WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 4 01;06 Вольт-амперные характеристики спинового полуметаллического транзистора © А.К. Звездин, А.С. Мищенко, А.В. Хвальковский Институт общей физики РАН, 119991 Москва, Россия e-mail: khvalkov@ran.gpi.ru (Поcтупило в Редакцию 24 июня 2002 г.) Предложена новая конструкция спинового транзистора на основе ферромагнитных полуметаллов, называемого спиновым полуметаллическим транзистором, и теоретически исследованы его вольт-амперные характеристики. Новое устройство подобно биполярному транзистору способно усиливать ток. В то же время свойства спинового полуметаллического транзистора кардинально зависят от взаимной ориентации намагниченностей трех его контактов. Также в работе предложен F-F-переход. Это устройство состоит из двух однодоменных полуметаллических частей с противоположными направлениями намагниченности.

В некотором диапазоне напряжений вольт-амперные характеристики F-F-перехода и полупроводникового диода схожи между собой. Исследовано поведение F-F-перехода при различных условиях.

Введение между эмиттером и коллектором, а лишь для измерения разности потенциалов на гетеропереходе база–коллекВ последние годы появилось новое направление в тор, возникающей при спиновой инжекции из эмиттера прикладной физике — спиновая электроника, которая в и зависящей от ориентации спинов в коллектроном отличие от традиционной микроэлектроники использует переходе. Такой прибор не является усилителем в традля обработки информации не только заряд электрона, диционном смысле этого слова.

но и его спин [1]. Основным физическим явлением, на В настоящей работе рассмотрена конструкция котором базируется спинтроника, является обнаружен- F-F-F-спинового транзистора, которая обладает ный в конце XX столетия так называемый спин-зави- такими же свойствами усиления тока, как n-p-n симый транспорт электронов (spin-dependent transport), (или p-n-p) биполярный транзистор, в то же время его т. е. зависимость транспортных характеристик электро- характеристики кардинально зависят от взаимной ориеннов от спиновой степени свободы. Примерами про- тации спинов электронов в эмиттере, базе и коллекторе.

явления спин-зависимого транспорта являются эффект Основой для данного устройства взяты так называегигантского магнитосопротивления [2–5], магнитосопро- мые ферромагнитные полуметаллы (half-metals) [16–18].

тивление туннельных переходов и наноконтактов [6–9], Эти вещества являются металлами, но у них зонная эффект аккумуляции спина и поверхностное сопротив- структура имеет следующую особенность: плотность ление гетеропереходов [10,11]. К уже реализованным состояний различна для спинов противоположной ориприборам спиновой электроники относят считывающие ентации и для одной из них имеется щель. Такие головки для магнитных жестких дисков с высокой ин- вещества ведут себя как металл для электронов одной формационной плотностью и магнитную оперативную поляризации (основной) и как полупроводник для протипамять (MRAM). Еще более обещающими являются воположной (соответственно неосновной) поляризации.

спинтронные приборы, основанные на эффекте спиновой В англоязычной литературе для носителей основной и инжекции [12,13], которые позволяют перерабатывать и неосновной поляризации используют термины majority детектировать информацию, „записанную“ в спиновые и minority.

степени свободы. К таковым приборам относятся спино- Чтобы подчеркнуть отличие в зонной структуре вые транзисторы.

от полупроводникового транзистора, мы назовем обАктивно исследуются и обсуждаются в литературе суждаемый транзистор спиновым полуметаллическим два типа спиновых транзисторов: спиновый полевой транзистором, или сокращенно SHM-транзистором (spin транзистор (spin FET), предложенный в работе [14], half-metallic transistor). Двухтоковая схема (имеются в и транзистор типа F-N-F [15], где F(N) означает виду токи электронов со спинами „вверх“ и „вниз“) ферромагнитный (нормальный) металл. Если спиновый описания транспортных свойств электронов в ферромагполевой транзистор по принципу действия весьма близ- нетиках была предложена в работах [10,19,20].

ко напоминает полевой транзистор, то во втором случае В качестве примера таких веществ можно привести напрашивающаяся аналогия с биполярным транзистором Fe3O4, Cr2O, LaPrMnO3, сплавы Гейслера (PtMnSb, не является адекватной с точки зрения функциониро- PtMnSn [21,22]) и др. Величина щели 2 у них пования прибора. В данном примере базовая прослойка рядка десятых долей электрон-вольта. При комнатных (нормальный металл) служит не для управления током температурах у неосновных электронов проводимость 54 А.К. Звездин, А.С. Мищенко, А.В. Хвальковский электрона, m — его эффективная масса. При значении (E - U) 4eV, L 5 коэффициент затухания будет порядка 6 · 10-3. Хотя в рассматриваемом случае граница между доменами образована не доменной стенкой, а слоем изолятора, далее мы предполагаем сохранение поляризации электронов при его прохождении. В работе [24] теоретически исследовалась зависимость тока спинового диода из ферромагнитных полупроводников от толщины доменной стенки и температуры. Было показано, что электроны сохраняют свою спиновую поляризацию для „резких“ доменных стенок толщины меньше 20 nm.

Рис. 1. Схема зонной структуры ферромагнитного полуметалла, используемой в расчетах. Рассмотрим вольт-амперную характеристику (ВАХ) такой конструкции. Туннельный ток, связанный с электронами одной из поляризаций, может быть рассчитан по формуле (см., например, [24]) на несколько порядков (2-6) меньше проводимости основных. Далее мы моделируем зонную структуру этих 2e|M|веществ, как показано на рис. 1.

I = f (E -eV )- f (E) R(E -eV )L(E) dE, p (1) F -F-переход где f (x) — функция Ферми; L, R — плотность состояний электрона проводящей поляризации в левом и Рассмотрим образец, который содержит в себе два правом ферромагнетиках соответственно; V —разность домена противоположной направленности. Между ними потенциалов между контактами F-F-перехода; M — должен быть введен тонкий слой изолятора толщины потуннельный матричный элемент (считается постоянрядка одного или нескольких атомных слоев, предотвраным); e — заряд электрона.

щающий появление доменной стенки. Для электронов Функции L, R — для ферромагнитных полуметалосновной в левом контакте поляризации зонная струклов в нашем случае имеют вид (рис. 1) тура перехода показана на рис. 2. Для противоположной поляризации структура аналогичная.

L = 0 = const, Предполагается, что туннельное сопротивление изо лирующего слоя превышает то, которое возникает из-за ; E > EF +, эффекта аккумуляции спина [10,22,23]. Это приближение R = 0; EF -

не влияя качественно на основные результаты.

Интеграл (1) берется аналитически Нужно отметить, что на слое изолятора результирующий ток уменьшится на величину порядка 2e|M|exp - 2m(E - U) L/, где U — высота потенциальноI = p го барьера, L —его длина, E — кинетическая энергия 1 + exp (eV - )/kT eV + kT ln 1 1 + exp(- /kT) 1 + exp (eV + )/kT - kT ln. (3) 1 + exp( /kT) В качестве частного случая (1 = 2 = 0, = 0) в выражении (3) содержится решение для перехода, в котором намагниченности крайних контактов сонаправлены (F-F-переход). Его можно представить в виде(ср. [24–26]) I = GV, (4) Рис. 2. Зонная структура F-F-перехода для поляризации, Это ток только носителей основной поляризации. Током неосновосновной в левом контакте. Стрелки обозначают намагничен- ных носителей мы пренебрегаем, так как он много меньше первого при напряжениях |V | 2 [10,22].

ность доменов.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Вольт-амперные характеристики спинового полуметаллического транзистора Случай неколлинеарных поляризаций Обсудим случай, когда один из электродов намагничен под некоторым углом ко второму (рис. 4). Рассмотрим электрон, который попал под действием электрического тока из левого домена в правый. Ввиду того что поляризация электрона по нашему предположению не изменилась, в правом домене у него направление спина будет под тем же углом к направлению оси намагниченности. Квантово-механическое состояние этого электрона |l можно представить в виде [27] |l = sin |r + cos |r. (7) 2 Поскольку, согласно золотому правилу Ферми, вероятность перехода в единицу времени пропорциональна квадрату матричного элемента перехода и состоя ния |r и |r ортогональны друг другу, то результирующий ток будет равен I = cos2 I + sin2 I. (8) 2 После несложных преобразований получаем из (3), Рис. 3. ВАХ F-F-перехода для различных значений угла (8) общее выражение для тока спинового диода в случае между направлениями намагниченностей доменов. Случай = 0 соответствует противоположно намагниченным доме- произвольного взаимного направления намагниченнонам, = 180 — доменам, намагниченным в одном направле- стей доменов нии (F-F-переход). На вставке — поведение спинового тока 1 + exp (eV - )/kT перехода для некоторых значений угла. Цифры у кривых — G I = eV + kT ln значения в.

e 1 + exp(- /kT) 1 + exp (eV + )/kT - kT ln 1 + exp( /kT) где G — проводимость такой конструкции; в нашем случае 1 + 2e2|M|2 2 cos2 + eV sin2. (9) G = 0. 0 2 Результаты расчета по предложенной формуле предПолный ток I F-F-перехода, равный сумме тоставлены на рис. 3 для различных значений угла ков обеих поляризаций, будет иметь следующую струки следующих значений коэффициентов: 0/2 = 3, туру. При малых напряжениях (|eV | < ) он представ1/2 = 1.5, kT = 25 meV, = 0.3eV.

ляется выражением На вставке к рис. 4 показано поведение спинового 1 + 2 /kT 1 + 2 /kT тока F-F-перехода, равного разнице токов двух поляI = Ge- V = e- I, (5) ризацией для некоторых значений и тех же значений 0 параметров задачи. Выражение для угловой зависимости а при V равен 1 + I = G(V - ). (6) Таким образом, ток F-F-перехода при не очень больших температурах можно представить нулем для напряжений |eV | < и прямой (6) для больших напря жений (рис. 3).

F-F-переход можно было бы назвать спиновым диодом, поскольку нелинейный участок ВАХ вблизи точки V = напоминает поведение обычного диода.

Понятно, что название условное, так как ВАХ будет Рис. 4. Спиновый диод с намагниченностью одного домена иметь ненулевое значение при V < -. под углом ко второму.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 56 А.К. Звездин, А.С. Мищенко, А.В. Хвальковский В нашем случае используется схема „с общей базой“.

Для этой конфигурации спинового транзистора зависимость потенциальной энергии электронов проводящей поляризации от координаты x вдоль транзистора модулировалась так, как показано на рис. 7.

Уравнение диффузии неравновесных носителей в базе, а именно электронов, инжектированных из эмиттера, имеет вид 2n n - nD =, (12) xРис. 5. Спиновый диод с образованным внутри одного из конгде D — коэффициент диффузии электронов; — тактов дополнительным доменом, намагниченность которого среднее время „жизни“ электрона в базе до момента наклонна.

его рекомбинации; (n - n0) — концентрация электронов, инжектированных в базу из эмиттера; n0 — равновесная концентрация электронов (все параметры для неосновспинового тока следующее:

ных носителей).

1 + exp (eV - )/kT G Граничные условия для концентрации электронов на Is = eV - kT ln границах базы определяются больцмановским фактором e 1 + exp(- /kT) 1-eVEB 1 + exp (eV + )/kT kT n(+0) =n0e-, - kT ln 1 + exp( /kT ) 2+eVBC kT n(W - 0) =n0e-. (13) 1 - cos2 + eV sin2. (10) 0 2 2 Здесь W — ширина базы; n(+0), n(W - 0) — концентрации проводящих электронов на границе эмиттер–база и Рассмотрим также случай, когда в одном из электробаза–коллектор;, — потенциальные барьеры для 1 дов образовался еще один домен, намагниченность копроникновения электронов из эмиттера в базу и из колторого составляет некоторый угол с намагниченностью лектора в базу при отсутствии напряжения; VEB и VBC — обоих контактов (рис. 5). В этом случае протекающий ток равен (S - S) +S cosS I = I + sin2 I S S = 1 - S sin2 I + S cos2 I, (11) 2 где S — полная площадь контакта, S — площадь домена с наклонной намагниченностью, S = S/S — относительная площадь этого домена; ВАХ в этом случае имеет такую же структуру, как при повернутых поляризациях.

Рис. 6. Зонная структура спинового транзистора для электроСпиновый полуметаллический нов проводящей поляризации.

транзистор (SHM-транзистор) Теперь перейдем к трехконтактному устройству, сделанному на основе ферромагнитных полуметаллов. На рис. 6 представлена зонная структура спинового транзистора для электронов той поляризации, для которых носители базы имеют неосновную поляризацию. Далее мы будем называть эту поляризацию проводящей. Вкладом тока противоположной поляризации можно пренебречьпри kT, V <.

Это связано с тем, что для этой поляризации носители в базе основные (в эмиттере и коллекторе соответственно неосновные).

Поэтому для нее эмиттерным током нельзя повлиять на коллекторный Рис. 7. Используемая в расчетах потенциальная энергия в нашем рабочем диапазоне температур и напряжений (kT, V ). электронов проводящей поляризации.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Вольт-амперные характеристики спинового полуметаллического транзистора приложенное напряжение между эмиттером–базой и базой–коллектором соответственно. Следует отметить, что для общности рассмотрен случай =, что 1 соответствует различным состояниям намагниченности эмиттера и коллектора.

Располагая зависимостью концентрации неосновных электронов в базе n(x), рассчитываем токи эмиттера IE, коллектора IC и базы IB по следующим формулам [28]:

n IE = eD, x x=n IC = eD, x x=W Рис. 8. Семейство ВАХ спинового транзистора для различных IB = IE - IC. (14) значений напряжения эмиттер–база VEB.

Решив уравнение (12) с граничными условиями (13) и подставив решение в (14), получим для токов транзистора следующие выражения:

Перемагнитить только один домен можно при специeDSn0 1 W альном подборе значений коэрцитивной силы эмиттера, IE = ch -, (15) W L L базы и коллектора. К примеру, если коэрцитивная сила sh L базы будет меньше коэрцитивной силы эмиттера и eDSn0 1 W коллектора, то будет существовать область магнитных IC = - ch, (16) W L sh L полей, в которых база уже перемагнитилась, а эмиттер L и коллектора — еще нет.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.