Расчёт электрических фильтров Расчет управляемых тиристорных выпрямителей Расчет однофазного трансформатора Исследование полевых транзисторов Исследование стабилитронов

Примеры выполнения курсовых, контрольных работ по электронике

Сверхгигантский эффект магнитосопротивления

Магнитосопротивление (МС), или магниторезистивный эффект, заключается в изменении электрического сопротивления твердых тел под действием внешнего магнитного поля. В обычных материалах (металлы, металлические сплавы, полупроводники, т.е. гомогенные проводники) причина магниторезистивного эффекта заключается в искривлении траекторий носителей тока в магнитном поле. Очевидно, что по этой причине для гомогенных проводников значимой является взаимно перпендикулярная ориентация электрического тока и магнитного поля. На практике обычно оперируют понятием "относительное Магнитосопротивление", которое имеет вид

р/р0 = [R(Н) – R(H)/R(0)] 100%.

Здесь R(Н) – сопротивление в каком-либо фиксированном поле; R(0) – сопротивление в нулевом магнитном поле. У металлов и их сплавов относительное изменение электросопротивления при комнатной температуре весьма невелико и составляет 0,01 – 0,1 % в полях 10 кЭ. Как правило, такое магнитосопротивления положительное, т.е. увеличение магнитного поля приводит к возрастанию электросопротивления. Следует еще раз подчеркнуть, что все сказанное выше относится к проводникам, структура которых характеризуется гомогенностью.

Современная технология позволила сделать серьезный шаг в области материаловедения и открыла возможности синтеза сложных композиционных материалов и соединений, характеризующихся гетерогенной, многофазной структурой или значительной неоднородностью физических свойств на микроскопическом уровне (гранулированные композиты, многослойные структуры, синтетические перовскиты на основе оксидов марганца — манганиты). В течение последнего десятилетия было установлено, что в таких материалах относительное магнитосопротивление может достигать десятков, сотен и даже десятков тысяч процентов в сильных магнитных полях. Значения МС в новых материалах настолько велики, что были специально введены термины "гигантское магнитосопротивление" (ГМС) и "колоссальное магнито­сопротивление" (КМС). (далее по тексту аббревиатура МС будет относиться только к материалам, проявляющим ГМС и КМС). Совершенно очевидно, что механизмы, обусловливающие возникновения ГМС и КМС, иные, нежели в простых проводниках, и значительно более сложные. В зависимости от типа материала МС связано либо с рассеянием поляризованных носителей заряда на структурных неоднородностях проводника, либо с туннелированием поляризован­ных электронов через непроводящие участки композита, либо с изменением проводящих свойств всего материала (переход изолятор – металл).

Все эти материалы, а также механизмы, отвечающие за появление МС, активно исследуются в настоящее время, поскольку МС чрезвычайно привлекательно для практического использования и интерес к изучению этого явления подогревается постоянно возникающими новыми вариантами применения МС в технике. Наиболее традиционные направления использования материалов, обладающих МС, – это изготовление головок для считывания информации с магнитных носителей, создание новых, надежных носителей информации, производство новых сверхчувствительных датчиков магнитного поля и температуры и т.д.

 

2.4.3.Спиновый ток

В отличие от заряда спин электрона можно передавать с малыми потерями энергии. Например, в полупроводнике GaAs время спиновой релаксации равно 100 пс (в 103 раз больше времени жизни дырок). Поэтому актуальным для спинтроники является изучение законов движения спинов. Предсказано [8], что приложенное к полупроводнику электрическое поле вызовет поток электронных спинов из-за спин-орбитального взаимодействия и топологических эффектов.

Направление спинового тока находится по правилу, согласно которому векторы напряженности электрического поля, ориентации спинов и плотности спинового тока должны быть взаимно перпендикулярны. Казалось бы, что вместо использования напряжения для перемещения электронов (электроника) можно применять приложенное к полупроводникам напряжение для управления без диссипативным движением спинов электронов (спинтроника). Однако в присутствии спин-орбитального взаимодействия спин электрона, строго говоря, не сохраняется. Поэтому к расчету спиновых токов следует относиться с большой осторожностью.

Включение электрического поля нарушает симметрию системы относительно инверсии пространственных координат. Тогда при обращении времени меняется и направление тока, и направление спина, т.е. спиновый ток сохраняется. Входящие в закон Ома проводимость и напряженность электрического поля не меняются при обращении времени, что в конечном счете вызывает неизбежное выделение джоулева тепла. Наоборот, спиновая проводимость, связывающая плотность спинового тока и напряжен­ность электрического поля, оказывается без диссипативной, как, например, в сверхпроводнике. Однако выведенные спиновые токи не могут быть транспортными, т.е. их нельзя применять для переноса спинов и инжекции их в материал. В самом деле, в полупроводниках с кристаллическими решетками без центра инверсии (например, полупроводники GaAs, GaP с решетками цинковой обманки) незатухающие спиновые токи должны существовать в состоянии термодинамического равновесия и без внешних электрических полей. Таким образом, предложенные в работе [8] спиновые токи, хотя и являются без диссипативными, оказываются чисто фоновыми. Строгие расчеты показывают, что фоновые спиновые токи не дают вклад в перенос самих спинов, как в двумерном, так и в одномерном случаях.

2.5.Приборы спинтроники

Начало новой электроники, базирующейся на физических эффектах, обусловленных спином, относят к 1988 г., когда было открыто явление гигантской магниторезистивности (Giant Magneto Resistance – GMR). GMR наблюдается в искусственных тонкопленочных материалах, составленных из чередующихся ферромагнитных и немагнитных слоев. Сопротивление такого композита минимально, когда магнитные поля в ферромагнитных слоях направлены параллельно, и максимально, когда они антипараллельны ном направлении.

Привлекательной чертой многих устройств, создаваемых на основе спин-зависимых свойств материалов, является их сходство с классическими вентилями, диодами, транзисторами и др., используемыми в микроэлектронных схемах. Принцип действия новых приборов легко понять, исходя из аналогии перехода «спин вверх—спин вниз» для материалов с разной поляризацией электронных спинов с обычным p–n переходом для полупроводников с p- и n-типами проводимости. Имеется также возможность создания комбинированных полупроводниковых ферромагнитных устройств с использованием достиже­ний микросхемотехники. Рассмотрим подробнее эффекты и приборы на основе спинтроники.

Рисунок 4. Структура спинового клапана

2.5.1.Спиновый диод

В основе устройств, использующих GMR, лежит так называемый спиновый клапан (spin valve), структура которого представлена на рис. 4. Он состоит из двух слоев ферромагнетика (сплавы никеля, железа и кобальта), разделенных тонким слоем немагнитного металла (обычно это медь). В одном из слоев ферромагнетика магнитное поле "закреплено", другими словами, намагниченность данного слоя относительно нечувствительна к изменениям внешнего магнитного поля. Такая фиксация магнитного поля обычно выполняется с помощью плотно прилегающего слоя антиферромагнетика. Образующаяся граница раздела между двумя пленками препятствует изменению намагниченности в ферромагнетике. Другой слой ферромагнетика является "свободным" – его намагниченность может быть изменена внешним полем относительно малой напряженности. Сопротивление спинового клапана при антипараллельных магнитных полях в ферромагнетиках на 5 – 10 % выше, чем при параллельных.

Рисунок 5. Магнитный туннельный переход

Еще один тип спинового клапана можно построить, используя явление магнитного туннельного перехода (Magnetic Tunnel Junction – MTJ). Такие клапаны состоят из закрепленного и свободного магнитных слоев, которые разделены очень тонким слоем изолятора, обычно им служит окись алюминия (рис. 5). Сопротивление здесь изменяется с помощью внешнего магнитного поля точно таким же способом, как и в предыдущем случае. При антипараллельных магнитных полях в ферромагнетиках его значение увеличивается на 20 – 40%.

2.5.2.Спиновый транзистор Датта-Даса

Практически в любой статье по устройствам спинтроники в качестве будущего спинтронного прибора упоминается так называемый транзистор Датта–Даса – баллистический (без рассеяния) полевой транзистор. В отличие от обычного транзистора эмиттер в нем – источник спин-поляризованных электронов, а коллектор – спиновый фильтр; в зависимости от напряжения на базе ток может быть включен или выключен. Под напряжением эмиттер инжектирует электроны с фиксированным (ориентированным) спином, который прецессирует в течение времени пролета электрона к коллектору. Прецессия спина возникает благодаря спин-орбитальному взаимодействию и приложенному напряжению, которое для движущегося электрона трансформируется в эффективное магнитное поле (эффект Бычкова–Рашбы [7]). Так как магнитный коллектор из всех подлетающих электронов с прецессирующим спином отбирает электроны с определенной спиновой ориентацией, то электрический ток оказывается осциллирующей функ­цией приложенного к схеме напряжения. Предложенное устройство было названо электронным аналогом электрооптического модулятора. Можно также представить и различные усовершенствования спинового транзистора, связанные с взаимной ориентацией векторов намагниченности эмиттера и коллектора. Однако обычное спин-независимое рассеяние электронов приводит в транзисторе к перемешиванию спиновых состояний вследствие спин-орбитального взаимодействия. Таким образом, спиновый транзистор может успешно работать только в баллистическом режиме, но в таком случае теряются его преимущества перед обычным баллистическим транзистором.

Рисунок 6. Спиновый полевой транзистор

Спиновый транзистор «усовер­шенствован» с учетом так называемой поправки Дрессельхауса к спин-орбитальному взаимодействию для трехмерных систем с кристал­лическими решетками, асимметрич­ны­ми относительно инверсии простран­ственных координат.

В этом случае когерентный перенос носителей между связанными каналами создает дополнительную спиновую прецессию и при одинаковых константах Рашбы и Дрессельхауса в спин-орбитальном взаимодействии прекращается влияние рассеяния на спин, так что спиновый транзистор может работать даже в небаллистическом режиме. Хотя создание спиновых транзисторов сталкивается с рядом трудностей, таких как наличие магнитных полей рассеяния и низкая эффективность спиновой инжекции, результаты выполненных в последнее время экспериментов указывают на возможность преодоления этих трудностей при использовании новых РМП.

Явления в полупроводниках традиционно описывались с квантово-механических позиций. Пришло время и для специальной теории относительности, поскольку в 1990 г. двое американских ученых, Суприйо Датта (Supriyo Datta) и Бисуоджит Дас (Biswajit Das), рассмотрели возможность создания спинового полевого транзистора (spin Field-Effect Transistor ­ spin FET), основанного на релятивистском эффекте. В обычном полевом транзисторе напряжение, прикладываемое к затвору, управляет величиной тока между истоком и стоком. В релятивистском полевом транзисторе истоком и стоком должны служить ферромагнетики с параллельно ориентированными спинами электронов, соединенные узким полупроводниковым каналом (рис. 6). Спины инжектируемых в исток электронов устанавливаются параллельно магнитным полям истока и стока. Таким образом, от истока к стоку течет спин-поляризованный ток. При этом электроны должны двигаться со скоростью, составляющей 1 % от скорости света в вакууме. Величина тока регулируется посредством приложенного к затвору напряжения. Фокус состоит в следующем. Если перейти в неподвижную систему отсчета, связанную с электроном, то, согласно специальной теории относительности, в ней появляется магнитное поле, напряженность которого определяется (в гауссовой системе единиц) формулой

,

где V – скорость движения электронов, E – напряженность электрического поля, созданного приложенным к затвору потенциалом, а квадратные скобки обозначают векторное произведение. При достаточной величине напряженности магнитного поля (таким образом, скорость движения электронов в данном случае весьма существенна) спины электронов изменяют ориентацию на противоположную. В результате сопротивление канала возрастает и ток уменьшается.


3.Заключение.

Устройства, созданные на основе спинтроники, обещают решить многие и существующие, и ожидаемые в ближайшем будущем проблемы традиционной микроэлектроники: энергонезависимость, уменьшение энергопотребления, увеличение плотности логических элементов и скорости обработки данных.

Современные устройства микроэлектроники основаны на токе зарядов. Возможно, в будущем будут созданы аналогичные устройства на токе спинов. Представить чистый спиновый ток без тока зарядов можно таким образом. Пусть в одну сторону бегут электроны со спином ориентированным вверх, а в другую сторону бегут столько же электронов со спином вниз. Предполагается, что устройства спинтроники будут иметь большую скорость и меньшую энергию переключения. Эта область нанотехнологий обещает привести к созданию миниатюрных электронных устройств, принципиально отличных от нынешних, обладающих высоким быстродействием, малыми размерами и малым энергопотреблением.

Выбираем тип транзистора.

При выборе транзистора руководствуются следующими соображениями:

а) Определяем предельно-допустимый ток.

 ,

где >– наибольшая возможная амплитуда тока нагрузки;  наибольший допустимый ток коллектора, приводится в справочниках, - амплитуда выходного напряжения.

б) Определяем предельно-допустимое напряжение коллектор-эмиттер.

Выбор предельно-допустимого напряжения коллектор-эмиттер производится по напряжению питания усилителя.

.

где > – наибольшее допустимое напряжение между коллектором и эмиттером приводится в справочниках.

Но поскольку напряжение питания нам предстоит еще определить, то воспользуемся приближенной формулой его расчета:

в) Для выбранного типа транзистора необходимо выписать из справочных данных (. приложение 3) значения коэффициентов усиления по току для ОЭ > и  (или  и ). В некоторых справочниках дается коэффициент усиления  по току для схемы ОБ и начальный ток коллектора . Тогда  (при выборе режима работы транзистора необходимо выполнить условие ).

г) Для каскадов усилителей напряжения обычно применяют маломощные транзисторы.

д) К заданному диапазону температур удовлетворяет любой транзистор.


Курсовые по электронике