Магнитные полупроводники Схема мостового выпрямителя с фильтром Расчет однофазного трансформатора LC-генератор с обратной связью Расчёт электрических фильтров


Электроника примеры расчетов курсовых заданий

Магнитные полупроводники

С этой точки зрения ранее известные магнитные полупроводниковые материалы (халькогениды редкоземельных элементов, магнитные халькошпинели) следовало бы называть полупроводниковыми магнетиками, поскольку при стехиометрическом составе они представляют собой ферромагнетики с собственной магнитной подрешеткой. Результатом работ по синтезу разбавленных магнитных полупроводников (РМП) (III,Mn)V: сплавов (In,Mn)As и гетероструктур (In,Mn)As/(Ga,Al)Sb – стал прорыв в технологии получения новых ферромагнитных полупроводников с высокими температурами Кюри (ТC). В настоящее время для отличия РМП с преимущественно диамагнитными матрицами от прежних магнитных полупроводников последние называют концентрированными магнитными полупроводниками (КМП). Легирование их другими элементами не способно существенно изменить собственные физико-химические параметры, отличающиеся от свойств известных полупроводников, а расхождение с последними по кристаллическим решеткам резко ограничивает возможности использования в полупроводниковых устройствах и приборах.

В приборах спинтроники применяются материалы с гигантским магниторезистивным эффектом. Магниторезистивный эффект в тонкопленочных структурах заключается в том, что сопротивление магнитных пленок в магнитном поле зависит от относительной ориентации магнитных моментов в соседних ферромагнитных пленках, разделенных немагнитной прослойкой. Недавно открытый гигантский магниторезистивный (ГМР) эффект, определяемый отношением Rmax - Rmin/Rmin (где Rmin и Rmax – сопротивления магнитных пленок при параллельной и антипараллельной ориентациях магнитных моментов в слоях) достигает десятки процентов при комнатной температуре. ГМР эффект наблюдается в:

многослойных структурах, содержащих нанослои из ферромагнитных материалов и их сплавов Fe, Ni, Co, чередующихся с нанослоями из благородных металлов Cu, Ar, Au;

гранулированных пленках, изготовленных из несмешивающихся магнитных и немагнитных полупроводников;

многослойных спин-вентильных (два тонких магнитных слоя, разделенных тонким (25A-30Е) слоем Cu) и спин-туннельных структурах (два тонких ферромагнитных металлических слоя, разделенных тонким диэлектрическим слоем);

магнитных сэндвичах – спин-вентильные структуры без пиннингового слоя.

Кроме гигантского магнитосопротивления ГМР материалы характеризуются еще двумя параметрами, важными для практического использования: полем насыщения (магнитное поле, при котором магнитосопротивление достигает максимального значения) и чувствительностью (изменение сопротивления в полях, меньших поля насыщения).


Таблица 1. Типичные значения основных параметров ГМР материалов

Магнитные среды и структуры

Магнитосопротивление, , %

Поле насыщения, Э

Чувствительность, %, Э

Материалы, обладающие анизотропным ГМР эффектом

2

5-20

0.4

Многослойные структуры

10-80

100-2000

0.1

Гранулированные пленки

8-40

800-8000

0.01

Спин-вентильные структуры

5-10

5-50

1.0

Спин-туннельные структуры

10-25

5-25

2.0

Сэндвичи

5-8

10-40

0.5

Материалы с эффектом колоссального магнитосопротивления (манганиты - LaSrMnO3, LaCaMnO3 и другие)

100 при Т<<300К

1000

0.1

Монокристаллические пленки Bi толщиной 20мкм

250 при 300К

380000 при 5К

0.2 при 300 К


Таблица 2. Свойства ГМР материалов в приборных структурах

Структура

Устройство

Параметры, D R/R, %

Исследователь

Co/AlGaAs (сверхрешетка из Co полосок шириной 200нм, высотой 120нм, периодом 500нм на поверхности гетероструктуры (AlGaAs)

Магнитные датчики ЗУ

~1000 (4К, 100мТл)
~1 (300К)

Univ. Nottingham (Великобритания)

Многослойные структуры NiFeCo/Cu(Ag)

Датчики

8 (300К)

Univ. Manchester (Великобритания)

Многослойные структуры FeNi/Co/Cu(Ag) (несвязанные системы)

Магнитные головки считывания/записи

Несколько %
(5-50Гаусс)

Многослойные структуры NiFe/Cu

Записывающие головки

9.5;
полевая чувствительность 0.44%/Э

Lawrence Livermore National Lab.

Многослойные структуры FeNi/Cu/NiFe

Сенсорные устройства

10 (300К; поле насыщения
~ 1000Э)

Inst. Microelectronics (Румыния)

Многослойные структуры CoFe/Cu

Сенсорные устройства

~20 (поле насыщения 100-20Э)

~30

Fijitsu Lab. Ltd.

Многослойные структуры Cu/пермаллой на стеклянной ножке

Магнитные датчики для автомобильных систем контроля

10 (295К);
отсутствие гистерезиса;
поле насыщения <125Э;
чувствительность 0.17%/Э)

Univ.

Bielefeld

(Германия)

Несмотря на некоторые преимущества материалов с колоссальным магнитосопротивлением (большие значения Rmax-Rmin/Rmin) ГМР материалы ближе к практическому применению.

 

2.4. Основные спиновые эффекты

2.4.1. Инжектирование спинов

Для устройств типа «спиновой памяти», «спинового транзистора» и «спинового квантового компьютера» необходимы инжекция спин-поляризованных электронов, достаточно большие времена спиновой релаксации в процессах электронного транспорта и детектирование спинового состояния электронов. Нужно уметь создавать электроны в квантовом состоянии с определенной ориентацией спина, сохранять это состояние в течение времени работы прибора, а затем считывать состояние электрона на выходе. Естественным решением задачи инжекции спинов в полупроводник казалось использование ферромагнитных инжекторных контактов из Fe, Co, Ni. Причина спиновой поляризации тока в ферромагнетике со свободными носителями – различие в плотности состояний электронов со спинами «вверх» и «вниз» и следующее отсюда различие в электрической проводимости для систем электронов с разнонаправленными спинами. Описанный способ инжекции спинов успешно реализован в системе ферромагнитный металл/сверхпроводник. Спиновая инжекция из ферромагнетика в нормальный металл впервые была предложена теоретически в работе, а экспериментально наблюдалась почти 10 лет спустя. Однако для системы ферромагнитный металл/полупроводник реализовать эту идею не удалось. Первые попытки инжектирования спинов электронов из ферромагнитного Ni в GaAs не имели успеха из-за несовершенства гетероструктур, хотя все же наблюдался эффект сильного изменения коэрцитивной силы при освещении такой структуры слабым световым потоком (всего 5 мВт · см–2). При инжекции через контакт ферромагнитный металл/полупроводник электроны в полупроводнике имеют неравновесные спины, содержащие информацию о спинах электронов в ферромагнетике, т.е. спин электронов полупроводника может быть, например, детектором состояния магнитной пленки. В свою очередь, ориентацию электронных спинов в полупроводнике можно детектировать как оптически, так и электрически. В то же время возможно управление магнитными свойствами ферромагнетиков, контактирующих с полупроводниками в гетероструктурах. Пока наибольшая эффективность инжекции из ферромагнитного металла в полупроводник (до 30%) получена лишь в экспериментах со сканирующим туннельным микроскопом. Одной из причин низкой эффективности инжекции спинов через границу металл/полупроводник (~1%) является большое различие между проводимостями этих материалов.

Эффективность спиновой инжекции можно повысить, используя барьеры Шоттки (электростатические барьеры, формируемые на границе металл/полупроводник из-за образования дефектов), которые могут действовать как туннельные барьеры, ослабляя влияние различия электрохимических потенциалов ферромагнитного металла и полупроводника на спин-поляризованный транспорт через границу. Это позволило достичь двухпроцентной эффективности спиновой инжекции в светодиод GaAs/(In,Ga)As из Fe-контакта при комнатной температуре. Для действенного решения проблемы необходимо, чтобы инжектором был ферромагнитный полупроводник или полупроводник, находящийся во внешнем магнитном поле. Тогда спиновая поляризация электронов может достигать практически 100% из-за обменного взаимодействия электронов проводимости с магнитной примесью. Вначале было предложено использовать легированные марганцем полупроводники II – VI с проводимостью, сравнимой с проводимостью немагнитного полупроводника, в который инжектируются спин-поляризованные электроны. Эффективность спиновой поляризации составила 50% для контакта (Zn,Mn)Se/GaAs , более 50% для (Cd,Mn)Te/CdTe и 86% – для спиновой инжекции из парамагнитного полупроводника ВexMnуZn1–x–уSe в светодиод с квантовой ямой AlGaAs/GaAs. Рекомбинация спин-поляризованных носителей заряда вызывает излучение циркулярно поляризованного света, по степени поляризации которого можно судить об эффективности спиновой инжекции. При использовании для инжекции магнитных полупроводников типа II–VI серьезные проблемы связаны с необходимостью работы при низких температурах (< 10 К), так как эти материалы – парамагнетики и при фиксированном внешнем магнитном поле повышение температуры резко уменьшает их намагниченность. Очевидно, что для эффективной инжекции спинов необходимы ферромагнитные полупроводники, которые могли бы инжектировать, транспортировать и легко ориентировать спин-поляризованные носители в полупроводниковых гетероструктурах. Поэтому наиболее перспективными для использования в качестве спиновых инжекторов представляются ферромагнитные полупроводники с высокими температурами Кюри, технологически совместимые со стандартными полупроводниками. Возможные кандидаты – РМП на основе матрицы III—V, сплавы Гейслера (XYZ2, где X и Y – переходные элементы, а Z – элементы III–V групп), полуметаллические ферромагнитные оксиды.

Синтез новых РМП позволил инжектировать электроны в нормальный полупроводник из ферромагнитного инжекторного слоя. Поляризованные по спину дырки инжектировали из ферромагнитного электрода (Ga,Mn)As в немагнитный электрод GaAs. Несмотря на трудности, связанные с качеством материала и наличием дефектов, на которых электроны рассеиваются, удалось измерить спиновую поляризацию материала. Для ферромагнетика (Ga,Mn)As p-типа с TC = 110 К, использовавшегося как инжектор спинов в фотолюминесцентный диод с немагнитной квантовой ямой InGaAs/GaAs, эффективность спиновой инжекции составила 1%. Продемонстрирована высокоэффективная (82±10%) спиновая инжекция из (Ga,Mn)As (ТC = 120 К) в светодиод (Al,Ga)As при 4,6 К. В настоящее время ведется поиск новых ферромагнитных полупроводников с более высокими TC, которые могли бы служить спиновыми инжекторами при комнатной температуре и слабом внешнем магнитном поле (или в его отсутствие). Несмотря на трудность технологических работ по росту кристаллов и легированию материалов, наличие в полупроводниках ферромагнетизма с высокими температурами Кюри позволяет с оптимизмом ожидать появления спиновых приборов, работающих при комнатной температуре.

Большинство экспериментов по спиновой инжекции основано на прохождении электрического тока из ферромагнетика в полупроводник через туннельный барьер. Высокая степень спиновой поляризации достигается при помощи магнитного туннельного транзистора. В настоящее время спиновую инжекцию в полупроводник осуществляют, пропуская спин-поляризованный электрический ток из магнитного полупроводника под действием приложенного напряжения. Так работает спиновый фильтр. Но этому процессу препятствуют помехи на границе раздела ферромагнетик/полупроводник. Если изменить знак напряжения, то в токе из нормального полупроводника ферромагнетик пропустит не все неполяризованные электроны, а лишь электроны со спинами, ориентированными преимущественно вдоль направления намагниченности ферромагнитного полупроводника. Электроны с противоположно направленными спинами не пройдут через границу и будут накапливаться в полупроводнике.

 

Рассмотренные подходы к проектированию распределителя требуют использования математических методов для оптимизации его структуры, изучение которых производится в соответствующих курсах данного направления.

Если базовая для курсовой работы ИС включает в свой состав СТ и DC виде интегральных узлов (отдельных микросхем) /5; 9; 10; 19/, то допускается реализация распределителя на их базе. В общем случае выбор подхода к синтезу производится основе критерия минимизации числа корпусов микросхем. Процесс >


расчета подробно приводится в пояснительной записке.

Пример расчета активного полосового фильтра Расчет полюсов ARC-фильтра

Сопротивление автоматического смещения в цепи катода лампового усилительного каскада

Спинтроника – новое направление в электронике Вторую половину XX века без преувеличения можно назвать эрой микроэлектроники. В течение этих 50 лет мир был свидетелем технологической революции, ставшей возможной благодаря цифровой логике и базирующимся на ней информационным технологиям.

Сверхтонкое взаимодействие электронных и ядерных спинов имеет, как и спин-орбитальное взаимодействие, релятивистскую природу. Для полупроводников оно предоставляет дополнительную, по сравнению с металлами, возможность управлять спином электрона не только внешним магнитным полем, но и полем ядер атомов, находящихся в решетке полупроводника.

Сверхгигантский эффект магнитосопротивления Магнитосопротивление (МС), или магниторезистивный эффект, заключается в изменении электрического сопротивления твердых тел под действием внешнего магнитного поля.

Схема каскада усиления


Курсовая работа по электронике