一种利用分立器件构成的整流磁电阻器件及其制备方法与应用与流程

本发明涉及一种利用分立器件构成的的整流磁电阻器件及其制备方法与应用，属于磁电控制技术领域。

背景技术：

所谓磁电阻效应，是指材料或器件的电阻率随外加磁场的变化而变化的现象。磁电阻效应通常被应用于磁传感器和磁读出头领域。目前常见的磁电阻效应包括各向异性磁电阻、巨磁电阻效应、隧穿磁电阻效应、庞磁阻效应、反常磁电阻效应等。2015年山东大学自旋电子学课题组在Al/Ge肖特基结中成功发现了整流磁电阻效应，并申请了专利，不同于之前提到的磁电阻类型，整流磁电阻指的是输入一个纯的正弦交流电流，测量整流后的直流电压，整流电压随着磁场变化的现象就是整流磁电阻。实现了室温下200％的磁电阻比值，与此同时其直流磁电阻只有80％。整流磁电阻效应正是整流效应和磁电阻效应协同作用的结果。并且，通过在具有整流磁电阻效应的器件两端同时加直流和交流电流能够实现整流磁电阻的调控，从而获得巨大的磁电阻比值。

然而目前为止，整流磁电阻以及其电调控只能存在于同时具有整流效应和磁电阻效应的器件中，例如，我们可以观测到整流磁电阻效应在非对称势垒的磁隧道结中或者具有磁电阻效应的PN结或肖特基结中发现。由于缺少整流效应，单纯具有磁电阻效应的器件是无法实现整流磁电阻的。这极大的限制了整流磁电阻的应用范围。鉴于以上情况，我们在单纯磁电阻器件基础上，通过并联商用二极管构建的复合器件实现了整流磁电阻。该方法可以被广泛应用于所有磁电阻效应，并能够同当今的半导体工艺相结合，在磁传感器以及磁电调控领域有极大的应用前景。

技术实现要素：

针对现有技术不足，本发明提供一种利用分立器件构成的整流磁电阻器件。本发明利用二极管整流效应和单纯具有磁电阻效应的器件共同作用，来实现整流磁电阻效应。

本发明还提供一种上述整流磁电阻器件的制备方法。

本发明还提供一种基于上述整流磁电阻器件建立数学理论模型的方法。该方法利用各器件的电学特性及其工作原理建立的理论数学模型来仿真器件的电输运特性。

本发明的技术方案如下：

一种利用分立器件构成的整流磁电阻器件，包括磁电阻器件、与所述磁电阻器件并联的整流器件。本发明通过将整流器件和磁电阻器件并联，将整流效应和磁电阻效应有机的结合在一起，从而实现了整流电压随外磁场的变化而变化，即实现了整流磁电阻效应。

根据本发明优选的，所述磁电阻器件为巨磁电阻、各向异性磁电阻、庞磁阻，隧穿磁电阻或非磁性半导体中的奇异磁电阻。

根据本发明优选的，所述整流器件为二极管。

根据本发明优选的，所述二极管为肖特基二极管或PN结二极管。

一种上述整流磁电阻器件的制备方法，包括：

1)选择磁电阻器件；所述磁电阻器件由于不具备整流效应，故所述选择的磁电阻器件只能观测到传统的直流磁电阻，测量不到整流磁电阻；在本专利中，所有磁电阻器件的磁电阻效应均被定义为：MR＝(V(H)-V(0))/V(H)，其中V(H)为外磁场H下的直流电压，V(0)为没有外磁场下的直流电压；

2)在所述磁电阻器件的两端并联整流器件，形成整流磁电阻器件。

根据本发明优选的，所述整流器件为二极管；优选的所述二极管为肖特基二极管或PN结二极管。本发明只要求其具有整流效应即可，对具体的二极管型号无要求。

根据本发明优选的，按照上述制备方法得到的整流磁电阻器件，其磁电阻比值的调制方法如下：

同时在所述整流磁电阻器件的两端加载直流和交流电流，进而调控整流磁电阻器件的磁电阻比值至最大。

一种基于上述整流磁电阻器件建立数学理论模型的方法，包括步骤如下：

1)根据磁电阻器件的具体材料或结构写出磁电阻器件的电流-电压关系式，

I_M(t)＝f(V(t)) (1)

通常情况下磁电阻材料的iv曲线符合欧姆定律：I_M(t)＝G(H)·V(t)

2)利用肖克莱公式拟合整流器件的电输运性质：

I_D(t)＝I_s(e^αV(t)-1)， (2)

式2中,α与空间电荷区的分布相关；I_s代表了反向饱和电流的大小；I_D代表了通过二极管的电流；

3)所述磁电阻器件和整流器件并联后所形成整流磁电阻器件的电输运性质表述为

I(t)＝I_M(t)+I_D(t)＝I_s(e^αV(t)-1)+f(V(t))， (3)

式3中，V(t)代表了器件两端的电压，I_M代表了通过磁电阻的电流，I_D代表了通过二极管的电流,，I_s代表了反向饱和电流的大小，α与空间电荷区的分布相关，e为自然对数的底；

4)在所述整流磁电阻器件的两端加载交流电流，表示成为

I(t)＝I₁sin(2πft)+I₂.

(4)其中I₁，f和I₂分别代表交流电流的幅值，频率和直流分量；

5)通过联立公式(3)和公式(4)，解得电压随时间的变化关系V(t)，通过对V(t)求一个周期T内的平均值，得到整流电压

通过该定量的数学模型，本发明不仅可以仿真器件的直流输运性质，并且可以仿真器件的整流磁电阻效应以及整流磁电阻的电调控。根据分立器件的电输运性质以及并联电路的分流特性，我们得到整流磁电阻器件的电输运性质，从而能够很好的拟合所观测到的结果。

本发明优势:

1.本发明所述通过二极管与磁电阻并联实现既具有整流效应，又具有磁电阻效应的整流磁电阻器件。

2.通过基本已知实验参数和各器件的电学特性及其工作原理可以建立理论数学模型仿真器件的电输运特性。

3.本发明所述整流磁电阻器件不需要高的工作电压(<1V)，具有低功耗的优势。器件不会长时间处于高电压状态，使用寿命更长。

4.在通过分立器件实现整流磁电阻的基础上，调节不同直流电流和交流电流的比例，本发明在室温下实现了高达13500％的磁电阻比值。具有很高的信噪比。

5.本发明所述通过二极管与磁电阻并联实现整流磁电阻效应的方法可以适用于各类磁电阻器件具有普遍性和广泛适用性。

6.该整流磁电阻器件的整流效应和磁电阻效应分别依赖于整流二极管和磁电阻元件，故，通过更换不同的整流和磁电阻元件可以实现很多新奇的功能。例如，更换高频二极管可以实现更高的工作频率。

7.本发明所述通过二极管与磁电阻并联实现整流磁电阻效应的方法，与当今的半导体工艺相兼容，有助于大规模工业生产。

附图说明

图1.为整流磁电阻器件的结构示意图；

图2.为实施例二、实施例三整流磁电阻器件在300K环境温度下，不同磁场实验测量和理论模拟的I-V特性曲线。由于其I-V特性曲线不对称表明其具有整流效应，并且不同磁场下I-V特性曲线不同表明其具有磁电阻效应。通过整流器件和磁电阻器件并联，我们实现了整流效应和磁电阻效应的耦合。

图3.为实施例二整流磁电阻器件在300K环境温度下，施加10μA幅值的交流电流，所观测到的整流电压随外磁场的变化。我们观测到了高达-13.3％的整流磁电阻。

图4.为实施例二、实施例三整流磁电阻器件在300K的环境温度下，固定交流电流的幅值为100μA，调节不同电流直流分量情况下的实验测量和理论模拟的磁电阻比值随着直流电流分量的变化图。在直流分量为30.71μA时，实现了高达-11300％的磁电阻比值。同时在直流分量为30.75μA时，磁电阻比值为13500％。一般来说磁电阻越大，则制成的磁传感器越灵敏，信噪比也越高。

根据建立的理论模型，并对图2和图4中的数据进行了仿真模拟，理论数据和实验数据能够很好的拟合，这对于利用本发明进行电路仿真和器件性能预测有深远的意义。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。以下所记载的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一、

一种利用分立器件构成的整流磁电阻器件，包括磁电阻器件、与所述磁电阻器件并联的整流器件。

所述磁电阻器件为巨磁电阻、各向异性磁电阻、庞磁阻，隧穿磁电阻或非磁性半导体中的奇异磁电阻。

所述整流器件为二极管。

所述二极管为肖特基二极管或PN结二极管。

实施例二、

一种如实施例一所述整流磁电阻器件的制备方法，包括：

1)选择磁电阻器件；

2)在所述磁电阻器件的两端并联整流器件，形成整流磁电阻器件。

所述整流器件为二极管；优选的所述二极管为肖特基二极管或PN结二极管。

按照上述制备方法得到的整流磁电阻器件，其磁电阻比值的调制方法如下：

同时在所述整流磁电阻器件的两端加载直流和交流电流，进而调控整流磁电阻器件的磁电阻比值至最大。

利用具体应用例1、2来说明本实施例。

应用例1、

一种如实施例一所述整流磁电阻器件的制备方法，包括：

a)用ZnCoO磁性半导体薄膜作为磁电阻器件，其制备方法为在室温下在玻璃基片上溅射厚度为0.5nm的Co层和厚度为0.5nm的ZnO层60个周期，然后将样品材料裁剪成4mm长2mm宽的矩形结构；本发明的技术效果并不受磁电阻器件的形状和材质的约束；

b)通过测量发现，该ZnCoO磁性半导体薄膜的具有-5％的负磁电阻，该负磁电阻起源于自旋相关的变程跃迁理论。由于其I-V曲线是线性，符合欧姆定律，不具有整流效应，故其整流电压为零，不存在整流磁电阻；

c)用商用的肖特基二极管作为整流器件，该肖特基二极管的序列号为IN5817；

d)用烙铁在ZnCoO薄膜两端焊接两个金属铟电极，引出两根导线，然后用导线同商业二极管两端并联。具体线路连接见图1；

e)通过测量该并联器件的IV曲线，我们发现该器件同时具有整流效应和磁电阻效应，具体结果见图2。并观测到了-13.3％的整流磁电阻效应；

f)通过同时加直流和交流电流到我们的整流磁电阻器件两端，实现了大于10000％的磁电阻比值；

g)本发明所制备的整流磁电阻器件，其I-V特性曲线和直流磁电阻用Keithley 2400作为电流源，Keithley 2182测量电压。整流磁电阻的测量是由Keithley6221输出交流电流，该交流电流的幅值、频率可调，同时用Keithley 2182检测整流电压变化。

应用例2、

一种分立器件实现整流磁电阻效应的制备方法，包括：

a)用本征锗片作为磁电阻材料，其厚度为500μm，电阻率为55.6-59.4Ω·cm，并将其裁剪成5×2mm²的矩形结构；

b)用GaInSn液态合金涂在本征锗片两端5分钟，使其形成良好的欧姆接触。然后用烙铁在本征锗片两端焊接两个金属铟电极，并引出两根导线；

c)通过测量发现，该本征锗半导体具有36％的正磁电阻，该正磁电阻起源于洛伦兹力散射。由于在其两端做了两个欧姆接触电极，故其I-V曲线是线性，不具有整流效应，整流电压为零，不存在整流磁电阻；

d)用商用的肖特基二极管作为整流器件，该肖特基二极管的序列号为IN4148；

e)用导线将本征锗半导体片和二极管IN4148并联在一起；

f)通过测量该并联器件的IV曲线，我们发现该器件同时具有整流效应和磁电阻效应。并观测到了105％的整流磁电阻效应；

g)通过同时加直流和交流电流到我们的整流磁电阻器件两端，我们实现了大于10000％的磁电阻比值；

h)本发明所制备的整流磁电阻器件，其I-V特性曲线和直流磁电阻用Keithley 2400作为电流源，Keithley 2182A测量电压。整流磁电阻的测量是由Keithley 6221输出交流电流，该交流电流的幅值、频率可调，同时用Keithley 2182A检测整流电压变化。

实施例三、

一种基于上述整流磁电阻器件建立数学理论模型的方法，包括步骤如下：

1)根据磁电阻器件的具体材料或结构写出磁电阻器件的电流-电压关系式，

I_M(t)＝f(V(t)) (1)

通常情况下磁电阻材料的iv曲线符合欧姆定律：I_M(t)＝G(H)·V(t)

2)利用肖克莱公式拟合整流器件的电输运性质：

I_D(t)＝I_s(e^αV(t)-1)， (2)

式2中,α与空间电荷区的分布相关；I_s代表了反向饱和电流的大小；I_D代表了通过二极管的电流；

3)所述磁电阻器件和整流器件并联后所形成整流磁电阻器件的电输运性质表述为

I(t)＝I_M(t)+I_D(t)＝I_s(e^αV(t)-1)+f(V(t))， (3)

式3中，V(t)代表了器件两端的电压，I_M代表了通过磁电阻的电流，I_D代表了通过二极管的电流,，I_s代表了反向饱和电流的大小，α与空间电荷区的分布相关，e为自然对数的底；

4)在所述整流磁电阻器件的两端加载交流电流，表示成为

I(t)＝I₁sin(2πft)+I₂.

(4)其中I₁，f和I₂分别代表交流电流的幅值，频率和直流分量；

5)通过联立公式(3)和公式(4)，解得电压随时间的变化关系V(t)，通过对V(t)求一个周期T内的平均值，得到整流电压

通过该定量的数学模型，本发明不仅可以仿真器件的直流输运性质，并且可以仿真器件的整流磁电阻效应以及整流磁电阻的电调控。根据分立器件的电输运性质以及并联电路的分流特性，我们得到整流磁电阻器件的电输运性质，从而能够很好的拟合所观测到的结果。

结合实施例二中的应用例1、实施例三具体说明本实施例的建立方法。

一种描述该整流磁电阻器件电输运性质的理论模型建立方法，包括：

a)ZnCoO磁性半导体薄膜的电输运性质符合欧姆定律，可以用公式

I_M(t)＝G(H)·V(t) (6)

很好的拟合。其中，G(H)代表磁场相关的电导。通过拟合我们可以获得

G(0T)＝0.3005×10^-3Ω^-1，G(6T)＝0.3156×10^-3Ω^-1；

b)商用二极管(IN5817)的电输运性质可以用肖克莱公式很好的拟合，

I_D(t)＝I_s(e^αV(t)-1)， (7)

其中,I_s＝1.0628×10^-6A；

c)ZnCoO薄膜和商用二极管是并联关系，故根据并联电路分流特性，整流磁电阻器件的电输运性质可以表述为

I(t)＝I_M(t)+I_D(t)＝I_s(e^αV(t)-1)+G(H)·V(t)。 (8)

其中，所有的参数均为分立器件参数；

d)实际应用过程中，所加交流电流可以表示成为

I(t)＝I₁sin(2πft)+I₂.

(9)其中I₁，f和I₂分别代表交流电流的幅值，频率和直流分量；

e)通过联立方程(3)和方程(4)，我们可以解得电压随时间的变化关系V(t)；

f)通过对V(t)求一个周期内的平均值，可以得到整流电压

通过该定量的数学模型，不仅可以仿真器件的直流输运性质(见图2)，并且可以仿真器件的整流磁电阻以及整流磁电阻效应(见图4)。