자기저항이란 무엇인가요？

정의: 특정 금속과 반도체 소재의 저항이 자기장에 의해 변화하는 현상을 자기저항 효과라고 합니다. 이 효과를 나타내는 구성요소는 자기저항기(magnetoresistor)라고 불립니다. 간단히 말해, 자기저항기는 외부 자기장의 세기와 방향에 따라 저항값이 변하는 종류의 저항기입니다.

자기저항기는 자기장의 존재를 감지하고, 그 세기를 측정하며, 자기력의 방향을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 이러한 자기저항기는 인듐 안티모나이드나 인듐 아르세니드와 같은 반도체 소재로 제작되며, 이들은 자기장에 매우 민감한 독특한 전기적 특성을 가지고 있습니다.

자기저항기의 작동 원리

자기저항기의 작동은 전기역학의 원리에 기반합니다. 이 원리에 따르면, 자기장 속에서 전류가 흐르는 도체에 작용하는 힘은 전류의 방향을 바꿀 수 있습니다. 자기장이 없는 경우, 자기저항기 내의 전하 운반자는 직선 경로를 따라 이동합니다.

그러나 자기장이 있는 경우, 전류의 방향이 바뀌고 반대 방향으로 흐릅니다. 전류의 굴절 경로는 전하 운반자의 이동성을 증가시켜 충돌을 일으킵니다. 이러한 충돌은 열 형태로 에너지를 잃게 되며, 이 열은 자기저항기의 저항을 증가시킵니다. 자유 전자가 제한되어 있기 때문에, 자기저항기에는 매우 작은 크기의 전류만이 흐릅니다.

자기저항기에서 전자의 편차는 그들의 이동성에 의존합니다. 반도체 소재의 전하 운반자의 이동성은 금속보다 높습니다. 예를 들어, 인듐 아르세니드나 인듐 안티모나이드의 이동성은 약 2.4 m²/Vs입니다.

자기저항기의 특성

자기저항기의 감도는 자기장의 세기에 따라 달라집니다. 자기저항기의 특성 곡선은 아래 그림에 표시되어 있습니다.

자기장이 없을 때, 자기저항기 요소의 자화는 0입니다. 자기장이 약간 증가하기 시작하면, 소재의 저항은 점 b에 해당하는 값으로 접근합니다. 자기장의 존재는 자기저항기 요소를 45º 각도로 회전시킵니다.

자기장의 세기가 더 증가하면, 곡선은 포화점인 점 C에 도달합니다. 자기저항 요소는 일반적으로 초기 상태(점 O) 또는 점 b 근처에서 작동합니다. 점 b에서 작동할 때, 선형 특성을 나타냅니다.

자기저항기의 유형

자기저항기는 주로 다음 세 가지 유형으로 분류됩니다:

거대 자기저항(GMR)

거대 자기저항 효과에서는, 자기저항기의 강자성층이 서로 평행하게 정렬될 때 저항이 크게 감소합니다. 반대로, 이러한 층이 반평행으로 정렬되면 저항이 크게 증가합니다. GMR 장치의 구조적 구성은 아래 그림에 설명되어 있습니다.

특수 자기저항(EMR)

특수 자기저항의 경우, 금속의 저항은 자기장의 유무에 따라 다르게 행동합니다. 자기장이 없을 때, 저항은 상대적으로 높습니다. 그러나 자기장을 적용하면, 저항이 크게 감소하여 자기장의 영향에 따른 전기적 특성의 명확한 변화를 보여줍니다.

터널 자기저항(TMR)

터널 자기저항에서는 전류 전도가 고유한 방식으로 이루어집니다. 전류는 하나의 강자성 전극에서 시작하여 절연층을 통과합니다. 이 절연 장벽을 통해 터널링하는 전류의 양은 강자성 전극의 자화 방향에 크게 의존합니다. 다른 자화 방향은 터널링 전류의 크기에 상당한 차이를 가져오므로, 이 특성은 다양한 응용 분야에서 자기 상태의 정밀한 제어 및 검출에 중요합니다.

전극의 자화 방향이 서로 평행할 때 상대적으로 큰 전류가 흐릅니다. 반대로, 자화 방향이 반평행으로 배열되면, 층 사이의 저항이 크게 증가합니다.