ГЛАВА 2
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛЁНОК
Гальваномагнитные преобразователи на основе ферромагнитных плёнок используются для измерения мощности СВЧ [23, 24, 27], фазы [87], а также квадрата напряжённости электрического поля [29] в одномодовых волноводах. Такие преобразователи позволяют производить операцию перемножения электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля с учётом сдвига фаз между ними.
Аналогичную операцию перемножения электрической и магнитной составляющих поля могут осуществлять преобразователи на основе эффекта Холла в полупроводниках. Однако, датчики Холла имеют ряд принципиальных недостатков, что ограничивает их применение. Так, в полупроводниковых преобразователях, кроме ЭДС Холла, имеются соизмеримые с полезным сигналом паразитные сигналы вследствие прямого выпрямления и дифференциальной термо-ЭДС, обусловленной неравномерностью разогрева полупроводника в неоднородном электрическом поле. В работах [61, 62] показано, что уровень термо-ЭДС составляет примерно 52% от полезного сигнала. Полупроводниковые преобразователи обладают также сравнительно большим собственным потреблением мощности.
Гальваномагнитные преобразователи на основе ферромагнитных плёнок лишены указанных недостатков, так как проводящие свойства материала плёнки близки к свойствам проводников. В связи с этим отсутствуют выпрямительные процессы, меньше термо-ЭДС и выше быстродействие. В данной главе будут рассмотрены основные физические свойства ферромагнитных плёнок, благодаря которым последние используют для измерения проходящей мощности.
2.1. Гальваномагнитные явления в тонких ферромагнитных плёнках
Под гальваномагнитными явлениями понимают совокупность эффектов, возникающих в проводниках и полупроводниках под действием магнитного поля , когда в них протекает электрический ток плотностью . Эти эффекты делятся на чётные и нечётные. К нечётным относится эффект Холла [35, 63], который заключается в возникновении электрического поля в направлении, перпендикулярном магнитному полю и электрическому току, протекающему по плёнке. Знак возникающего электрического поля изменяется при изменении направления магнитного поля или тока на противоположный. Эффект магнитосопротивления относится к четным эффектам. При изменении направления магнитного поля знак электрического поля не изменяется.
Величина холловского поля Ex в ферромагнетиках зависит не только от внешнего магнитного поля, но и от намагниченности материала [64]. Поэтому поле Холла в ферромагнетике можно записать в виде [64]:
, (2.1)
где R0 - классическая постоянная Холла,
- индукция внешнего магнитного поля,
- вектор плотности тока в плёнке,
R1 - ферромагнитная постоянная Холла,
- вектор намагниченности ферромагнетика.
Согласно [65] постоянная Холла для плёнок значительно больше, чем для объемных материалов. Если учесть, что , (где - магнитная восприимчивость материала), то выражение (2.1) для поля Холла можно представить в виде [65]:
, (2.2)
где - единичная матрица.
Для ферромагнетиков преобладающей является ферромагнитная составляющая Холла , которая называется аномальной составляющей. Поэтому при расчетах поля в ферромагнитных плёнках можно учитывать только ферромагнитную составляющую в поле Холла:
. (2.3)
Эффект магнитосопротивления [66] заключается в том, что если ферромагнитную плёнку поместить в постоянное магнитное поле и измерять сопротивление плёнки по направлению внешнего магнитного поля и перпендикулярно ему, то эти сопротивления будут различны. В работе [67] показано, что эффект магнитосопротивления зависит от намагниченности, а не от величины внешнего магнитного поля:
, (2.4)
где ,
R - сопротивление изотропной размагниченной плёнки;
с - некоторая постоянная материала.
При увеличении магнитного поля сопротивление в ферромагнетиках растет, приближаясь к некоторому предельному значению, а затем падает; сопротивление с ростом магнитного поля уменьшается.
Явление анизотропии сопротивления при взаимодействии плёнки с магнитным полем может быть описано тензором удельного сопротивления . Если изотропную проводящую магнитную плёнку с током, намагниченную до насыщения, поместить в магнитное поле, то в результате гальваномагнитных явлений в ней появляется электрическое поле, которое по закону Ома равно:
. (2.5)
Для удобства описания произвольно намагниченной плёнки вводят штриховую систему, ось которой совпадает с направлением намагниченности (см. рис. 2.1). Тогда тензор удельного сопротивления в нештриховой системе координат будет определяться как:
, (2.6)
где F - матрица, описывающая последовательное вращение штриховой системы координат вокруг осей OY и OZ, а FT - транспонированная матрица.
Для плёнки, расположенной в плоскости XOY (см. рис. 2.1) и намагниченной в произвольном направлении, тензор удельного сопротивления с учетом магнитосопротивления и эффекта Холла будет иметь вид [67]:
, (2.7)
где и - изменение удельного сопротивления плёнки в направлениях, соответственно параллельном и перпендикулярном намагниченности, а ?0 - удельное сопротивление размагниченной плёнки.
Если подвергнуть ферромагнитную плёнку еще и воздействию внешнего переменного магнитного поля, то вектор намагниченности будет двигаться вокруг положения равновесия, изменяя величину компонентов тензора удельного сопротивления. В работе [68] показано, что переменная часть тензора удельного сопротивления ферромагнитной плёнки изменяется пропорционально переменному магнитному полю, и её компоненты можно записать как [28]:
, i,p=1,2(x,y); l=?,?, (2.8)
где - компоненты тензора магниторезистивной восприимчивости, которые в явном виде представлены в [68], ?, ? - углы, определяющие равновесное положение вектора намагниченности.
2.2. Использование ферромагнитных плёнок для измерения проходящей мощности
Из показанных выше зависимостей следует, что гальваномагнитные п