Wat is een magnetoresistor?

Definitie: Wanneer de weerstand van bepaalde metalen en halfgeleidermaterialen verandert in aanwezigheid van een magnetisch veld, wordt dit verschijnsel het magnetoresistieve effect genoemd. De componenten die dit effect vertonen, worden magnetoresistoren genoemd. In eenvoudige termen is een magnetoresistor een soort weerstand waarvan de weerstandswaarde fluctueert met de sterkte en richting van een externe magnetische veld.

Magnetoresistoren spelen een cruciale rol bij het detecteren van de aanwezigheid van een magnetisch veld, het meten van de sterkte ervan en het bepalen van de richting van de magnetische kracht. Ze worden meestal gemaakt van halfgeleidermaterialen zoals indiumantimonide of indiumarsenide, die unieke elektrische eigenschappen hebben waardoor ze zeer gevoelig zijn voor magnetische velden.

Werking van Magnetoresistor

De werking van een magnetoresistor is gebaseerd op het principe van elektrodynamica. Volgens dit principe kan de kracht die op een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld werkt, de richting van de stroom veranderen. Wanneer er geen magnetisch veld is, bewegen de ladingdragers in de magnetoresistor langs een rechte baan.

Echter, in aanwezigheid van een magnetisch veld verandert de richting van de stroom en stroomt deze in de tegengestelde richting. De kronkelige baan van de stroom verhoogt de mobiliteit van de ladingdragers, wat leidt tot botsingen. Deze botsingen resulteren in energieverlies in de vorm van warmte, en deze warmte zorgt voor een toename van de weerstand van de magnetoresistor. Alleen een zeer kleine hoeveelheid stroom stroomt door de magnetoresistor vanwege de aanwezigheid van een beperkt aantal vrije elektronen.

De afbuiging van elektronen in een magnetoresistor hangt af van hun mobiliteit. De mobiliteit van ladingdragers in halfgeleidermaterialen is hoger vergeleken met die in metalen. Bijvoorbeeld, de mobiliteit van indiumarsenide of indiumantimonide is ongeveer 2,4 m²/Vs.

Eigenschappen van Magnetoresistor

De gevoeligheid van een magnetoresistor hangt af van de sterkte van het magnetische veld. De karakteristieke kromme van een magnetoresistor is weergegeven in de figuur hieronder.

In afwezigheid van een magnetisch veld is de magnetisatie van het magnetoresistorelement nul. Naarmate het magnetische veld licht toeneemt, nadert de weerstand van het materiaal de waarde die overeenkomt met punt b. De aanwezigheid van het magnetische veld zorgt ervoor dat het magnetoresistorelement roteert over een hoek van 45º.

Bij een verdere toename van de sterkte van het magnetische veld bereikt de kromme een verzadigingspunt, aangeduid met punt C. Het magnetoresistive element werkt meestal in de initiële staat (punt O) of in de buurt van punt b. Bij werken op punt b vertoont het een lineair karakter.

Soorten Magnetoresistoren

Magnetoresistoren kunnen worden ingedeeld in drie hoofdtypen:

Groot Magnetoresistief Effect (GMR)

Bij het Groot Magnetoresistief Effect neemt de weerstand van de magnetoresistor aanzienlijk af wanneer de ferromagnetische lagen parallel aan elkaar zijn gericht. Daarentegen neemt de weerstand sterk toe wanneer deze lagen in een antiparallelle oriëntatie staan. De structuurconfiguratie van een GMR-apparaat is weergegeven in de figuur hieronder.

Uitzonderlijk Magnetoresistief Effect (EMR)

Bij Uitzonderlijk Magnetoresistief Effect gedraagt de weerstand van het metaal op een kenmerkende manier. In afwezigheid van een magnetisch veld is de weerstand relatief hoog. Echter, wanneer een magnetisch veld wordt toegepast, daalt de weerstand aanzienlijk, wat een opvallende verandering in de elektrische eigenschappen in reactie op de magnetische invloed demonstreert.

Tunnelmagnetoresistor (TMR)

Bij een Tunnelmagnetoresistor vindt de stroomconductie op een unieke manier plaats. De stroom gaat vanaf één ferromagnetische elektrode, door een isolerende laag heen. De hoeveelheid stroom die door deze isolerende barrière tunnelde, hangt sterk af van de relatieve oriëntatie van de magnetisatie in de ferromagnetische elektroden. Verschillende magnetisatierichtingen kunnen leiden tot aanzienlijke variaties in de grootte van de tunneldoorstroom, waardoor deze eigenschap cruciaal is voor verschillende toepassingen die afhankelijk zijn van nauwkeurige controle en detectie van magnetische staten.

Een relatief grote stroom zal stromen wanneer de magnetisatierichtingen van de elektroden parallel aan elkaar zijn. Daarentegen verhoogt een antiparallelle rangschikking van de magnetisatierichtingen aanzienlijk de weerstand tussen de lagen.