Cosa è un magnetoresistore?

Definizione: Quando la resistenza di certi metalli e materiali semiconduttori cambia in presenza di un campo magnetico, questo fenomeno è chiamato effetto magnetoresistivo. I componenti che esibiscono questo effetto sono chiamati magnetoresistori. In parole povere, un magnetoresistore è un tipo di resistore la cui valore di resistenza fluttua con l'intensità e la direzione del campo magnetico esterno.

I magnetoresistori svolgono un ruolo cruciale nella rilevazione della presenza di un campo magnetico, nella misurazione della sua intensità e nella determinazione della direzione della forza magnetica. Sono tipicamente realizzati con materiali semiconduttori come l'antimonio-indio o l'arsenico-indio, che possiedono proprietà elettriche uniche che li rendono altamente sensibili ai campi magnetici.

Principio di funzionamento del magnetoresistore

Il funzionamento di un magnetoresistore si basa sul principio dell'elettrodinamica. Secondo questo principio, la forza agente su un conduttore portatore di corrente in un campo magnetico può cambiare la direzione del corrente. In assenza di un campo magnetico, i portatori di carica nel magnetoresistore si muovono lungo un percorso rettilineo.

Tuttavia, in presenza di un campo magnetico, la direzione del corrente cambia e scorre nella direzione opposta. Il percorso tortuoso del corrente aumenta la mobilità dei portatori di carica, il che porta a collisioni. Queste collisioni causano la perdita di energia sotto forma di calore, e questo calore provoca un aumento della resistenza del magnetoresistore. Solo una quantità molto piccola di corrente scorre nel magnetoresistore a causa della presenza di un numero limitato di elettroni liberi.

La deviazione degli elettroni in un magnetoresistore dipende dalla loro mobilità. La mobilità dei portatori di carica nei materiali semiconduttori è più alta rispetto a quella nei metalli. Ad esempio, la mobilità dell'arsenico-indio o dell'antimonio-indio è di circa 2,4 m²/Vs.

Caratteristiche del magnetoresistore

La sensibilità di un magnetoresistore dipende dall'intensità del campo magnetico. La curva caratteristica di un magnetoresistore è mostrata nella figura sottostante.

In assenza di un campo magnetico, la magnetizzazione dell'elemento magnetoresistore è zero. Man mano che il campo magnetico inizia ad aumentare leggermente, la resistenza del materiale si avvicina al valore corrispondente al punto b. La presenza del campo magnetico causa la rotazione dell'elemento magnetoresistore di un angolo di 45º.

Con un ulteriore aumento dell'intensità del campo magnetico, la curva raggiunge un punto di saturazione, indicato dal punto C. L'elemento magnetoresistivo opera generalmente nello stato iniziale (punto O) o vicino al punto b. Quando opera al punto b, esibisce una caratteristica lineare.

Tipi di magnetoresistori

I magnetoresistori possono essere categorizzati in tre tipi principali:

Magnetoresistenza gigante (GMR)

Nell'effetto Magnetoresistenza gigante, la resistenza del magnetoresistore diminuisce significativamente quando i suoi strati ferromagnetici sono allineati parallelamente tra loro. Al contrario, quando questi strati sono in un allineamento antiparallelo, la resistenza aumenta notevolmente. La configurazione strutturale di un dispositivo GMR è illustrata nella figura sottostante.

Magnetoresistenza straordinaria (EMR)

Nel caso della Magnetoresistenza straordinaria, la resistenza del metallo mostra un comportamento distintivo. In assenza di un campo magnetico, la resistenza è relativamente alta. Tuttavia, quando viene applicato un campo magnetico, la resistenza diminuisce notevolmente, dimostrando un cambiamento notevole nelle proprietà elettriche in risposta all'influenza magnetica.

Magnetoresistore a tunnel (TMR)

In un Magnetoresistore a tunnel, la conduzione del corrente avviene in modo unico. Il corrente attraversa da un elettrodo ferromagnetico, passando attraverso uno strato isolante. La quantità di corrente che tunnela attraverso questa barriera isolante dipende fortemente dall'orientamento relativo della magnetizzazione negli elettrodi ferromagnetici. Diversi orientamenti della magnetizzazione possono portare a variazioni significative nell'entità della corrente di tunnel, rendendo questa proprietà cruciale per varie applicazioni che si basano sul controllo e la rilevazione precisa degli stati magnetici.

Un corrente relativamente grande scorre quando le direzioni di magnetizzazione degli elettrodi sono parallele tra loro. Al contrario, un arrangiamento antiparallelo delle direzioni di magnetizzazione aumenta significativamente la resistenza tra gli strati.