Definition: Wenn der Widerstand bestimmter Metalle und Halbleitermaterialien in Anwesenheit eines Magnetfeldes verändert wird, wird dieses Phänomen als Magnetowiderstandseffekt bezeichnet. Die Bauteile, die diesen Effekt aufweisen, werden als Magnetowiderstände bezeichnet. Einfach ausgedrückt, ist ein Magnetowiderstand eine Art von Widerstand, dessen Widerstandsgröße mit der Stärke und Richtung eines äußeren Magnetfeldes schwankt.
Magnetowiderstände spielen eine entscheidende Rolle bei der Erkennung der Anwesenheit eines Magnetfeldes, der Messung seiner Stärke und der Bestimmung der Richtung der magnetischen Kraft. Sie werden in der Regel aus Halbleitermaterialien wie Indiumantimonid oder Indiumarsenid hergestellt, die über einzigartige elektrische Eigenschaften verfügen, die sie hochgradig empfindlich gegenüber Magnetfeldern machen.
Arbeitsprinzip des Magnetowiderstands
Das Funktionieren eines Magnetowiderstands basiert auf dem Prinzip der Elektrodynamik. Laut diesem Prinzip kann die Kraft, die auf einen stromführenden Leiter in einem Magnetfeld wirkt, die Richtung des Stroms ändern. Ohne Magnetfeld bewegen sich die Ladungsträger im Magnetowiderstand entlang einer geraden Bahn.
Allerdings ändert sich in Anwesenheit eines Magnetfeldes die Richtung des Stroms und fließt in die entgegengesetzte Richtung. Der umständliche Pfad des Stroms erhöht die Mobilität der Ladungsträger, was zu Kollisionen führt. Diese Kollisionen resultieren in einem Energieverlust in Form von Wärme, und diese Wärme führt zu einer Erhöhung des Widerstands des Magnetowiderstands. Nur ein sehr geringer Strom fließt im Magnetowiderstand aufgrund der begrenzten Anzahl freier Elektronen.
Die Ablenkung der Elektronen in einem Magnetowiderstand hängt von ihrer Mobilität ab. Die Mobilität der Ladungsträger in Halbleitermaterialien ist höher im Vergleich zu Metallen. Zum Beispiel beträgt die Mobilität von Indiumarsenid oder Indiumantimonid etwa 2,4 m²/Vs.
Eigenschaften des Magnetowiderstands
Die Empfindlichkeit eines Magnetowiderstands hängt von der Stärke des Magnetfeldes ab. Die charakteristische Kurve eines Magnetowiderstands ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Ohne Magnetfeld beträgt die Magnetisierung des Magnetowiderstandselements null. Sobald das Magnetfeld leicht zunimmt, nähert sich der Widerstand des Materials dem Wert, der dem Punkt b entspricht. Die Anwesenheit des Magnetfeldes verursacht, dass das Magnetowiderstandselement um einen Winkel von 45º rotiert.
Bei weiterem Anstieg der Magnetfeldstärke erreicht die Kurve einen Sättigungspunkt, der durch den Punkt C gekennzeichnet ist. Das magnetowiderstandsfähige Element arbeitet in der Regel entweder im Ausgangszustand (Punkt O) oder nahe dem Punkt b. Beim Betrieb am Punkt b zeigt es eine lineare Charakteristik.
Typen von Magnetowiderständen
Magnetowiderstände können in drei Haupttypen unterteilt werden:
Großer Magnetowiderstand (GMR)
Beim GMR-Effekt verringert sich der Widerstand des Magnetowiderstands erheblich, wenn seine ferromagnetischen Schichten parallel zueinander ausgerichtet sind. Umgekehrt, wenn diese Schichten in antiparalleler Ausrichtung stehen, nimmt der Widerstand dramatisch zu. Die strukturelle Konfiguration eines GMR-Bauteils ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Außerordentlicher Magnetowiderstand (EMR)
Im Falle des außerordentlichen Magnetowiderstands zeigt der Widerstand des Metalls ein deutliches Verhalten. Ohne Magnetfeld ist der Widerstand relativ hoch. Allerdings fällt der Widerstand bei Anwendung eines Magnetfeldes signifikant, was eine bemerkenswerte Veränderung der elektrischen Eigenschaften im Reaktion auf den magnetischen Einfluss demonstriert.
Tunnelmagnetowiderstand (TMR)
In einem Tunnelmagnetowiderstand erfolgt die Stromleitung auf eine einzigartige Weise. Der Strom überquert von einem ferromagnetischen Elektroden, passiert dabei eine isolierende Schicht. Die Menge des Stroms, der durch diese isolierende Barriere hindurchtunnelt, hängt stark von der relativen Ausrichtung der Magnetisierung in den ferromagnetischen Elektroden ab. Verschiedene Magnetisierungsrichtungen können zu erheblichen Variationen in der Größenordnung des Tunneldurchgangsstroms führen, was diese Eigenschaft für verschiedene Anwendungen, die auf präziser Steuerung und Detektion von magnetischen Zuständen beruhen, entscheidend macht.
Ein relativ hoher Strom fließt, wenn die Magnetisierungsrichtungen der Elektroden parallel zueinander sind. Umgekehrt, eine antiparallele Anordnung der Magnetisierungsrichtungen erhöht den Widerstand zwischen den Schichten erheblich.
