Гистерезисные магнитные элементы

МАГНИТОЭЛЕКТРОНИКА 11.1. ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ МАГНИТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Работа приборов и элементов магнитоэлектроники основана на явлениях электромагнетизма и электромагнитной индукции. Это, например, намагничивание, перемагничивание и размагничивание сердечников импульсными или непрерывными токами, возникновение ЭДС в движущемся проводнике под действием »магнитного поля и т. д. Методы магнитоэлектроники служат для различных преобразований импульсных и непрерывных сигналов. Во многих устройствах магнитоэлектроники применяются магнитные элементы с гистерезисными свойствами. Таковы, например, магнитные Двоичные ячейки (МДЯ). В них используются магнитные сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), показанной на рис. 11.1. Эти ячейки служат для запоминания информации, выраженной в цифровой двоичной системе, или для выполнения различных логических операций. Рис. 11.1. Прямоугольная петля гистерезиса Магнитные элементы просты по устройству, дешевы и обладают высокой надежностью. Такие элементы применяются главным образом в ЭВМ, а также в некоторых устройствах автоматики. Сердечники многих магнитных элементов делаются из феррита с ППГ. Ферриты представляют собой керамические вещества, изготовленные из смеси порошков оксида железа и оксидов таких металлов, как никель, цинк, магний, марганец или медь. Порошок смешивается с некоторым связующим веществом и подвергается обжигу. В результате получается керамическое вещество большой твердости. Имеются ферриты различных типов, в частности с очень высокой магнитной проницаемостью .или с малыми потерями. Недостатки ферритов — хрупкость, невозможность механической обработки из-за высокой твердости, старение (изменение значений параметров после длительной работы), зависимость параметров от температуры. Кривая намагничивания на рис. 11.1 показывает, что при изменении напряженности намагничивающего поля от Нс до —Нс происходит перемагничивание сердечника и магнитная индукция в нем изменяется от +Вmах до —Вmах. Таким образом, сердечник может находиться в одном из двух различных магнитных состояний. Одно из них (+Вmах) соответствует в двоичной системе цифре 1, а другое (—Вmах) — цифре 0. Простейший запоминающий магнитный элемент имеет сердечник в виде кольца, обычно диаметром от долей миллиметра до нескольких миллиметров, с тремя обмотками. У этих обмоток часто лишь один неполный виток (рис. 11.2). Пусть в начальный момент магнитная индукция в сердечнике отрицательная (— Вmах), что соответствует цифре 0. Если надо в таком элементе запомнить цифру 1, то в управляющую обмотку wy подается импульс тока такой высоты и направления, что сердечник перемагничивается и магнитная индукция В нем изменяется от — Втах до +Втах После окончания импульса тока эта намагниченность остается и может сохраняться любое время. Рис. 11.2. Простейший двоичный магнитный элемент Если же надо запомнить цифру 0, то в обмотку импульс тока либо вообще не подается, либо подается такой импульс, при котором сохраняется индукция — Вmах. Таким образом, знак остаточной намагниченности после окончания импульса определяет, какая цифра записана: 0 или 1. Важно, что эти цифры сердечник может «запомнить» на любое время, причем для этого не требуется расхода энергии и каких-то источников питания. Для считывания, т. е. определения записанной цифры, в обмотку w1 подается импульс тока такой высоты и направления, чтобы намагнитить сердечник до индукции — Вmах. Если в сердечнике записана цифра 0 и он уже намагничен до — Вmах, то от такого импульса тока индукция почти не изменится (небольшое изменение возможно лишь за счет того, что петля гистерезиса не является идеально прямоугольной). В выходной обмотке w2 индуцируется очень небольшой импульс ЭДС, означающий, что в магнитном элементе записана цифра 0. Но если была записана единица, т. е. сердечник намагничен до + Вmах, тогда при подаче считывающего импульса индукция изменится от +Вmах до — Вmах, т. е. на 2Вmах. Такое изменение индукции вызовет в обмотке w2 появление значительного импульса ЭДС, соответствующего цифре 1. В обоих случаях после считывания в сердечнике установится индукция — Вmах и снова можно записать цифру 0 или 1. В устройствах памяти ЭВМ применяется огромное количество подобных элементов для запоминания любых больших чисел по двоичной системе. Такие элементы обычно работают совместно с диодами или транзисторами, образуя так называемые ферро-диодные или ферро-транзисторные ячейки (иначе их называют феррит-диодными или ферро-транзисторными). Рассмотренный простейший магнитный элемент является основным для построения более сложных элементов. Недостаток простейшего элемента заключается в том, что записанная единица после считывания уничтожается. В более совершенных магнитных элементах, имеющих сердечник с двумя или большим числом отверстий и называемых трансфлюксорами, записанная информация сохраняется независимо от считывания. Также не уничтожается при считывании информация, записанная в магнитном элементе, сердечник которого имеет два взаимно перпендикулярных отверстия. Этот элемент получил название биакс. 11.2. ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ МАГНИТНЫЕ ДОМЕНЫ Для создания магнитных элементов в микроэлектронике применяются магнитные пленки толщиной от долей микрометра до единиц микрометров, нанесенные на подложку. Важное свойство пленочных магнитных элементов заключается в том, что у них процессы намагничивания, перемагничивания и размагничивания протекают во много раз быстрее, нежели в элементах с обычными сердечниками. Как и все ферро- магнитные вещества, магнитные пленки имеют Доменную структуру, т. е. состоят из отдельных микроскопических областей — доменов с самопроизвольным (спонтанным) намагничиванием. В пределах одного домена все атомы намагничены в одном направлении, и поэтому домен можно рассматривать как некоторый элементарный микроскопический магнитик. В ненамагниченном теле различные домены намагничены беспорядочно в разных направлениях и создаваемые ими магнитные поля взаимно компенсируются. Под действием внешнего магнитного поля на ферро-магнитное вещество происходит упорядочение доменной структуры за счет изменения размеров доменов. Домены, у которых направление намагниченности совпадает с направлением вектора напряженности внешнего поля, увеличиваются в размере, а домены с противоположным направлением намагниченности уменьшаются. Магнитные пленки таковы, что по толщине у них расположен только один слой доменов. Поэтому изменение доменной структуры может происходить лишь вдоль поверхности пленки. Вектор поля доменов перпендикулярен этой поверхности. Домены имеют различные размеры, различную форму и различное направление вектора магнитной индукции. Если на магнитную пленку действует внешнее магнитное поле, вектор которого направлен перпендикулярно поверхности пленки, то домены с вектором поля того же направления увеличиваются в размерах, а домены с противоположным направлением вектора поля уменьшаются и при некотором значении напряженности внешнего поля превращаются в цилиндрические магнитные Домены (ЦМД). Это показано на рис. 11.3. Диаметр ЦМД составляет 1—5 мкм. При более сильном внешнем поле домены исчезают. Устойчиво существуют ЦМД при определенных значениях напряженности внешнего поля. Можно создать ЦМД с помощью так называемого генератора Доменов в виде проволочной петли с током (рис. 11.4). Такая петля из тонкой металлической пленки наносится на поверхность основной магнитной пленки. Рис. 11.3. Схема образования ЦМД: а — домены при отсутствии внешнего поля; б — ЦМД, образовавшиеся при действии внешнего поля Если основная пленка пронизывается внешним магнитным полем, а через петлю генератора доменов пропускается импульс тока, создающий магнитное поле с противоположно направленным вектором индукции, то в магнитной пленке под петлей образуется ЦМД. В запоминающих устройствах наличие ЦМД соответствует цифре 1 , а отсутствие ЦМД — цифре 0. Домены представляют собой устойчивые образования, и для записи двоичной информации их можно перемещать в каком-либо направлении, удаляя от генератора доменов, чтобы последний при поступлении в него новых импульсов тока, соответствующих цифре 1, мог создавать новые домены. Таким образом, в отличие от системы записи информации на движущейся магнитной пленке в данной системе ЦМД, несущие информацию, сами движутся по неподвижной пленке. Рис. 11.4. Генератор доменов Перемещение ЦМД в нужном направлении осуществляется следующим образом. На поверхность основной пленки, в которой формируются ЦМД, наносят так называемые аппликации, представляющие собой небольшие участки (определенной формы) пленки магнитомягкого материала (например, пермаллоя). На эти аппликации действует внешнее вращающееся магнитное поле, у которого ось вращения перпендикулярна поверхности основной пленки. Такое вращающееся магнитное поле создается двумя взаимно перпендикулярными катушками, которые питаются переменным током с фазовым сдвигом 900. Мощность этих токов невелика, так как для перемещения микроскопических доменов в тонкой магнитной пленке достаточно сравнительно слабого магнитного поля. А в режиме хранения информации расхода энергии вообще нет. Под влиянием вращающегося магнитного поля отдельные аппликации испытывают переменное намагничивание и своим магнитным полем заставляют ЦМД перемещаться. Скорость перемещения может быть весьма велика — десятки и даже сотни метров в секунду. Вследствие малого размера доменов может быть достигнута плотность записи информации 104 — 105 бит/мм и даже выше а скорость записи 10 5 - 106 бит/с. Считывание информации осуществляется разными способами. Например, на основную пленку можно нанести петлю из полупроводника, обладающего магниторезистивным эффектом, т. е. изменяющего электрическое сопротивление под действием магнитного поля (рис. 11.5). Через петлю пропускается постоянный ток. Если под петлей проходит ЦМД, то магнитное поле в петле изменяется. Тогда изменяется сопротивление петли и ток в ней, что соответствует цифре 1. Рис. 11.5. Магниторезистивная петля для считывания информации Постоянство тока в петле означает цифру 0. Цилиндрические магнитные домены могут успешно применяться не только в запоминающих устройствах, но также в различных логических и других элементах ЭВМ. 11.3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ХОЛЛА В последние 20 лет значительное развитие получила полупроводниковая магнитоэлектроника, основанная на так называемых гальваномагнитных явлениях. Эти явления представляют собой результат воздействия магнитного поля на электрические свойства полупроводников, по которым протекает электрический ток. Важнейшее из гальваномагнитных явлений — эффект Холла Он состоит в том, что при протекании тока в полупроводнике возникает поперечная разность потенциалов, если на этот полупроводник действует магнитное поле, вектор которого перпендикулярен направлению тока. Эффект Холла объясняется тем, что на подвижные носители заряда в магнитном поле действует сила Лоренца, которая вызывает их отклонение. Рассмотрим для примера это явление в полупроводнике n-типа (рис. 11.6). Все сказанное ниже об электронах можно повторить и для дырок. Электроны под действием силы Лоренца отклоняются к одной из граней полупроводниковой пластинки. На этой грани возникает отрицательный заряд, а на противоположной грани, откуда электроны уходят, — положительный заряд. 1Этот эффект был открыт американским физиком Э. Холлом в 1879 г. Рис. 11.6. Влияние эффекта Холла на траектории электронов в полупроводнике n-типа Между электродами на этих гранях создается разность потенциалов и электрическое поле, которое противодействует смещению электронов под влиянием силы Лоренца. Когда сила, действующая на электрон со стороны поля, становится равной силе Лоренца, дальнейшее смещение электронов прекращается и наступает равновесное состояние. Сила поля равна qE, а сила Лоренца qvB, где q — заряд электрона, Е — напряженность поля, v — скорость поступательного движения электронов. Из равенства этих сил вытекает, что Е = vB. Выразив Е как Uн/d, где Uн — напряжение Холла между электродами на гранях, а d— расстояние между гранями, получим Uн/d=vB или Uн= dvB. Как видно, получается линейная зависимость между напряжением, возникающим при эффекте Холла, и магнитной индукцией, вызывающей это напряжение. Поэтому удобно использовать эффект Холла для построения приборов, измеряющих магнитную индукцию. Приборы, в которых используется эффект Холла, принято называть преобразователями Холла или Датчиками Холла. Их широко применяют для различных измерений. Поскольку магнитное поле может быть создано электрическим током и в этом случае магнитная индукция пропорциональна силе тока, то на основе эффекта Холла созданы бесконтактные измерители силы тока. Это особенно важно для измерения сильных постоянных токов, протекающих по проводам большого диаметра, которые практически невозможно разрывать для включения амперметра. Преобразователи Холла применяются и для многих других целей, например для измерения электрической мощности и таких неэлектрических величин, как давление, перемещение, угол и др. С помощью эффекта Холла возможно измерение подвижности и концентрации носителей заряда в полупроводниках. Важнейший параметр преобразователей Холла — магнитная чувствительность, представляющая собой отношение возникшего напряжения к магнитной индукции, т. е. напряжение Холла при магнитной индукции, равной единице. 11.4. 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 1 Тл сопротивление магниторезисторов может увеличиться в несколько раз. Увеличение сопротивления тем больше, чем больше магнитная индукция и подвижность носителей. Поэтому для изготовления магниторезисторов применяют полупроводники с возможно более высокой подвижностью носителей заряда, например антимонид индия InSb или арсенид индия InAs и некоторые другие. Как и у всех полупроводниковых приборов, сопротивление магниторезисторов при повышении температуры значительно уменьшается. 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. 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. 11.5. МАГНИТОДИОДЫ Магнитодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, у которых вольт-амперная характеристика изменяется под действием магнитного поля. У обычных полупроводниковых диодов тонкая база и магнитное поле незначительно изменяет вольт-амперную характеристику. А магнитодиоды имеют толстую («длинную») базу, в которой длина пути тока много больше диффузионной длины инжектированных в базу носителей. Обычно толщина базы составляет несколько миллиметров. В этом случае сопротивление базы соизмеримо с прямым сопротивлением р—n-перехода. При увеличении индукции поперечного магнитного поля сопротивление базы значительно возрастает, подобно тому как это происходит в магниторезисторе. Возрастает общее сопротивление диода, и прямой ток уменьшается. Такое уменьшение тока связано еще и с тем, что при увеличении сопротивления базы происходит перераспределение напряжения, т. е. увеличивается падение напряжения на базе и соответственно уменьшается напряжение на р—n-переходе, от чего дополнительно снижается ток. Такой магнитодиоднный эффект наглядно показывает вольт-амперные характеристики магнитодиода (рис. 11.7) . Из них хорошо видно, что с повышением магнитной индукции магнитной индукции прямой ток уменьшается. Рис. 11.7. Вольт-амперные характеристики и условное графическое обозначение магнитодиода Следует отметить, что для магнитодиодов характерно значительно большее прямое напряжение, чем для обычных диодов, что объясняется большим сопротивлением базы. Изготовляют магнитодиоды на основе полупроводников с возможно большей подвижностью носителей. Часто магнитодиоды делают со структурой p-i-n, причем удлиненная область i обладает значительным сопротивлением и именно в ней возникает резко выраженный магниторезистивный эффект. Чувствительность к изменению магнитной индукции у магнитодиодов выше, нежели у преобразователей Холла. Магнитодиоды нашли широкое и разнообразное применение: в бесконтактных кнопках и клавишах, служащих для ввода информации; в качестве датчиков положения движущихся предметов; для считывания магнитной записи информации; для измерений и контроля различных неэлектрических величин, На магнитодиодах могут быть построены бесконтактные реле тока. Схема на магнитодиодах может заменять коллектор у электродвигателя постоянного тока. Возможны магнитодиодные усилителя постоянного и переменного тока. Входом у них является обмотка электромагнита , магнитное поле которого управляет магнитодиодом , а выходом служит цепь самого диода. Для токов до 10А можно получить коэффициент усиления в несколько сотен. 11.6. МАГНИТОТРАНЗИСТОРЫ И МАГНИТОТИРИСТОРЫ Магнитотранзисторы представляют собой транзисторы, у которых характеристики и параметры изменяются под влиянием магнитного поля. На обычные биполярные транзисторы магнитное поле влияет слабо. Для значительного повышения магнитной чувствительности делают биполярные магнитотранзисторы с двумя коллекторами (рис. 11.8). Как видно из рисунка, коллекторы К1 и К2 расположены симметрично относительно эмиттера. При отсутствии магнитного поля ток коллектора делится на две равные части, которые попадают соответственно на коллекторы. Траектории электронов для этого случая показаны сплошными линиями. На резисторах нагрузки при этом равные падения напряжения, и выходное напряжение U между коллекторами равно нулю, так как потенциалы коллекторов одинаковы. Если на транзистор будет действовать поперечное магнитное поле (вектор магнитной индукции В такого поля направлен перпендикулярно плоскости чертежа), то под влиянием силы Лоренца электроны коллекторного тока будут отклоняться. Их траектории показаны штриховыми линиями. На коллектор К1 будет попадать больше электронов, и его ток увеличится, а ток коллектора К2 соответственно уменьшится. Падение напряжения на резисторах нагрузки и потенциалы коллекторов станут различными. Рис. 11.8. Принцип устройства и схема включения биполярного магнито-транзистора с двумя коллекторами Выходное напряжение между коллекторами увеличивается с ростом магнитной индукции. Магнитная чувствительность такого транзистора значительно выше, нежели у преобразователей Холла. Разработаны различные по структуре биполярные магнито-транзисторы ; в частности, они могут быть изготовлены по планарной технологии. Помимо биполярного двухколлекторного магнито-транзистора существуют однопереходные магнито-транзисторы (Двухбазовые диоды), а также полевые магнито-транзисторы. Представляют интерес магнито-тиристоры, у которых напряжение включения можно изменять, воздействуя внешним магнитным полем. При отсутствии магнитного поля магнито-тиристоры имеют некоторое среднее напряжение включения. Увеличивая напряженность магнитного поля в одном направлении, можно повысить напряжение включения, а в противоположном направлении, — понизить.