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


Электроника примеры расчетов курсовых заданий

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.


Курсовая работа по электронике