” e dello “strato fisso” concordano (sono parallele), la resistenza è bassa e scorre una corrente elevata (a sinistra). Se le direzioni sono opposte (antiparallele), la resistenza è elevata e scorre solo una corrente debole (a destra) (Fonte: Bosch Sensortec) COMPONENTS TMR SENSORS ELETTRONICA OGGI 517 - APRILE 2024 60