Co je to magnetorezistor?

Definice: Když se odpor některých kovů a polovodičových materiálů mění v přítomnosti magnetického pole, tento jev se nazývá magnetorezistivní efekt. Součástky, které tento jev projevují, se nazývají magnetorezistory. Jednoduše řečeno, magnetorezistor je druh odporníku, jehož hodnota odporu kolísá s intenzitou a směrem externího magnetického pole.

Magnetorezistory hrají klíčovou roli při detekci přítomnosti magnetického pole, měření jeho síly a určování směru magnetické síly. Typicky jsou vyráběny z polovodičových materiálů, jako je indium antimonid nebo indium arsenid, které mají unikátní elektrické vlastnosti, díky kterým jsou velmi citlivé na magnetická pole.

Princip fungování magnetorezistoru

Fungování magnetorezistoru je založeno na principu elektrodynamiky. Podle tohoto principu může síla působící na vodič nesoucí proud v magnetickém poli změnit směr proudu. Pokud není přítomno magnetické pole, nosiče náboje v magnetorezistoru se pohybují po přímé cestě.

Nicméně, v přítomnosti magnetického pole se směr proudu změní a teče opačným směrem. Okrouhlá cesta proudu zvyšuje pohyblivost nosičů náboje, což vede ke srážkám. Tyto srážky způsobují ztrátu energie ve formě tepla, a toto teplo způsobuje zvýšení odporu magnetorezistoru. V magnetorezistoru teče pouze velmi malá velikost proudu kvůli omezenému počtu volných elektronů.

Odklon elektronů v magnetorezistoru závisí na jejich pohyblivosti. Pohyblivost nosičů náboje v polovodičových materiálech je vyšší než v kovech. Například pohyblivost indium arsenidu nebo indium antimonidu je přibližně 2,4 m²/Vs.

Vlastnosti magnetorezistoru

Citlivost magnetorezistoru závisí na síle magnetického pole. Charakteristická křivka magnetorezistoru je znázorněna na obrázku níže.

V nepřítomnosti magnetického pole je magnetizace prvku magnetorezistoru nulová. Jak se magnetické pole začne mírně zvyšovat, odpor materiálu se blíží k hodnotě odpovídající bodu b. Přítomnost magnetického pole způsobí, že se prvek magnetorezistoru otočí o úhel 45º.

S dalším zvyšováním síly magnetického pole dosáhne křivka nasycení, označeného bodem C. Magnetorezistivní prvek obvykle funguje buď v počátečním stavu (bod O) nebo poblíž bodu b. Při fungování v bodě b ukazuje lineární charakteristiku.

Druhy magnetorezistorů

Magnetorezistory lze rozdělit do tří hlavních typů:

Gigantická magnetorezistence (GMR)

Při gigantické magnetorezistenci se odpor magnetorezistoru výrazně sníží, pokud jsou jeho ferromagnetické vrstvy zarovnané paralelně k sobě. Naopak, když jsou tyto vrstvy zarovnané antiparalelně, odpor dramaticky stoupne. Strukturní konfigurace GMR zařízení je znázorněna na obrázku níže.

Extraordinární magnetorezistence (EMR)

V případě extraordinární magnetorezistence ukazuje odpor kovu specifické chování. V nepřítomnosti magnetického pole je odpor relativně vysoký. Nicméně, když se aplikuje magnetické pole, odpor dramaticky klesne, čímž ukazuje významnou změnu elektrických vlastností v reakci na magnetický vliv.

Tunelový magnetorezistor (TMR)

V tunelovém magnetorezistoru probíhá vedení proudu zvláštním způsobem. Proud projde z jednoho ferromagnetického elektrodu, přejde skrz izolační vrstvu. Množství proudu, které tuneluje skrz tuto izolační bariéru, závisí na vzájemné orientaci magnetizace v ferromagnetických elektrodech. Různé směry magnetizace mohou vést k významným změnám v množství tunelujícího proudu, což tuto vlastnost dělá klíčovou pro různé aplikace, které spoléhají na přesné řízení a detekci magnetických stavů.

Relativně velký proud poteče, pokud jsou směry magnetizace elektrod paralelní k sobě. Naopak, antiparalelní uspořádání směrů magnetizace výrazně zvyšuje odpor mezi vrstvami.