МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗИСТОР

Полезная модель относится к области радиоэлектроники и может быть использована при разработке магниточувствительных приборов, таких как датчики магнитного поля, электрического тока, электромагнитного поля, преобразователи, источники возобновляемой энергии и др.
Основное применение магниточувствительных приборов заключается в создании на их основе различных устройств автомобильной электроники, автоматики, систем безопасности, биомедицинского оборудования, навигации, зондирования Земли и др.
Известен магнитоэлектрический (МЭ) эффект в двухфазных композитных материалах, состоящих из магнитострикционной и пьезоэлектрической компонент, и заключающийся в намагничивании материала при воздействии на него внешнего электрического поля и появлении электрической поляризации при воздействии внешнего магнитного поля [Бичурин М.И., Петров В.М., Филиппов Д.А., Srinivasan G., Nan C.W. Магнитоэлектрические материалы - М.: Академия Естествознания, 2006. - 296 с.]. Возможность взаимного преобразования магнитных и электрических полей делает такие композитные материалы перспективными для построения различных устройств функциональной электроники на их основе. Параметры таких устройств зависят от величины МЭ эффекта в композиционном материале.
Известен гигантский МЭ эффект в области электромеханического резонанса (ЭМР)  в двухфазных композитных материалах, состоящих из арсенида галлия и никеля, кобальта [Лалетин В.М., Стогний А.И., Новицкий Н.Н., Поддубная Н.Н. Магнитоэлектрический эффект в структурах на основе металлизированных подложек арсенида галлия // Письма в ЖТФ. - 2014. – Т. 40. – Вып. 21. – С. 71–77] и метгласа [M.I. Bichurin, V.M. Petrov, V.S. Leontiev, S.N. Ivanov, O.V. Sokolov Magnetoelectric effect in layered structures of amorphous ferromagnetic alloy and gallium arsenide. JMMM 424, p.115–117 (2017)].
Известны магниторезисторы – это резисторы, выполненные из проводящих или полупроводниковых материалов, сопротивление которых меняется под воздействием внешнего магнитного поля. В основе работы таких  магниторезисторов  лежит эффект Гаусса, связанный с действием силы Лоренца [Викулин И.М., Викулина Л.Ф., Стафеев В.И. Гальваномагнитные приборы. - М.: Радио и связь, 1983. - 104 с.; Котенко Г.И. Магниторезисторы. Л., «Энергия», 1972. - 80 с.].
Известен магниторезистор, состоящий из пластины примесного полупроводника с омическими контактами, ширина которой превышает расстояние между омическими контактами и соизмерима с длиной свободного пробега свободных носителей заряда примесного полупроводника [Магниторезистор: Авт.свид. СССР № 882362: МПК H01L 43/08/ Климовская А.И., Апостолов А.И., Еросов Ю.И., Панчина Ж.И. и Панаетова Г.А.; заявитель и патентообладатель Институт полупроводников АН УССР. – № 2849923/18-25; заявл. 10.12.79; опубл. 23.02.86, Бюл. № 7]. При отсутствии внешнего магнитного поля электроны проходят расстояние между омическими контактами без рассеяния и сопротивление магниторезистора при этом минимальное. При воздействии внешнего магнитного поля и увеличения его величины большая часть электронов не достигает противоположного контакта, а скорость их дрейфа уменьшается. Это приводит к увеличению сопротивления.
Известен магниторезистор, выполненный в виде полупроводниковой пластины с растром из металлических полосок, расположенной на концентраторе магнитного поля [Магниторезистор: Авт.свид. СССР № 1085460: МПК H01L 43/08 / Беляев Б.А., Тюренев В.В.; заявитель и патентообладатель Институт физики им. Л.В. Киренского. – № 3483148/25; заявл. 09.08.1982; опубл. 10.03.2012, Бюл. № 7]. Для повышения чувствительности в области слабых магнитных полей, концентратор выполнен в виде пленки из магнитомягкого материала с высокой намагниченностью насыщения.
1-x
x
Известен магниторезистор, представляющий собой пластину из варизонного полупроводника (например, GaAlAs) с контактами, расположенными на стороне пластины, где ширина запрещенной зоны минимальна [Магниторезистор: Авт.свид. СССР № 460813: МПК H01L 29/82 А.Ю. Матуленис, Ю.К. Пожела, Б.В. Царенков, В.Ю. Юцене, Ю.П. Яковлев.; заявитель и патентообладатель Институт физики полупроводников АН Литовской ССР и Физико-технический институт им. Иоффе. – № 1903336/26-25; заявл. 04.04.73; опубл. 30.06.78,  Бюл. № 24].  При пропускании тока через пластину в магнитном поле, направленном перпендикулярно направлению тока, под действием силы Лоренца электроны отклоняются из одной части варизонного кристалла в другую. Такое смещением носителей приводит к увеличению (или уменьшению) сопротивления полупроводниковой пластины.
Недостатками известных конструкций магниторезисторов являются низкая магниточувствительность, необходимость больших магнитных полей и малый динамический диапазон.
Наиболее близким по техническому решению является полупроводниковый магниторезистор, содержащий подложку из полуизолирующего арсенида галлия, магниторезистивный слой из монокристаллической пленки германия p-типа проводимости, контактные площадки и измерительные выводы из медной проволоки.  Воздействие магнитного поля приводит к изменению электрического сопротивления магниторезистивной пленки [Полупроводниковый магниторезистор и способ его изготовления: Авт.свид. СССР № 1728903: МПК H01L 43/08,  43/00 / Н.Т. Горбачук; заявитель и патентообладатель: Киевский технологический институт легкой промышленности. – № 4817532/25; заявл. 24.04.90; опубл. 23.04.92, Бюл. №15] - прототип.
Недостатками прототипа являются низкая магниточувствительность, необходимость больших магнитных полей и малый динамический диапазон.
Задачей предложенного решения является повышение чувствительности к магнитному полю.
Для решения данной задачи предложенМЭ резистивный элемент, состоящий из магниторезистивного полупроводникового материала и двух омических контактов, отличающийся тем, что в качестве магниторезистивного полупроводникового материала применена композиционная магнитострикционно-пьезополупроводниковая структура.
Для реализации МЭ резистивного элемента предлагается вместо магниторезистивного полупроводникового материала применить композиционные магнитострикционно-пьезополупроводниковые структуры на основе различных магнитострикционных материалов (никеля, метгласа, пермендюра и др.) и высокоомных  пьезополупроводников (GaAs, GaN, AlN, SiC и др.) для управления сопротивлением резистора. Благодаря наличию в такой структуре МЭ эффекта возможно резонансное увеличение магнитной чувствительности к магнитному полю в области электромеханического резонанса с использованием различных типов колебаний (продольной, поперечной, толщинной, изгибной, сдвиговой, крутильной мод). Предлагаемое решение позволяет получить следующий технический результат - повышение чувствительности к магнитному полю.
Для пояснения предполагаемого решения предложен чертеж.
Фиг. 1-  Конструкция МЭ  резистивного элемента.
Конструкция МЭ резистивного элемента состоит из композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры 1 и омических контактов 2, 3.
МЭ резистивный элемент работает следующим образом.
Предлагаемая конструкция размещается во внешнем постоянном магнитном поле Н, ориентированном, как показано на фиг.1, намагничивая магнитную компоненту композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры 1 до насыщения. Внешнее переменное магнитное поле h(t) приводит к периодической механической деформации магнитной компоненты композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры 1 с частотой модуляции за счет магнитострикции. Благодаря механической связи между компонентами  композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры 1, возникающие в магнитострикционной компоненте механические деформации передаются пьезополупроводниковой компоненте. Модулированные механические деформации в пьезополупроводниковой компоненте приводят к возникновению ЭДС в результате пьезоэлектрического эффекта и к модуляции сопротивления резистора и протекающего тока за счет увеличения пути прохождения носителей заряда между омическими контактами 2 и 3. Модуляция сопротивления резистора приводит к изменению его вольт-амперной характеристики, измеряемой с помощью омических контактов 2 и 3. При совпадении частоты модулирующего магнитного поля и собственной резонансной частотой композиционной магнитострикционно-пьезополупроводниковой структуры 1, например, с частотой продольных колебаний, определяющихся длиной МЭ резистивного элемента, будет наблюдаться увеличение чувствительности МЭ резистора к магнитному полю за счет резонансного МЭ эффекта. Для усиления МЭ эффекта необходимо совпадение направлений постоянного и переменного магнитных полей.
Таким образом, предлагаемая конструкция МЭ резистивного элемента позволяет повысить чувствительность магнитоэлектрических датчиков магнитного поля, электрического тока, преобразователей, источников возобновляемой энергии, устройств медицинской техники и других устройств.