Что такое магниторезистор?

Определение: Когда сопротивление определенных металлов и полупроводниковых материалов изменяется в присутствии магнитного поля, это явление называется магниторезистивным эффектом. Компоненты, которые демонстрируют этот эффект, называются магниторезисторами. Проще говоря, магниторезистор — это тип резистора, значение сопротивления которого колеблется в зависимости от силы и направления внешнего магнитного поля.

Магниторезисторы играют важную роль в обнаружении наличия магнитного поля, измерении его силы и определении направления магнитной силы. Обычно они изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как индий-сурьмянистый или индий-мышьяковистый, которые обладают уникальными электрическими свойствами, делающими их очень чувствительными к магнитным полям.

Принцип работы магниторезистора

Работа магниторезистора основана на принципах электродинамики. Согласно этому принципу, сила, действующая на проводник, по которому течет ток, в магнитном поле, может изменить направление тока. В отсутствие магнитного поля носители заряда в магниторезисторе движутся по прямой траектории.

Однако в присутствии магнитного поля направление тока изменяется и он течет в противоположном направлении. Закругленная траектория тока увеличивает подвижность носителей заряда, что приводит к столкновениям. Эти столкновения вызывают потерю энергии в виде тепла, а это тепло вызывает увеличение сопротивления магниторезистора. Только очень маленькая величина тока протекает через магниторезистор из-за ограниченного числа свободных электронов.

Отклонение электронов в магниторезисторе зависит от их подвижности. Подвижность носителей заряда в полупроводниковых материалах выше, чем в металлах. Например, подвижность индий-мышьяковистого или индий-сурьмянистого составляет примерно 2,4 м²/Вс.

Характеристики магниторезистора

Чувствительность магниторезистора зависит от силы магнитного поля. Характеристическая кривая магниторезистора показана на рисунке ниже.

В отсутствие магнитного поля намагниченность элемента магниторезистора равна нулю. По мере небольшого увеличения магнитного поля сопротивление материала приближается к значению, соответствующему точке b. Наличие магнитного поля вызывает поворот элемента магниторезистора на угол 45º.

При дальнейшем увеличении силы магнитного поля кривая достигает точки насыщения, обозначенной точкой C. Магниторезистивный элемент обычно работает либо в начальном состоянии (точка O), либо близко к точке b. При работе в точке b он демонстрирует линейную характеристику.

Типы магниторезисторов

Магниторезисторы можно разделить на три основных типа:

Гигантское магнитосопротивление (GMR)

В случае гигантского магнитосопротивления сопротивление магниторезистора значительно уменьшается, когда его ферромагнитные слои ориентированы параллельно друг другу. Наоборот, когда эти слои находятся в антипараллельной ориентации, сопротивление резко возрастает. Структурная конфигурация устройства GMR показана на рисунке ниже.

Экстраординарное магнитосопротивление (EMR)

В случае экстраординарного магнитосопротивления сопротивление металла проявляет специфическое поведение. В отсутствие магнитного поля сопротивление относительно высоко. Однако, когда применяется магнитное поле, сопротивление значительно падает, демонстрируя заметное изменение электрических свойств в ответ на магнитное воздействие.

Туннельный магниторезистор (TMR)

В туннельном магниторезисторе ток проводится особым образом. Ток проходит от одного ферромагнитного электрода, пересекая изолирующий слой. Количество тока, которое туннелирует через этот изолирующий барьер, сильно зависит от относительной ориентации намагниченности в ферромагнитных электродах. Различные направления намагниченности могут привести к значительным изменениям в величине туннелирующего тока, что делает это свойство важным для различных применений, зависящих от точного контроля и обнаружения магнитных состояний.

Существенно большой ток будет течь, когда направления намагниченности электродов параллельны друг другу. Наоборот, антипараллельное расположение направлений намагниченности значительно увеличивает сопротивление между слоями.