Магнитоэлектронные приборы

Магнитоэлектронные приборы позволяют осуществлять все известные в настоящее время функции: усиление сигналов (лазеры), запоминание (ЗУ), ограничение, переключение каналов (реле, циркуляторы) и т.д. Электронная компонентная база магнитоэлектроники включает в себя также индуктивные элементы (микроиндуктивности, антенны, трансформаторы), магниторезистивные датчики и многое другое.

Прогресс магнитоэлектроники связан с разработкой новых материалов и технологий, внедрением новых принципов конструирования приборов и систем. Основные направления развития магнитоэлектроники:

- микроволновые ферритовые материалы и приборы;

- магнитомягкие ферриты и компоненты;

- магнитотвердые ферриты и магнитные системы;

- ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса и магнитные элементы запоминающих устройств;

- магнитные аудио- и видеоголовки;

- монокристаллы и эпитаксиальные пленки.

Перспективным направлением магнитоэлектроники является область, связанная с разработкой и применением магнитополупроводниковых приборов.

Работа магнитополупроводниковых приборов основана на использовании явлений в полупроводниковых структурах, связанных с воздействием на них магнитного поля. Магнитополупроводниковые приборы дают возможность полной электрической развязки входных и выходных цепей, бесконтактного преобразования малых механических перемещений в электрические сигналы, детектирования величины и направления индукции магнитного поля и др.

Многообразие типов магнитополупроводниковых приборов обусловлено многообразием гальваномагнитных явлений, на базе которых они функционируют.

В настоящее время в магнитополупроводниковых приборах используются следующие гальваномагнитные явления.

Эффект Холла – возникновение поперечной разности потенциалов на гранях кристалла при прохождении через него электрического тока в поперечном ему магнитном поле.

Эффект магнитосопротивления – возрастание сопротивления полупроводника в магнитном поле.

Эффект Суля – отклонение линий тока инжектированных носителей заряда магнитным полем к одной из граней полупроводника.

Эффект гальваномагниторекомбинационный – изменение концентрации носителей заряда при прохождении тока в поперечном магнитном поле в полупроводнике со смешанной проводимостью при изменении поверхностной рекомбинации.

Эффект магнитодиодный – при котором магнитное поле приводит к закручиванию движущихся электронов и дырок. Их подвижность уменьшается, следовательно, уменьшается и длина диффузионного смещения. Одновременно удлиняются линии тока, т.е. эффективная толщина базы. Магнитное поле влияет не только на подвижность и направление линий тока, но и на время жизни носителей. Перечисленные явления приводят к сильному изменению неравновесной проводимости диода. В магнитном поле малое начальное изменение длины диффузионного смещения и эффективной толщины базы приводит к сильному изменению сопротивления базы и, соответственно, прямого тока вследствие разного изменения концентрации неравновесных носителей заряда. Это и есть магнитодиодный эффект.

Магнитоэлектроника является перспективным направлением функциональной электроники. Функциональная магнитоэлектроника пред­ставляет собой направление в функциональной элек­тронике, в котором изучаются магнитоэлектронные эффекты и явления в магнитоупорядоченных конти­нуальных средах, а также возможность создания приборов и устройств обработки и хранения инфор­мации с использованием динамических неоднородностей магнитоэлектронной природы.

Магнитное упорядочение заключается в су­ществовании определенной закономерности рас­положения элементарных магнитных моментов атомов, ионов, электронов. Простейшие типы маг­нитного упорядочения наблюдаются в ферри- и ферромагнетиках. Магнитное упорядочение в лю­бых классах магнетиков исчезает при температуре выше точки Кюри для ферромагнетиков и точки Нееля для ферри- и антиферомагнетиков.

В сплошных магнитоупорядоченных средах существует несколько видов физических носителей информационного сигнала – динамиче­ских неоднородностей. В качестве последних в наше время успешно применяются цилиндриче­ские магнитные домены (ЦМД), представляющие собой изолированные однородно намагниченные подвижные области в ферро- или ферримагнетиках. Цилиндрические магнитные домены имеют форму круговых цилиндров и направление намаг­ниченности, противоположное направлению на­магниченности магнетика.

Цилиндрические магнитные домены возникают при определенных условиях в тонких монокристал­лических пластинках или пленках ферритов, обла­дающих сильной одноосной перпендикулярной ани­зотропией. Устойчивое равновесие ЦМД поддержи­вается действием трех сил: сжимающей со стороны внешнего магнитного поля, магнитостатической си­лы растягивания домена за счет «магнитных заря­дов» и сжимающей силы поверхностного натяжения домена. Изолированный домен существует в опре­деленном интервале значений внешнего поля. Ци­линдрический магнитный домен можно перемещать в пленке воздействием на него поля, вектор кото­рого лежит в плоскости пленки.

В настоящее время значительный интерес представляют вертикальные блоховские линии (ВБЛ) в полосовых доменах. ВБЛ являются одним из типов динамических неоднородностей, и на их основе созданы приборы для обработки и хране­ния информации. В двоичном исчислении логиче­ские «1» и «0» образуются наличием или отсутст­вием ВБЛ. Расстояние между соседними ВБЛ дос­таточно мало, поэтому в стенке одного такого полосового домена можно хранить множество би­тов информации. В полосовом домене размером 0,5 мкм можно хранить до 100 бит информации.

В функциональной магнитоэлектронике в ка­честве динамических неоднородностей часто ис­пользуются резонансы и волны. В квантовых сис­темах под резонансом будем понимать резкое воз­растание квантовых переходов при равенстве час­тот внешнего излучения hn и квантового перехода hn = e_i - e_j. Явление резонанса проявляется в увели­чении интенсивности обмена энергией в процес­сах поглощения и излучения.

Механический момент каждого магнитного иона в ферромагнетике (спин) совершает прецес­сию под воздействием поля Н_упр, перпендикулярного внешнему Н_вн. Величина прецессии опреде­ляется ларморовской частотой. Возникают объем­ные (ОМСВ) и поверхностные (ПМСВ) магнито-статические волны.

В магнитоупорядоченных средах можно воз­будить динамические неоднородности в виде магнонов квазичастиц, представляющих собой квант колебаний спиновых волн.

В достаточно однородных сверхпроводниках второго рода могут быть возбуждены магнитные вихри или вихри Абрикосова. Магнитный вихрь представляет собой нить нормальной фазы, окру­женную экранирующим током. Вдоль оси такой нити проходит квант магнитного потока, или флуксон, величина которого определяется как Ф₀ = 2∙10^-15 Вб. Прикладывая к вихрю внешнюю силу (сила Лоренца), можно перемещать вихрь в плоскости пленки.

В магнитоэлектронных устройствах используются электромагнитные процессы на доменном уровне. Для создания доменов применяют тонкие магнитные плен­ки толщиной до 10 мкм, напыляемые на подложку из немагнитного материала. При отсутствии внешнего магнитного поля в пленке существуют полосовые домены произвольной формы, разделенные доменными стенками, в соответствии с рисунком 7.11 и суммарные площади противоположно намагниченных доменов равны.

а) б)

Рисунок 7.11 – Устройство полосовых (а) и цилиндрических (б) доменов

Если под­ложку поместить во внешнее магнитное поле, направленное перпендикулярно ее поверхности, то произойдет смещение доменных стенок. Полосовые домены, в ко­торых вектор их намагниченности совпадает с направлением внешнего поля, рас­ширяются, а домены с противоположной намагниченностью – сужаются. При некоторой граничной напряженности магнитного поля H_min происходит разрыв полосовых доменов и образование доменов цилиндрической формы (рисунок 7.11, б) диаметром около 5 мкм. При дальнейшем росте напряженности поля диаметр цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) уменьшается, и при некотором значе­нии напряженности поля H_max происходит исчезновение доменов; пленка становится однородно намагниченной вдоль направления внешнего поля. Домены можно использовать в качестве элементов памяти запоминающих уст­ройств, если создать их организованную структуру, что достигается с помощью генератора доменов, представляющего собой петлю из металлической пленки, по которой пропускается ток. Запоминающая ячейка на основе УМД имеет вид в соответствии с рисунком 7.12.

Токовую петлю 1 напыляют на изолирую­щую пленку 2, расположенную на ферритовой пленке 3, которая, в свою очередь, создана на поверхности подложки 4. Генерация домена происходит в том случае, если импульсом тока будет создано локальное размагничивающее поле Н_пет, на­правленное противоположно внешнему полю Н_вн. При этом образуется ЦМД с противоположной по отношению к Н_вн намагниченностью. Зарождение домена соответствует записи логической единицы. Если ток через петлю не пропуска­ется, то ЦМД не формируется. Отсутствие домена соответствует записи логи­ческого нуля. В запоминающих устройствах на магнитной пленке создается 8 или 16 близко расположенных генераторов доменов, образующих регистр для записи 8- или 16-разрядных чисел. После того как информация записана в накопитель на ЦМД, она может храниться там сколь угодно долго. Вследствие малого диа­метра ЦМД плотность записи информации достигает 10⁴-10⁵ бит/мм.

Рисунок 7.12 – Запоминающая ячейка на основе ЦМД

Для перемещения ЦМД на поверхность магнитной пленки наносятся пленочные аппликации определенной формы из пермаллоя. В области под магнитной апп­ликацией из-за ее экранирующего действия имеет место ослабление внешнего магнитного поля. Перемещение доменов происходит под действием вращающе­гося магнитного поля.

В запоминающих устройствах происходит одновременное перемещение всей совокупности доменов, образующих регистр.

Для считывания информации применяют устройство, основанное на магниторезистивном эффекте, который заключается в изменении сопротивления пленки при изменении магнитного поля. Если на поверхность магнитной пленки нанести полупроводниковую петлю, обладающую магниторезистивным эффектом, через которую пропускается постоянный ток, то при прохождении ЦМД под петлей изменяется магнитное поле в петле и сопротивление петли. При этом изменяется ток в петле, что соответствует логической единице.

Запоминающие устройства с ЦМД значительно превышают показатели электро­механических устройств (магнитных лент, дисков, барабанов) по надежности, быстродействию, объемам запоминаемой информации, отличаясь малой массой и габаритами и потребляя значительно меньше энергии. С помощью приборов на ЦМД можно создать полный набор логических элементов, из которых строятся сложные логические устройства.

Контрольные вопросы к разделу 7