磁気抵抗素子とは何か

定義：特定の金属や半導体材料の抵抗値が磁場の存在下で変化する現象を磁気抵抗効果と呼びます。この効果を示す部品は磁気抵抗器と呼ばれます。単純に言えば、磁気抵抗器とは外部磁場の強度と方向によって抵抗値が変動するタイプの抵抗器です。磁気抵抗器は磁場の存在を検出し、その強度を測定し、磁力の方向を決定する上で重要な役割を果たします。これらは通常、インジウムアンチモンイドやインジウムヒ素化物などの半導体材料から製造され、これらの材料は磁場に対して非常に敏感な独自の電気特性を持っています。

磁気抵抗器の動作原理

磁気抵抗器の動作は電磁力学の原理に基づいています。この原理によれば、磁場中の電流を通す導体に働く力は電流の方向を変えることができます。磁場がない場合、磁気抵抗器内の電荷キャリアは直線的な経路を移動します。

しかし、磁場が存在すると、電流の方向が変わり逆方向に流れます。曲がった経路を通る電流により、電荷キャリアの移動度が増加し衝突が発生します。これらの衝突によりエネルギーが熱として失われ、これが磁気抵抗器の抵抗値を増加させます。自由電子の数が限られているため、磁気抵抗器には非常に小さな電流しか流れません。

磁気抵抗器における電子の偏向はその移動度に依存します。半導体材料における電荷キャリアの移動度は金属よりも高いです。例えば、インジウムヒ素化物やインジウムアンチモンイドの移動度は約2.4 m²/Vsです。

磁気抵抗器の特性

磁気抵抗器の感度は磁場の強度に依存します。磁気抵抗器の特性曲線は以下の図に示されています。

磁場がない場合、磁気抵抗器要素の磁化はゼロです。磁場が少し増加し始めると、材料の抵抗値は点bに対応する値に近づきます。磁場の存在により、磁気抵抗器要素は45ºの角度で回転します。

さらに磁場の強度が増加すると、曲線は飽和点Cに達します。磁気抵抗器要素は通常、初期状態（点O）または点b付近で動作します。点bで動作する際には、線形の特性を示します。

磁気抵抗器の種類

磁気抵抗器は主に以下の3つのタイプに分類されます：

巨大磁気抵抗 (GMR)

巨大磁気抵抗効果では、磁気抵抗器の抵抗値は強磁性層が互いに並行になるときに大幅に減少します。一方、これらの層が反平行に配置されるときには、抵抗値は大幅に増加します。GMRデバイスの構造構成は以下の図に示されています。

特異磁気抵抗 (EMR)

特異磁気抵抗の場合、金属の抵抗は特異な挙動を示します。磁場がない場合、抵抗は比較的高くなります。しかし、磁場が適用されると、抵抗は大幅に低下し、磁場の影響に対する電気特性の顕著な変化を示します。

トンネル磁気抵抗器 (TMR)

トンネル磁気抵抗器では、電流の伝導は独特な方法で行われます。電流は一つの強磁性電極から通過し、絶縁層を通過します。絶縁バリアを通過するトンネル電流の量は、強磁性電極間の磁化の相対的な向きに大きく依存します。異なる磁化方向により、トンネル電流の大きさに大きな変動が生じ、これは磁気状態の正確な制御と検出に依存する様々なアプリケーションにとって重要な特性です。

電極の磁化方向が互いに並行である場合、比較的大きな電流が流れます。一方、磁化方向が反平行である場合は、層間の抵抗が大幅に増加します。