Магниторезисторы

Приборы магнитоэлектроники

Магниторезисторы

Магниторезисторы – это полупроводниковые резисторы, у которых электрическое сопротивление зависит от действующего на резистор магнитного поля. Изменение электрического сопротивления под действием поперечного магнитного поля называют магниторезистивным эффектом (эффектом Гаусса). Этот эффект объясняется следующим образом.

Если бы все электроны имели одинаковую среднюю скорость, то при равенстве силы поля и силы Лоренца они двигались бы так, как будто магнитного поля вообще нет. Но в действи­тельности скорости у электронов различны. Поэтому для электронов, скорость которых отличается от средней, нет равенства силы поля и силы Лоренца. Одна из этих сил больше другой и вызывает отклонение электронов. Траектории таких электронов искривляются, и путь электронов становится длиннее, а это означает, что увеличивается сопро­тивление полупроводника. В этом и заключается магниторезистивный эффект. При увеличении магнитной индукции от 0 до 1Тл сопротивление магниторезисторов может увеличиться в несколько раз.

Выделяются две большие группы магниторезисторов, которые условно можно разделить на «монолитные» и «пленочные». Действие «монолитных» магниторезисторов основано на эффекте Гаусса, который характеризуется возрастанием сопротивления проводника (или полупроводника) при помещении его в магнитное поле.

«Монолитный» магниторезистор представляет собой подложку с размещенным на ней магниточувствительным элементом (МЧЭ). Подложка обеспечивает механическую прочность прибора (рисунок 7.1). Элемент приклеен к подложке и защищен снаружи слоем лака.

«Монолитные» магниточувствительные элементы изготавливаются из полупроводниковых материалов, обладающих высокой подвижностью носителей заряда, антимонида индия (InSb), арсенида индия (InАs) и др.

Наибольшее распространение для изготовления МЧЭ получил сплав на основе антимонида индия – антимонида никеля (InSb – NiSb), легированного теллуром(Te).

Типичная зависимость магниторезистивного отношения (Rв/Rо) МЧЭ, изготовленных из сплава антимонида индия – антимонида никеля (InSb – NiSb), от индукции управляющего магнитного поля показана на рисунке 7.2.

Как следует из рисунка 7.2, зависимость магнитной чувствительности монолитного МЧЭ в области слабых полей близка к квадратичной, а в области сильных полей – практически линейна. Область пёрехода от слабых полей к сильным для реальных магниторезистивных элементов лежит в пределах 0, 2 …0, 4 Тл.

Чувствительность магниторезистивного элемента изменяется и при изменении угла между вектором магнитной индукции и плоскостью элемента. Эта зависимость выражается формулой (7.1):

где RB – сопротивление МЧЭ при воздействии магнитного поля (В = Вном.); Rо - сопротивление МЧЭ при отсутствии магнитного поля (В=0); φ – угол между векторами напряженности электрического и магнитного полей.

На рисунке 7.3 приведена зависимость относительной чувствительности магниторезистора от угла φ. В «монолитных» МЧЭ, как правило, вектор напряженности электрического поля лежит в плоскости чувствительного элемента. Поэтому максимальная чувствительность «монолитного» МЧЭ достигается при нормально падающем магнитном потоке (φ = 90°). Сопротивление и чувствительность магниторезисторов зависят от температуры.

«Пленочные» магниторезисторы получили распространение лишь в последние годы. Магниточувствительный элемент таких приборов изготовлен из ферромагнитных пленок (ФМП), использующих анизотропный магниторезистивный эффект. Максимальное значение магнитосопротивления «тонкопленочных» магниторезисторов соответствует нулевому внешнему магнитному полю, то есть при воздействии магнитного паля сопротивление такого МЧЭ уменьшается.

Конструкция магниторезисторов из ФМП не отличается от конструкций других разновидностей магниторезисторов, за исключением того, что МЧЭ изготовлен по специальной тонкопленочной технологии. Напыление магниточувствительного слоя, как правило, происходит при воздействии магнитного поля.

Для создания МЧЭ используют тонкие одно- и многослойные пленки никель - кобальтовых (NiСо), никель - железных (NiFе) и других сплавов. В качестве подложек применяют стекло, ситалл или кремний, обладающие большой теплопроводностью.

где R90 – электрическое сопротивление материала МЧЭ при θ = 90°; Rо – электрическое сопротивление материала МЧЭ при θ = 0°.

На рисунке 7.5, а приведен график зависимости сопротивления R от напряженности управляющего магнитного поля Н, построенный при воздействии поля под углом θ = 90°. Из этой зависимости следует, что максимальное значение R равное R0 соответствует нулевому внешнему магнитному полю.

На рисунке 7.5, б приведен график зависимости сопротивления R МЧЭ от угла падения магнитного потока φ.

Основные параметры магниторезис­торов: номинальное сопротивление при отсутствии магнитного поля; отношение сопротивления при действии магнитного поля с определенным значением магнит­ной индукции к номинальному сопро­тивлению; температурный коэффициент сопротивления и максимальная допусти­мая мощность рассеяния.

Магниторезисторы применяются в измерительной технике, в частности для измерения магнитной индукции, в ка­честве бесконтактных датчиков переме­щений, в бесконтактных выключателях и переключателях и во многих других устройствах электронной техники и электротехники.