於矽基板上製作具PN接面的新型態自旋電晶體研究

Study of new type spin transistors based on silicon pn junction

黃瀛文(Ying-Wen Huang)

指導教授 ： 黃金花

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/博士(2006年)

https://doi.org/10.6843/NTHU.2006.00037

摘要

本論文以研究於具PN接面的新型態自旋電晶體。此一型態自旋電晶體主要是在Si（100）上結合磁阻元件（巨磁阻或穿隧磁阻）與PN接面所製做而成的自旋閥電晶體或磁穿隧電晶體。自旋閥電晶體於室溫與具有射極偏壓和基極偏壓的共集電路量測中，射極電流於磁矩平行排列時為1mA，於磁矩反平行排列時為0.968mA。相同的狀況下，基極電流變化從29.3mA到333nA。其電流變化率為8600%，交換率（IB/IE）為3×10−2。於低溫（77K）與利用5.12V的射極偏壓與一基極電阻所構成的共集電路量測中，可得集極電流變化率為3400％。集極電流於磁矩排列為平行態時為95.5uA，電流轉換率為2.59E−3。於室溫量測時，集極電流輸出變為98.3uA，變化率降至55.3％，轉換率為5.98×E−3。以上的實驗可利用實驗值與電腦計算加以驗證。並且找出一適當的射極偏壓與基極電阻，可以得到最高的集極電流變化率。磁性穿隧電晶體於室溫量測與一具有射極偏壓與基極偏壓的共集電路量測中，可以得到基極電流從1.9nA變化到123nA，其變化率為6300%。於室溫與具有射極偏壓與基極電阻的共集電路量測中可發現，射極偏壓為1.25±025V時，集極電流變化率均大於40%。且於磁矩平行態排列時，輸出電流（集極電流）均大於4uA。除此之外，自旋閥電晶體於室溫且AC頻率從100 Hz到15 MHz阻抗亦被研究。將一自旋閥電晶體視為數個電阻、電容與電感的等效電路。其中阻抗包含的實部部分（R）與虛部部分（X）。於頻率分別為6.5Hz與3.65Hz時，MZ與MX分別趨近於零。實驗發現剛幫頻率小於這兩個值時，MZ與MX對磁場的表現將發生反相的結果。而這些結果將有助於自旋電晶體於高頻應用時的研究。

關鍵字

自旋電子 ； 磁電阻 ； 磁電流 ； 自旋電晶體

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並列關鍵字

spintronics ； magnetoresistance ； magnetocurrent ； spin transistor