Що таке магніторезистор?

Визначення: Коли опір певних металів та напівпровідникових матеріалів змінюється при наявності магнітного поля, це явище називають ефектом магнеторезистивності. Компоненти, що виявляють цей ефект, називаються магнеторезисторами. Простіше кажучи, магнеторезистор - це тип резистора, чий значення опору коливається зі зміною сили та напряму зовнішнього магнітного поля.

Магнеторезистори грають ключову роль у виявленні наявності магнітного поля, вимірюванні його сили та визначенні напряму магнітної сили. Вони зазвичай виготовляються з напівпровідникових матеріалів, таких як індій-антимонід або індій-арсенід, які мають унікальні електричні властивості, що роблять їх високочутливими до магнітних полів.

Принцип роботи магнеторезистора

Робота магнеторезистора базується на принципах електродинаміки. Згідно з цим принципом, сила, що діє на провідник, що несе струм, у магнітному полі, може змінити напрям струму. У відсутності магнітного поля носії заряду в магнеторезисторі рухаються по прямолінійному шляху.

Однак, при наявності магнітного поля, напрям струму змінюється і він протікає в протилежному напрямку. Круговий шлях струму збільшує подвижність носіїв заряду, що призводить до зіткнень. Ці зіткнення призводять до втрати енергії у вигляді тепла, і це тепло спричиняє збільшення опору магнеторезистора. Лише дуже невелика величина струму протікає через магнеторезистор через обмежену кількість вільних електронів.

Зхилення електронів в магнеторезисторі залежить від їх подвижності. Подвижність носіїв заряду в напівпровідникових матеріалах вища порівняно з металами. Наприклад, подвижність індій-арсеніду або індій-антимоніду становить приблизно 2,4 м²/Вс.

Характеристики магнеторезистора

Чутливість магнеторезистора залежить від сили магнітного поля. Характеристична крива магнеторезистора показана на нижньому малюнку.

У відсутності магнітного поля, намагніченість елемента магнеторезистора дорівнює нулю. Як тільки магнітне поле починає трохи зростати, опір матеріалу наближається до значення, що відповідає точці b. Наявність магнітного поля призводить до повороту елемента магнеторезистора на кут 45º.

З подальшим зростанням сили магнітного поля, крива досягає точки насичення, позначену точкою C. Елемент магнеторезистора зазвичай працює або в початковому стані (точка O), або поблизу точки b. Працюючи в точці b, він демонструє лінійну характеристику.

Типи магнеторезисторів

Магнеторезистори можна розділити на три основні типи:

Гігантомагнеторезистивність (GMR)

У випадку ефекту гігантомагнеторезистивності, опір магнеторезистора значно зменшується, коли його феромагнітні шари вирівняні паралельно один одному. Навпаки, коли ці шари в антипаралельному вирівнянні, опір значно зростає. Структурна конфігурація GMR-пристрою показана на нижньому малюнку.

Екстраординарна магнеторезистивність (EMR)

У випадку екстраординарної магнеторезистивності, опір металу демонструє відмінне поведінку. У відсутності магнітного поля, опір відносно високий. Однак, коли застосовується магнітне поле, опір значно знижується, демонструючи помітну зміну електричних властивостей у відповідь на магнітний вплив.

Тунельний магнеторезистор (TMR)

У тунельному магнеторезисторі, провід струму відбувається унікальним способом. Струм проходить від одного феромагнітного електрода, переходячи через ізоляційний шар. Кількість струму, що проходить через цей ізоляційний бар'єр, сильно залежить від відносного орієнтування намагніченості в феромагнітних електродах. Різні напрями намагніченості можуть призводити до значних варіацій в величині тунельного струму, що робить цю властивість важливою для різних застосувань, які залежать від точного контролю та виявлення магнітних станів.

Приблизно великий струм буде протікати, коли напрями намагніченості електродів паралельні один одному. Навпаки, антипаралельне розташування напрямів намагніченості значно збільшує опір між шарами.