1.2. Спин
В большинстве веществ ориентация спина не влияет на электрический ток. Но в явлении гигантского магнетосопротивления этот спин играет ключевую роль. Спин электрона такая же важная характеристика, как и его заряд. Отличительной особенностью спина является его связь с магнитным полем.
В частности, магнетизм в ферромагнетиках оказывается, из-за того, что спины всех ионов, например, железа выстраиваются в одном направлении. Само по себе, наличие большого спина у ионов переходных металлов, целиком обязано одному знаменитому закону - первое правило Хунда, которое является чисто квантовым эффектом.
Магнитное поле внутри металла влияет на электроны, и по-разному влияет на спины на поле и против поля. Это немного сдвигает их энергии, и, соответственно, количество электронов вблизи энергии Ферми со спином вверх и вниз, получается разное. Электрический ток в ферромагнитном металле состоит из двух различных, но хорошо перемешанных потоков - поток электронов спина в зависимости от направления намагниченности и против него. Эти два типа электронов испытывают со стороны металла разное сопротивление – те, которые направлены против поля, двигаются более свободно, чем те, которые ориентированы наоборот. При воздействии внешних полей может измениться только направление намагниченности. Но в новых искусственных материалах, которые не существуют в природе - так называемые сверхрешетки, можно управлять не просто величиной намагниченности, а характером магнитной упорядоченности, и следовательно — электрическим сопротивлением. Сверхрешетка – это слоенный кристалл, состоящий из строго чередующихся слоев то одного, то другого материала, толщиной в несколько атомов. Если правильно подобрать материал для немагнитных слоев и его толщину, то магнитные слои приобретут «противоестественную» для ферромагнетика тенденцию чередовать ориентацию намагниченности.
В отличии от электронов и дырок биполярон характеризуется отсутствием спина и низкой скоростью перемещения.
1.3. Проводимость.
Когда основными носителями заряда являются свободные электроны, такой тип проводимости называют – электронной проводимостью. Когда происходит разрыв ковалентной связи, на месте вырвавшегося электрона, образуется вакантное место, которое может занять другой электрон. Это место называется дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд. Положение дырки в кристалле постоянно меняется.
В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела с различным типом электропроводности (р и n) создаются объемные заряды различных знаков. В области п возникает положительный объемный заряд. Он образован главным образом положительно заряженными атомами до-норной примеси и в небольшой степени пришедшими в эту область дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и отчасти пришедшими сюда электронами.
Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная разность потенциалов и электрическое поле.
В р-n-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей ( запирающий слой — двойной слой разноименных электрических зарядов, создающий электрическое поле на p-n-переходе, препятствующее свободному разделению зарядов ). Плотность объемных зарядов возрастает, увеличивается контактная разность потенциалов, т. е. высота потенциального барьера. При этом толщина р-n-перехода уменьшается.
Одновременно с диффузным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. При определенной температуре р-n-переход находится в состоянии динамического равновесия.
Если электрического поля нет, то движение дырок беспорядочное, и поэтому тока не возникает. Есть поле - возникает упорядоченность перемещения дырок, и кроме тока, который создается свободными электронами, появляется еще ток, который создается дырками. Дырки будут двигаться в противоположном движению электронов направлении.
В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями проходит взаимная диффузия электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями. Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя. При прямом направлении внешнего электрического поля ток проходит через границу (электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела и электроны заполняют дырки. Толщина и сопротивление запирающего слоя непрерывно уменьшаются. При обратном направлении ток проходить не будет, запирающий слой утолщается и сопротивление увеличивается.
Рис.3. Принципиальные схемы спин-вентильных структур: а) вентильный клапан типа «ток в плоскости», положение «открыто»; б) туннельный клапан типа «ток перпендикулярно плоскости», положение «закрыто». Стрелками показано направление намагниченности в слоях.