課程資訊
課程名稱
自旋電子學元件簡介
Introduction to Spintronics Devices 
開課學期
104-1 
授課對象
理學院  物理學研究所  
授課教師
張慶瑞 
課號
EEE5046 
課程識別碼
943 U0480 
班次
 
學分
全/半年
半年 
必/選修
選修 
上課時間
星期三7,8,9(14:20~17:20) 
上課地點
電二106 
備註
總人數上限:80人 
Ceiba 課程網頁
http://ceiba.ntu.edu.tw/1041EEE5046_ 
課程簡介影片
 
核心能力關聯
核心能力與課程規劃關聯圖
課程大綱
為確保您我的權利,請尊重智慧財產權及不得非法影印
課程概述

Introduction to Spintonics Devices 自旋電子元件

二十世紀的電子工業提供了全球千億產值,微小的電子晶片,不僅改變了我們的生活
模式,也提昇了我們的生活品質,前後達五十多年。不過在這半個世紀裡,電子自旋
的特性一直沒有廣泛應用在電子產業,其研究結果一直都停留在研究室內或物理文
獻中。我相信在下半個世紀,電子自旋的特性,會是電子研發領域中最具有潛力的研
究之一,而這將會繼續推動電子工業的進展,造成下一波的電子革命。

過去十年以來,自旋電子工業漸漸開始成長和生根,而磁性記憶體,就是電子自旋問
世後的第一個產品。它逐漸被市場接受,而工業界的大筆投資,也造成了人才的需
求。在二十一世紀之初,自旋電子的專業知識需求,有點類似五、六十年代的半導體
產業,當時並沒有幾個大學提供半導體的課程,市面上也沒幾本為半導體專業所寫的
教科書。但也就是在那半導體產業的成長初期,人才供不應求。

所以,我所要教授的這門課程,是提供給電機工程研究所的同學。設立的目的不僅是
為其將來進入工業界,從事自旋電子研發工作做準備; 對於計畫留在學界繼續深造的
同學也很有助益。

本課程是為物理、材料、或電機系的大學三年級以上的同學設立的,選課的同學如果讀
過量子物理或電磁波,讀起來會相對輕鬆,而數學較好的同學讀來也很吃香。這門課程
講述的內容包括:電磁效應、磁性薄膜、微磁學、電子自旋、磁阻、磁性記憶元件、磁
性感應器... 等等基本知識,多數時間會花在各種電子自旋邏輯電路與記憶體元件的工作
原理和特性;當然,我也會安排相關的設計實驗課程。讀物理的同學,會瞭解到什麼才
是有用的電子元件;讀電機的同學,會學到如何把電子自旋特性加入現有電子元件來增
強它的功能;而讀材料的同學,則會發現數層原子的薄膜,竟會具備了不可思議的磁電特性。

我相信經過一個學期的學習,這門新開的課程,可以增加同學們的視野,收穫良
多。而對於在電子產業工作又回學校深造的同學而言 你來修這門課 就會覺得,柳暗花明
又一村,前面尚有一片新天地。


 

課程目標
˙學會基本磁性與材料特性,並進而結合電子學知識,利用現代自旋電子學特色,創造新一代的自旋電子元件
˙培養新世代的電子元件的世界人才,提升台灣在新世紀的競爭力
 
課程要求
有基本電磁學,物理學,電子學訓練
Team Project and homework will be evaluted.
No mid-term or final test.



 
預期每週課後學習時數
 
Office Hours
每週三 10:00~12:00 備註: 請來凝態物理大樓,辦公室在7樓 R726,最好事前預約 
參考書目
Magnetism and magnetic materials, J.M. D. Coey
Magnetic memory, D. D. Tang & Y. J. Lee
Nonvolatile Memory Design: Magnetic, Resistive, and Phase Change, HaiLi & YiranChen 
指定閱讀
各種自旋電子元件的最新研發成果
 
評量方式
(僅供參考)
 
No.
項目
百分比
說明
1. 
Project  
60% 
The teachers will assign project to students and evaluate at the end of semester 
2. 
Homeworks  
30% 
The homeworks assigned at the end of each courses 
3. 
Interviewing  
10% 
Teachers will interview student during the office hour and class 
 
課程進度
週次
日期
單元主題
第1週
9/16  Course Introduction

History and Background
Advances in magnetism in late the 20thCentury
New magnetic devices 
第2週
9/23  Basic Electronmagnetism
Introduction;
Magnetic force; poles and fields;
Magnetic dipoles;
Ampere's circuital Law;
Biot-Savart Law;
Magnetic moments
Magnetic dipolar energy;
Magnetic Flux;
Magnetic Induction;
Classical Maxwell equations of electomagnetism;
Inductance
 
第3週
9/30  Magnetism and magnetic material (I)
Origin of magnetism (spin; orbital; spin-orbit coupling);
Introduction of magnetic materials (dia-; para-; ferro; anti-ferro; ferri-magnet);
Ferromagnet/antiferromagnet bilayer structure;
Interlayer exchnage coupling in ferromagnet/metal/ferromagnet multilayer (RKKY interaction; Neel coupling);
 
第4週
10/07  Magnetism and magnetic material (II)

Anisotropy energy: (Crystalline; interface/surface; Exchange energy; Zeeman energy)
In-plane film and perpendicular film;
Magnetization Dynamics (precession);
 
第5週
10/14  Properties of Magnetic nano-structures
Edge pole and demagnetizing field;
magnetic domains, domain wall, curling, vortex, C/S-state;
magnetization behavior under an external field;
Stoner-Walfarth model;
Switching behavior, switching threshold field;
magnetization behavior of a synthetic anti-ferromagnetic film stack
 
第6週
10/21  Magneto-resistance effects
Hall effects;
AMR;
GMR;
TMR, MTJ;
 
第7週
10/28  Field-write mode MRAM
Field MTJ RAM cell;
read signal;
write bit cell with magnetic field;
Astroid-mode MRAM;
Toggle-mode MRAM;
Characterization method of MRAM chip write performance;
Thermally assisted field write;
Multi-transistor cells
 
第8週
11/04  Magnetization dynamics, spin-magnetization interactions

Magnetization dynamics, LLG equation;
Ferromagnetic resonance;
Interaction between polarized free electrons and Magnetization
Macrospin model;
Spin-torque Transfer properties of spin valve;
Spin-torque Transfer properties of MTJ;
Spin current, spin pumping, accumulation, and effective damping

 
第9週
11/11  Spin-torque transfer mode MRAM (I)

Spin transfer mode MRAM cell;
Spin-transfer torque and switching threshold current density;
Stochastic property of magnetic switching;
Abnormal switching behavior;
Tunnel barrier reliability;
 
第10週
11/18  Spin-torque transfer mode MRAM (II)


Circuit model; memory cell operation; read-write operation window;
Data retention;
Thermal stability of STT memory chip;
 
第11週
11/25  Other switching modes MRAM
Current-driven domain wall motion mode –physics, devices
VCAM mode –physics, application to memory devices
Precession mode -physics, devices
Spin Hall effect mode – physics, devices
 
第12週
12/02  Apparatus principles; memory chip design, statistics, error handling
Film/memory device characterization and apparatus
Apparatus principles;
VSM – working principle
MOKE – working principle
CIPT – working principle
TDDB;
Data retention;
memory chip design; statistics; error handling 
第13週
12/09  Magnetoresistive sensor
Introduction to theory
Hall effect
AMR
GMR
TMR
Schematic & circuitry: GMR as an example
Microfabrication
Applications
 
第14週
12/16  Applications of magnetic tunnel junction technology
Memory landscape;
standalone memory;
Embedded in CMOS SoC;
Endurance vs data retention requirement
In TCAM, FPGA, other embedded applications
Chip power management;
Nv Logic;

RF oscillator (ST)
 
第15週
12/23  HDD, Spin-FET, Hall/Spin Hall devices/RF oscillator/logic elements
Hard Disk Drive
HDD, evolution;
Recording medium;
Sensors and write head;
Electronics;

Mn:GaAs
Logic devices
RF oscillator (ST)
 
第16週
12/30  break: team design projects 
第17週
1/06  Students Projects Presentation, team leader report 
第18週
1/13  Summary week