Emporio Armani мужские    часы

Emporio Armani мужские часы

Гуманитарные науки

У нас студенты зарабатывают деньги

 Дипломы, работы на заказ, недорого

Дипломы, работы на заказ, недорого

 Cкачать    курсовую

Cкачать курсовую

 Контрольные работы

Контрольные работы

 Репетиторы онлайн по английскому

Репетиторы онлайн по английскому

Приглашаем к сотрудничеству преподователей

Приглашаем к сотрудничеству преподователей

Готовые шпаргалки, шпоры

Готовые шпаргалки, шпоры

Отчет по практике

Отчет по практике

Приглашаем авторов для работы

Авторам заработок

Решение задач по математике

Закажите реферат

Закажите реферат

Базовые устройства электроники Низкочастотный RC- генератор Расчет полюсов ARC-фильтра Спинтроника Расчет управляемых тиристорных выпрямителей LC-генератор с обратной связью Полевые транзисторы

Проектирование электронных устройств. Задание на курсовую работу

Спинтроника – новое направление в электронике

Вторую половину XX века без преувеличения можно назвать эрой микроэлектроники. В течение этих 50 лет мир был свидетелем технологической революции, ставшей возможной благодаря цифровой логике и базирующимся на ней информационным технологиям. Однако в любых устройствах, от первого транзистора до современных поражающих своими вычислительными возможностями микропроцессоров, микроэлектроника в основном использует только одно свойство электрона – его заряд. В то же время электрон имеет еще одну, правда, сугубо квантово-механическую характеристику – собственный угловой момент, или спин (и связанный с ним магнитный момент), – которая вплоть до недавнего времени не пользовалась особым вниманием разработчиков и исследователей. Сегодня ситуация меняется, и на авансцену выходит новая технология, получившая название "спинтроника" (spintronics – от spin transport electronics или spin-based electronics).

Спин (от англ. spin – верчение, кружение) можно было бы представить как результат вращения частицы вокруг своей оси, однако, несмотря на наглядность такого представления и очевидный смысл самого термина, классическая физика не может объяснить появление спина в результате вращательного движения частиц в трехмерном пространстве.

Cпинтроника – устоявшийся термин, но существуют разные его толкования: электроника переноса спина (spin transport electronics), электроника, основанная на спине (spin-based electronics), или просто спин-электроника (spin-electronics). Магнитным спином обладают не только электроны, но и некоторые другие элементарные частицы, а также ядра атомов. В наше время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические взаимодействия в полупроводниковых структурах, динамику и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера. Наряду с ранее известными магнетиками по мере развития спинтроники появились новые – магнитные полупроводники, вещества, которые одновременно могут быть магнитами, полупроводниками и оптическими средами.

Сопротивление автоматического смещения в цепи катода лампового усилительного каскада

Типовые задачи с решениями На нижней граничной частоте двухкаскадного усилителя коэффициент частотных искажений второго каскада Мн2=1,3 при общем коэффициенте частотных искажений Мн — 1,41. На средних частотах усиление усилителя =200 и усиление второго каскада =10. Определить напря­жение на выходе первого каскада на нижней граничной частоте, если входное напряжение усилителя для всех частот одинаково: Uвх==50 мВ.

Сверхтонкое взаимодействие электронных и ядерных спинов имеет, как и спин-орбитальное взаимодействие, релятивистскую природу. Для полупроводников оно предоставляет дополнительную, по сравнению с металлами, возможность управлять спином электрона не только внешним магнитным полем, но и полем ядер атомов, находящихся в решетке полупроводника.

Магнитные полупроводники С этой точки зрения ранее известные магнитные полупроводниковые материалы (халькогениды редкоземельных элементов, магнитные халькошпинели) следовало бы называть полупроводниковыми магнетиками, поскольку при стехиометрическом составе они представляют собой ферромагнетики с собственной магнитной подрешеткой.

Сверхгигантский эффект магнитосопротивления Магнитосопротивление (МС), или магниторезистивный эффект, заключается в изменении электрического сопротивления твердых тел под действием внешнего магнитного поля.

Схема каскада усиления

Схема мостового выпрямителя с фильтром

Схема компенсационного стабилизатора напряжения

Целью работы является рассмотрение физических принципов нового направления в микроэлектронике – спинтронике и основных типов приборов на основе спиновых эффектов.

2. Аналитический обзор

2.1. Принципы спин – транспортной электроники

В настоящее время наука – спинтроника проходит процесс формирования и, как любая наука в этот период, она не имеет (пока) четких определений и моделей.

2.1.1. Об определении спинтроники

Термин спинтроника (spintronics – англ.) появился впервые в 1998 г. в совместном пресс релизе лабораторий Белла и Йельского университета, в котором была сформулирована задача создания устройств, сохраняющих информацию в атомах вещества, где биты кодировались бы электронными спинами. В Агентстве перспективных исследований министерства обороны США спинтронику определяют как спинтранспортную электронику. Согласно другим определениям спинтроника – это наука, для которой принципиальное значение имеет взаимосогласованное поведение заряда и спина электрона; «это электроника на электронных спинах, в которой не заряд электрона, а его спин является передатчиком информации, что формирует предпосылки для создания нового поколения приборов, объединяющих стандартную микроэлектронику и спин зависимые эффекты»; «это наука об управлении электрическим током в полупроводниках и гетероструктурах за счет изменения ориентации электронных и ядерных спинов в магнитных и электрических полях»; «это новая ветвь микроэлектроники, где спин и заряд электрона представляют собой активный элемент для хранения и передачи информации, интегральных и функциональных микросхем, многофункциональных магнитооптоэлектронных устройств».

2.1.2. Основные направления развития спинтроники

Спинтроника развивается по следующим основным направлениям:

1) изготовление магнитных наноструктур, включая новые материалы, тонкие пленки и гетероструктуры, а также многофункциональные материалы;

2) магнетизм и спиновый контроль мaгнитных наноструктур, теории ферромагнитного обмена в разбавленных магнитных полупроводниках, туннельных эффектов и спиновой инжекции, транспорта и детектирования магнетизма;

3) магнитоэлектроника и приборы на основе эффекта гигантского магнитосопротивления (ГМС) [4,5], туннельные устройства, полупроводни­ко­вые гетероструктуры для инжекции спинов, их транспорт и детектирование, импульсный ферромагнетизм;

4) магнитооптические свойства магнитных полупроводниковых гетероструктур на постоянном токе и с временным разрешением, оптическая спиновая инжекция и детектирование, оптически индуцированный ферромагнетизм, сверхбыстрые магнитооптические переключатели; передача квантовой информации;

5) распознавание образов; получение изображений и метрология, включая магнитное распознавание образов и аномальный эффект Холла;

6) приборостроение и прикладные исследования.

В настоящей работе рассмотрены основные магнито-электрические эффекты в магнитных полупроводниках и приборы основанные на спиновых эффектах.


2.2 Спиновые взаимодействия в полупроводниках

2.2.1. Общие представления о магнитных полупроводниках

 Зонная структура магнитного полуп­роводника отличается от двухзонной структуры обычных полупроводников, металлов и диэлектриков наличием особой ‑ третьей зоны (рис. 1), которая образуется электронными d- и f-оболочками атомов переходных или редкоземель­ных элементов. В обычных условиях спины с различной ориентацией компенсируют друг друга, поэтому спиновый ток равен нулю.

Если спины всех частиц принимают одну и ту же ориентацию, возникает макроскопическая намагниченность вещества. Электроны с заданным состоянием спина называют также поляризованными электронами.

2.2.2.Диполь – дипольное взаимодействие (спин-спиновое)

Диполь-дипольное или спин-спиновое взаимодействие — это прямое взаимодействие спиновых магнитных моментов электронов, пропорциональное произведению магнитных моментов и обратно пропорциональное кубу расстояния между ними. Будучи пропорциональным (v/c)2 (v – скорость элек­трона, с – скорость света), диполь-дипольное взаимодействие слишком слабо, чтобы играть какую-то роль в полупроводниках. Его величина составляет примерно 1 К для пары электронов на соседних узлах кристаллической решетки. С энергией спин-спинового взаимодействия сравнима по порядку величины малая энергия взаимодействия спинового магнитного момента электрона с полем анизотропии. Но именно слабость спин-спинового взаимодействия играет большую роль в полезных свойствах некоторых магнитных полупроводников. В разбавленных магнитных полупроводниках роль прямого спин-спинового взаимодействия ослабевает настолько, что их намагниченность можно легко изменять экспериментально достижимыми внешними магнитными полями. Сравнительно слабые магнитные поля влияют на характеристики разбавленных магнитных полупроводников сильнее, чем на параметры традиционных магнитных полупроводников.

2.2.3.Спин-орбитальное взаимодействие

Спин-орбитальное взаимодействие — это взаимодействие спинового магнитного момента электрона с магнитным моментом его собственного орбитального движения. Причина спин-орбитального взаимодействия в том, что электрон, движущийся со скоростью v в электрическом поле напряженности E , «видит» магнитное поле с магнитной индукцией

(с – cкорость света). В таком магнитном поле электрон с магнитным моментом обладает дополнительной энергией спин-орбитального взаимодей­ст­вия  (λ – константа спин-орбитального взаимодействия). Вследст­вие спин-орбитального взаимодействия на спин движущегося электрона или дырки могут действовать и статическое, и переменное внешние электрические поля.

В полупроводниках спин-орбитальное взаимодействие на несколько порядков сильнее, чем в атомах или металлах, поэтому оно может проявляться даже в диапазоне тепловых скоростей электронов. Спин-орбитальное взаимодействие усиливается с увеличением заряда ядра; его энергия равна 0.04 и 0.29 эВ в полупроводниках Si и Ge. Зачастую это взаимодействие отвечает за релаксацию спинов и обеспечивает взаимозависимость переноса (транспорта) носителей тока и явлений, связанных со спином. Спин-орбитальное взаимо­действие «связывает» спиновые и пространственные координаты электрона и ведет к появлению эффективного внутрикристаллического магнитного поля (поле магнитной анизотропии), так как орбитальное движение частицы связано с кристаллографическими направлениями. Частный вид такого взаимодействия описан для двумерных систем с асимметричным потенциалом. Потенциал такого рода возникает в канале кремниевого полевого транзистора. В этом случае формой потенциала можно управлять, подавая напряжение на базовый контакт транзистора, и, соответственно, изменять силу спин-орбитального взаимодействия. Возникающие в слоях РМП на подложках напряжения кристаллической решетки также влияют на спин-орбитальное взаимодействие. В зависимости от того, какое возникает напряжение – сжатия или растяжения – намагниченность РМП (ферромагнитная легкая ось) лежит или в плоскости ферромагнитного слоя, или в направлении его роста, т.е. поле магнитной анизотропии в РМП зависит и от деформаций кристаллической решетки.

2.2.4.Обменное взаимодействие

Обменное взаимодействие – это часть кулоновского взаимодействия между электронами, зависящая от перестановки двух электронов в силу принципа исключения Паули: . Такая зависимая от взаимной ориентации спинов «квантовая сила» возникает из-за разных орбитальных движений пары электронов, которые имеют тенденцию к образованию электронных конфигураций либо с отдаленными электронами, когда вероятность нахождения обоих электронов вблизи друг друга мала, либо со сближенными электронами, когда эта вероятность велика. При этом суммарный спин электронной пары, , оказывается равным либо 1 (спиновый триплет), либо 0 (спиновый синглет). Обменная энергия (интеграл) J представляет собой полуразность энергий двух этих электронных конфигураций. Интенсивность обменного взаимодействия определяется величиной кулоновского электростатического взаимодействия, но несколько меньше его среднего значения. Если имеется несколько электронов в электронной оболочке атома d- и f- оболочки атомов переходных металлов и редкоземельных элементов, их кулоновское отталкивание минимально при параллельной ориентации спинов, т.е. обменный интеграл J Н > 0 (внутриатомный обмен Хунда). В этом случае электронные конфигурации стремятся иметь максимально возможный суммарный спин (первое правило Хунда). По той же причине в изолированном атоме одинаково направлены спин s- и d-электрона атомной оболочки. При появлении магнитной примеси в немагнитном металле ситуация усложняется: спин s электрона проводимости может быть параллелен спину примесного d- электрона или антипараллелен. Результат зависит от внутриатомного отталкивания d- электронов, характеризуемого параметром Андерсона – Хаббарда U, и положения уровня примеси в энергетической зоне металла, причем образование не скомпенсированного магнитного момента облегчается при малой плотности электронов проводимости и малой степени ковалентности связи. Для ковалентного связывания энергетически выгодно орбитальное движение электронов с максимальной их плотностью между положительно заряженными ядрами, J < 0, так что ковалентная связь дает спиновый синглет. С возраста­нием ковалентности связи в ряду анионов F–, O2–, S2–, Se2– для М3+—An—М3+ и М4+—An—М4+ (An – анион) обменный интеграл J растет. Взаимная ориентация спинов и, в конечном счете, ферромагнетизм определяются обменным взаимодействием атомов примесного металла Mn+, которое, однако, не определяет направление суммарного спина относительно кристалло­графи­чес­ких осей. Вырождение суммарной намагниченности кристалла относительно кристаллографических осей частично снимается спин-орбитальным взаимодействием. Кинетическая энергия электронов в сочетании с принципом Паули стремится разрушить спиновый порядок; температура, при которой исчезают ферромагнитные свойства, называется температурой Кюри.

В полупроводниках прямое обменное взаимодействие между делокализованными электронами или дырками не играет большой роли из-за их малой плотности и резкого (экспоненциального) ослабления обменного взаимодейст­вия с расстоянием. Исключение составляют некоторые концентрированные магнитные полупроводники с весьма низкими температурами Кюри и границы раздела полупроводник – ферромагнетик, существенные для явлений спиновой инжекции. Для магнитных полупроводников иногда феноменологически вводят обменное взаимодействие локализованных d- или f- электронов с электронами проводимости (sd) взаимодействие, характеризуемое параметром обмена Jsd или валентными дырками (pd) взаимодействие с параметром обмена Jpd. Из-за особенностей распределения электронной плотности в энергетичес­ких зонах полупроводников электроны движутся по магнитным катионам, тогда как дырки – по немагнитным анионам; поэтому ферромагнитный обмен локализованных электронов с электронами проводимости должен превышать их антиферромагнитное обменное взаимодействие с дырками в валентной зоне: Jsd > |Jpd|.

2.2.5.Косвенное спиновое взаимодействие

Косвенные спиновые взаимодействия. В кристалле прямое спиновое взаимодействие удаленных атомных остовов (электронных конфигураций), например примесных магнитных ионов в полупроводнике, ничтожно. Спиновое взаимодействие между подобными ионами осуществляется посредством возмущения состояний электронов на промежуточных атомах, общих для этих ионов. Если обобществленные электроны находятся, например, на немагнитных анионах (F–, O2–, S2–, Se2– и др.), участвуя в химической связи между одинаковыми магнитными ионами M (типа М3+—An—M3+ и М4+—An—М4+ в перовскитах LaMO3 и СaMO3 или Сr3+—F–—Cr3+ в CrF3), то возникает перекрытие орбиталей электронов, локализованных на магнитных ионах. В этом случае возможен перенос электрона от одного иона на другой с кинети­ческой энергией t. В случае полупроводников, легированных магнитными примесями, появление интеграла переноса t обязано прямому перекрыванию примесных орбиталей (волновых функций). Оказываясь на занятой орбитали другого иона, электрон с противоположным спином приобретает дополнительную энергию электростатического отталкивания U >> t, и энергия электронной пары определяется конкуренцией между кинетической энергией переноса и энергией отталкивания электрона на одной орбитали:

(α – перекрывание орбиталей локализованных электронов). Минимизация дает энергию, необходимую для разупорядочения спинов: E = – t2/U. Так, для двух локализованных электронов стабилизируется антипараллельная ориентация их спинов с антиферромагнитным обменным интегралом J = – 4t2/U < 0. Такое косвенное обменное взаимодействие называют (кинетическим) сверхобменом, или суперобменом по Андерсону. Механизм двойного обмена неоднократно уточняли. Иногда этот тип магнитного обмена между парой ионов с разной валентностью называют (ферромагнитным) обменом Зинера, хотя для ядерного ферромагнетизма он предлагался ранее Фрелихом и Набарро. Феноменологическую sd-модель использовал и Зинер. Механизм двойного обмена называют механизмом Вонсовского – Зинера. Этот механизм был обобщен на случай ферромагнитных полупроводников с магнитной подрешеткой и антиферромагнитных полупроводников. Механизмы сверхобмена и двойного обмена использовали для описания ряда магнитных полупроводников с собственной решеткой магнитных ионов, т.е. применительно к концентрированным магнитным проводникам. Сверхобмен, ответственный за антиферромагнетизм, осуществляется между магнитными ионами с разными проекциями спинов и одинаковыми зарядами; при сверхобмене снимается вырождение по энергиям виртуального состояния с двумя электронами и большой энергией U. Сверхобмен приводит к антиферромагнетизму в полупроводниковых соединениях переходных металлов со сравнительно низкими температурами Нееля.

Двойной обмен, ответственный за ферромагнетизм, осуществляется между ионами с разными зарядами при помощи делокализованных электронов; при двойном обмене снимается вырождение реальных состояний по энергиям за счет перехода через виртуальное состояние аниона. Поэтому механизм двойного обмена неприменим к описанию ферромагнетизма в полупроводниках, где магнитные примеси обладают целочисленной валентностью. Несмотря на принципиальное различие КМП со смешанной валентностью и РМП с целочисленной валентностью, при исследовании последних часто применяют механизм двойного обмена. Иногда постулируется наличие двух обменных контактных взаимодействий между примесными d-электронами и коллективизированными s- и p- электронами. Вследствие распределения плотностей делокализованных носителей в зоне проводимости и валентной зоне такой обмен должен быть ферромагнитным в зоне проводимости (Jsd > 0) и антиферромагнитным в валентной зоне (Jpd < 0).

Необоснованное применение механизма двойного обмена привело к предсказанию высоких ТC только в РМП p- типа, что противоречит таким фактам как наличие высокотемпературного ферромагнетизма в некоторых магнитных полупроводниках n- типа, например (Ga,Mn)N, и высокотемпературных магнитных полупроводниках, подобных (CdGe,Mn)P2. Недавние эксперименты по циклотронному резонансу в РМП в магнитных полях до 500 Тл на пленках In1–xMnxAs (0 < x < 2.5) p- типа, выращенных на подложке GaAs методом молекулярнолучевой эпитаксии, свидетельствуют об отсутствии двойного обмена в РМП. Для магнитных примесей в полупроводни­ках весьма важен учет энергии туннелирования V примесного d- электрона в зону коллективизированных носителей и обратно на другой атом примеси. Параметр V отражает степень гибридизации локализованных и делокализован­ных электронов, являясь фактически мерой ковалентности их связи, т.е. параметр гибридизации – одноэлектронная энергия. В РМП и ВТФП величина параметра гибридизации примесных d- электронов и коллективизированных p- дырок (Vpd > 1 эВ) сравнима с шириной зоны тяжелых дырок. Важно, что туннелирование происходит без изменения значения проекции спина


На главную страницу: Курсовая по электронике