Mikä on magneettiresistori?

Määritelmä: Kun tiettyjen metallien ja puolijohtomateriaalien vastus muuttuu magneettikentän läsnäollessa, tätä ilmiötä kutsutaan magnetovastusvaikutukseksi. Komponentteja, jotka näyttävät tätä vaikutusta, kutsutaan magnetovastuksiksi. Yksinkertaisesti sanottuna magnetovastus on vastus, jonka vastusarvo vaihtelee ulkoisen magneettikentän vahvuuden ja suunnan mukaan.

Magnetovastukset ovat olennaisia magneettikentän havaitsemisessa, sen vahvuuden mittaamisessa ja magneettivoiman suunnan määrittämisessä. Ne valmistetaan yleensä puolijohtomateriaaleista, kuten indium-antimoniidista tai indium-arseniidista, joilla on ainutlaatuiset sähköiset ominaisuudet, jotka tekevät niistä erittäin herkkiä magneettikentille.

Magnetovastuksen toimintaperiaate

Magnetovastuksen toiminta perustuu sähködynamiikan periaatteeseen. Tämän periaatteen mukaan voima, joka vaikuttaa virtajohtimeen magneettikentässä, voi muuttaa virran suuntaa. Kun magneettikenttää ei ole, virta-kanavat magnetovastuksessa kulkevat suorassa polussa.

Kun magneettikenttä on läsnä, virran suunta muuttuu ja se virtaa päinvastaiseen suuntaan. Virran kiertopolku lisää virta-kanavien liikkuvuutta, mikä johtaa törmäyksiin. Nämä törmäykset aiheuttavat energian menetyksen lämpön muodossa, ja tämä lämpö kasvattaa magnetovastuksen vastusta. Magnetovastuksessa kulkee vain hyvin pieni virtamäärä rajoitetun määrän vapaiden elektronien vuoksi.

Elektronien poikkeaminen magnetovastuksessa riippuu niiden liikkuvuudesta. Puolijohtomateriaalien virta-kanavien liikkuvuus on korkeampi kuin metallien. Esimerkiksi indium-arseniidiin tai indium-antimoniidiin liittyvä liikkuvuus on noin 2,4 m²/Vs.

Magnetovastuksen ominaisuudet

Magnetovastuksen herkkyys riippuu magneettikentän vahvuudesta. Magnetovastuksen ominaisuuskäyrä on esitetty alla olevassa kuviossa.

Magneettikentän puuttuessa magnetovastuksen elementin magneittinen momentti on nolla. Kun magneettikenttä alkaa lievästi kasvaa, materiaalin vastus lähestyy pisteen b arvoa. Magneettikentän läsnäolo aiheuttaa magnetovastuksen elementin kiertymisen 45º kulmassa.

Kun magneettikentän vahvuus kasvaa edelleen, käyrä saavuttaa tasaumapisteen, jota merkitään pisteellä C. Magnetovastuksen elementti toimii yleensä joko alkutilanteessa (piste O) tai lähellä pistettä b. Kun se toimii pisteessä b, se näyttää lineaarisen ominaisuuden.

Magnetovastusten tyypit

Magnetovastukset voidaan luokitella kolmeen pääasialiseen ryhmään:

Valtava magnetoresistanssi (GMR)

Valtavan magnetoresistanssin vaikutuksessa magnetovastuksen vastus väheni huomattavasti, kun sen ferromagneettiset kerrokset ovat keskenään rinnakkaiset. Vastaavasti, kun nämä kerrokset ovat vastakkaissuuntaiset, vastus kasvaa dramaattisesti. GMR-laitteen rakennelma on esitetty alla olevassa kuviossa.

Erityinen magnetoresistanssi (EMR)

Erityisen magnetoresistanssin tapauksessa metallin vastus näyttää erityistä käytöstä. Ilman magneettikenttää vastus on suhteellisen korkea. Kuitenkin, kun magneettikenttä sovelletaan, vastus laskee huomattavasti, osoittaen merkittävää sähköisten ominaisuuksien muutosta magneettisen vaikutuksen seurauksena.

Tunnelimagnetoresistori (TMR)

Tunnelimagnetoresistorissa virta kulkee ainutlaatuisella tavalla. Virta kulkee yhdestä ferromagneettisesta elektrodista, kulkiessaan eristyvän kerroksen läpi. Virta, joka tunneltuu tämän eristyvän esteen läpi, on erittäin riippuvainen ferromagneettisten elektroiden magnetisoinnin suhteellisesta suunnasta. Eri magnetisoitujen suuntien avulla voidaan saada huomattavia eroja tunneltavan virran määrässä, mikä tekee tästä ominaisuudesta olennaisen monissa sovelluksissa, jotka perustuvat tarkkaan hallintaan ja havaintoon magneettisia tiloja.

Suhteellisen suuri virta virtaa, kun elektroiden magnetisointisuunnat ovat rinnakkaiset. Vastaavasti vastakkaissuuntaiset magnetisointisuunnat lisäävät huomattavasti vastusta kerrosten välillä.