УДК 621.382
СПИН-ВЕНТИЛЬНЫЕ МАГНИТОРЕЗИСТИВНЫЕ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ РАЗВЯЗКИ И СПИНОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Н.П. Васильева, С.И. Касаткин, А.М. Муравьев
Рассматриваются последние достижения и проблемы в области разработки новых элементов на гигантском маг-ниторезистивном эффекте — спин-вентильных магниторезистивных (М Р) гальванических развязок и спиновых транзисторов. Приводятся результаты экспериментальных исследований и параметры выпускаемых элементов. Обсуждается перспективность новых направлений магнитной микро- и наноэлектроники.
ВВЕДЕНИЕ
Данный обзор продолжает цикл работ, посвященных исследованиям элементов на основе двух разновидностей гигантского магниторезистивного (ГМР) эффекта [1, 2] — спин-вентильного (СВМР) и спин-туннельного (СТМР) магниторезистивных эффектов. До открытия ГМР эффекта в подобных элементах использовался хорошо известный анизотропный МР (АМР) эффект. Открытие ГМР эффекта позволило не только существенно улучшить характеристики датчиков и запоминающих элементов, но и создавать новые МР устройства. Примерами таких устройств служат СВМР гальванические развязки и спиновые транзисторы.
Причиной ГМР эффекта является зависящее от спина рассеяние носителей тока в объеме ферромагнитных слоев и на поверхности их раздела. Изменение локальных магнитных конфигураций приводит к изменению спин-зависимого рассеяния, что и обусловливает ГМР эффект. Достаточно давно известно, что в переходных ферромагнитных металлах и сплавах вклады электронов проводимости со спином вдоль и против вектора намагниченности в сопротивление могут существенно отличаться. При переходе электрона со спином, ориентированным вдоль вектора намагниченности, из одного слоя в соседний характер его движения в магнитном поле зависит от ориентации вектора намагниченности этого слоя относительно первого (объемное спин-вентильное рассеяние). С другой стороны, отражение и прохождение через границу раздела спин-по-ляризованного электрона также зависит от относительной ориентации векторов намагниченности магнитных пленок вдоль этой поверхности раздела (поверхностное спин-зависимое рассеяние). В настоящее время разработаны квазиклассическая и квантовая теории ГМР эффекта в мультислоях, СВМР структурах и гранулированных материалах. С помощью механизма спин-зависимого рассеяния электронов удается объяснить многие из экспериментально выявленных закономерностей. Зависимость изменения сопротивления структуры АЛ от угла ф между векторами намагниченности М^ соседних магнитных пленок, где МЛ и М/ — векторы намагниченности соседних (фиксированной и свободной) магнитных пленок, для СВМР и СТМР эффекта имеет вид АЛ = 0,5(Ар/р)Л(1 — совф).
Минимальное и максимальное сопротивления ГМР структуры соответствуют параллельному и антипараллельному 14- расположениям векторов намагниченности Л/Л_I в соседних магнитных пленках. В настоящее время достигнут ГМР эффект в десятки процентов при комнатной температуре. Спин-вентильная МР структура представляет собой две магнитные пленки толщиной
в несколько микрометров, разделенные немагнитной низкорезистивной пленкой меди, золота или серебра.
Спин-туннельный МР эффект заключается в том, что как и в СВМР эффекте, сопротивление структуры зависит от угла между векторами намагниченности М/, / соседних магнитных пленок и имеет ту же зависимость изменения сопротивления АЛ структуры или перехода от углов поворота. Отличия СТМР эффекта — в протекании туннельного (сенсорного) тока через многослойную структуру ортогонально плоскости пленок, высокое сопротивление туннельного перехода, что приводит к малым значениям сенсорного тока и тока потребления. Спин-туннельная МР структура представляет собой две магнитные пленки толщиной несколько микрометров, разделенные немагнитной диэлектрической пленкой AI2O3, NiO или ТЬО.
Спин-вентильные МР гальванические развязки уже выпускаются в США фирмой "Nonvolatile Electronics" (NVE), и такие их важнейшие характеристики, как быстродействие, технологичность, массогабаритные показатели, превосходят характеристики трансформаторных и оптических развязок. Спиновые транзисторы пока не вышли из стадии разработки, но большие потенциальные возможности ставят их в один ряд с наиболее перспективными элементами.
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ РАЗВЯЗКИ
Пространственное разнесение узлов в электрических коммуникационных цепях часто приводит к тому, что потенциалы различных узлов одной цепи отличаются. Разность потенциалов может иметь характер переменного или постоянного напряжения и комбинироваться с различными видами помех. Заземление этих узлов и соединение заземлений между собой кабелем может создать условия для протекания в кабеле произвольного тока. Этот ток может привести к ряду таких нежелательных эффектов, как ухудшение параметров сигналов, паразитное электромагнитное излучение и др. Большие токи "земли" могут привести и к повреждению компонентов цепи, а достаточно большая разность потенциалов ее узлов опасна для персонала.
Чтобы ограничить эти явления, вводится область раздела, которая гальванически изолирует различные узлы. При этом гальваническая изоляция (для краткости — развязка) должна предусматривать средства для прохождения сигналов без искажений при одновременном устранении влияния различий потенциалов земли различных точек цепи. В хорошо спроектированных системах наличие развязок обязательно, особенно в устройствах ввода-вывода и передачи информации, где отдельные узлы соединяются шинами. Типичные об-
64 _ Sensors & Systems • № 4.2001_
ласти применения развязок — устройства цифровой обработки сигналов, модемы, локальные сети, компьютеры, ключи, телефоны, принтеры, факсы и др.
Наличие развязок позволяет решить следующие основные задачи [3].
• Защита цепей компьютера от воздействия электрических напряжений и токов. Это важно при эксплуатации оборудования в условиях, связанных с возможным влиянием на него несанкционированных электромагнитных воздействий, с невозможностью обеспечения качественного заземления и т. п., например, в цехах промышленных предприятий, на транспорте, а также в условиях, где возможно возникновение субъективного фактора "человеческой" ошибки, приводящей к выводу дорогостоящего оборудования из строя.
• Защита пользователя от возможного поражения электрическим током, например, в системах медицинской диагностики.
• Обеспечение необходимой помехозащищенности. Эта проблема актуальна в измерительных системах, например, в метрологических лабораториях, при выполнении научных исследований и др. Существующая технология изготовления развязок
используется широко, но в то время, как развитие других компонентов связи, их модернизация и миниатюризация идут активно, конструкция и габариты развязок меняются значительно медленнее. Исторически для осуществления функции изолирующего интерфейса — развязки — применялись комбинации дискретных пассивных изолирующих устройств и интегральных цепей. Существующие развязки реализуются на основе трансформаторных, оптических или емкостных связей. Интеграция этих устройств с полупроводниковыми микросхемами или другими изолирующими устройствами сопряжена с немалыми трудностями. Кроме того, их невысокое быстродействие делает их узким местом в системах быстрой передачи сигналов.
Трансформаторные и оптоэлектронные развязки. Наиболее широко применяются трансформаторные и оптоэлектронные развязки. Емкостные развязки применяются реже.
В трансформаторной развязке используются маг-нитоиндукционные катушки с воздушной связью, с железным или ферритовым сердечником. Выходное напряжение ненасыщенного трансформатора пропорционально входному напряжению, однако при передаче сигналов с нулевой частотой путем модуляции несущего напряжения в выходном сигнале могут возникать помехи. Кроме того, в этом случае полоса пропускания ограничена сверху частотой модуляции. Существенный недостаток трансформаторной развязки заключается в отставании темпов ее миниатюризации от прогресса в этой области других компонентов связи.
Оптоэлектронные развязки состоят из светоизлу-чающего диода на входе и фототранзистора на выходе устройства. Они способны осуществлять развязку в широком диапазоне напряжений (до 500 В) и передавать сигналы высокой частоты — до десятков мегагерц. Кроме того, оптоэлектронные развязки могут иметь небольшие размеры.
Изолирующие функции развязки потребовали комбинации дискретных пассивных элементов и микросхем. Производство трансформаторных, оптических и емкостных развязок приводит к необходимости ручного труда, сложных гибридных конструкций и корпусиро-вания схем. Они не могут быть легко интегрированы с кремниевыми микросхемами или другими отдельными устройствами. Кроме того, к их недостаткам следует отнести трудность передачи сигналов малой продолжи-
тельности с высоким напряжением. Как уже упоминалось, оптические развязки эффективно передают сигналы с частотой от 0 до 10 МГц, что для многих применений недостаточно. На высоких частотах хорошо работают трансформаторные развязки, однако они не пригодны для одновременной передачи высоких частот и сигналов постоянного тока по причине необходимости использования разных схемотехнических решений.
Магниторезистивные развязки. Новый подход к созданию развязок нашла американская фирма ЫУЕ [4, 5], которая разработала и выпускает целый спектр устройств, на основе серии изолирующих блоков. Эта фирма запатентовала технологию и структуру интегральной развязки, в которой интегрируются следующие элементы: СВМР пленочная структура в форме меандра, пла-нарная микрокатушка на кремниевой подложке, магнитный и диэлектрический экраны. От одной до четырех таких развязок объединяются в одном чипе.
На рис. 1 схематически изображено взаимное расположение основных элементов чипа СВМР развязки. Ток входного сигнала протекает по входной планарной катушке. Пропорциональное току сигнала магнитное поле, генерируемое катушкой, направлено в плоскости пленки. Электрическое сопротивление СВМР полоски чувствительно именно к этому направлению магнитного поля. Такая конструкция способствует компактности всей интегральной развязки по сравнению с конструк
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.