實驗十半導體磁阻效應

1、實驗十 半導體磁阻效應材料的電阻會因為外加磁場而增加或減少，則稱電阻的變化稱為磁阻（MR）。磁阻效應是1857年由英國物理學家威廉·湯姆森發(fā)現(xiàn)的，它在金屬里可以忽略，在半導體中則可能由小到中等。從一般磁阻開始，磁阻發(fā)展經(jīng)歷了巨磁阻（GMR）、龐磁阻（CMR）、穿隧磁阻（TMR）、直沖磁阻（BMR）和異常磁阻（EMR）。磁阻器件由于靈敏度高、抗干擾能力強等優(yōu)點在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領域得到廣泛應用，如數(shù)字式羅盤、交通車輛檢測、導航系統(tǒng)、偽鈔檢別、位置測量等。2007年諾貝爾物理學獎授予來自法國國家科學研究中心的物理學家阿爾伯特·福特和來自德國尤利希研究中心的

2、物理學家彼得·格林德，以表彰他們發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應的貢獻?！緦嶒災康摹?了解用霍爾效應法測量磁感應強度；2研究銻化銦的電阻隨磁感應強度變化的關系；3掌握用最小二乘法歸納經(jīng)驗公式；4了解磁阻元件的交流倍頻特性?！緦嶒瀮x器】MR-1磁阻效應實驗裝置、SXG-1B毫特斯拉儀、VAA-1電壓測量雙路恒流電源、數(shù)字存儲示波器、CA1640-02信號發(fā)生器等?！緦嶒炘怼?. 磁阻效應許多金屬、合金及金屬化合物材料處于磁場中時，傳導電子受到強烈磁散射作用，使材料的電阻顯著增大，稱這種現(xiàn)象為磁阻效應。通常以電阻率的相對改變量來表示磁阻，即 （）式中，和分別為有磁場和無磁場時的電阻率。磁場與外電場垂直

3、時所產(chǎn)生的磁阻稱為橫向磁阻，磁場平行于外電場時所產(chǎn)生的磁阻稱為縱向磁阻。由于橫向磁阻效應比縱向磁阻效應更明顯，本實驗僅討論前者。圖磁阻效應原理材料電阻的變化，可以是材料電學性質(zhì)的改變引起的，或是材料幾何尺寸引起的。因此，可以分為兩類。（1）物理磁阻效應：如圖所示的長方形n型半導體薄片，并施加直流恒定電流，當放置于圖示方向的磁場B中，半導體內(nèi)的載流子將受到洛侖茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在a、b端產(chǎn)生電荷積聚，因而產(chǎn)生霍爾電場。如果霍爾電場作用和某一速度的載流子的洛侖茲力作用剛好抵消，那么小于或等于該速度的載流子將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而沿外加電場方向運動的載流子數(shù)目將減少，使該方向的電阻增大，表現(xiàn)橫向磁阻效應

4、。如果將a、b端短接，霍爾電場將不存在，所有電子將向b端偏轉(zhuǎn)，使電阻變得更大，因而磁阻效應加強。因此，霍爾效應比較明顯的樣品，磁阻效應就?。换魻栃容^小的，磁阻效應就大。（2）幾何磁阻效應：磁阻效應也與樣品的形狀有關，不同幾何形狀的樣品，在同樣大小的磁場作用下，其電阻變化不同，此現(xiàn)象稱為幾何磁阻效應。在實際測量中，常用磁阻器件的磁電阻相對改變量來研究磁阻效應，由于，則 （）其中，是磁場為B時的磁電阻，為零磁場時的磁電阻。理論和實驗都證明，在弱磁場中時R/R正比于磁感應強度B的平方，而在強磁場中時與B呈線性關系。2. 倍頻特性圖 倍頻特性的李薩如圖形如果半導體磁阻傳感器處于角頻率為的弱正弦波交

5、流磁場中，由于磁阻相對變化量R/R(0)正比于B2，則磁阻傳感器的電阻值將隨角頻率2作周期性變化，即在弱正弦波交流磁場中，磁阻傳感器具有交流電倍頻性能。若外界交流磁場的磁感應強度B為： （）式中，B0為磁感應強度的振幅，為角頻率，t為時間。設在弱磁場中有： （）式中，K為常量。由（）式和（）式可得 （）式中，為電阻值常量，而為以角頻率2作余弦變化的電阻值。因此，磁阻傳感器的電阻值在弱正弦波交流磁場中，將產(chǎn)生倍頻交流電阻阻值變化?！緦嶒炑b置】實驗裝置和接線如圖所示。圖 MR-1磁阻效應儀結(jié)構(gòu)及其連線邊線【實驗內(nèi)容與步驟】1測量勵磁電流IM與B的關系（1）按圖進行連線，調(diào)節(jié)砷化鎵（GaAs）霍爾傳

6、感器位置使其在電磁鐵氣隙最外（受殘磁影響最?。A熱5分鐘后調(diào)零毫特儀，使其顯示。（2）調(diào)節(jié)GaAs傳感器位置，使傳感器印板上0刻度對準電磁鐵上中間基準線。（3）開關K1向上接通，斷開K2。調(diào)勵磁電流為0，100，200，1000mA。記錄勵磁電流與電磁感應強度。2測量磁感應強度和磁阻大小的關系（1）調(diào)節(jié)銻化銦（InSb）樣品位置于電磁鐵水平方向的中央位置。開關2向上閉合，測量磁電阻元件輸入電流端的電壓U和輸入流I。以及測量每個IM對應的B。（2）IM的調(diào)節(jié)范圍為0950mA，其中0100mA區(qū)間內(nèi)每改變10mA測量一個點；在100250mA區(qū)間內(nèi)每15mA測量一個點；在250950mA區(qū)間內(nèi)

7、每50mA測量一個點。（3）在整個實驗過程中，通過調(diào)節(jié)VAA-1的恒流輸出I（即調(diào)節(jié)恒流輸出旋鈕使）使U保持在800mV左右，并將InSb的2、4腳短接，使其處于恒壓短路狀態(tài)。3觀察磁阻材料的交流正弦倍頻特性（選做）將電磁鐵的線圈引線與正弦交流低頻發(fā)生器輸出端相接，銻化銦磁阻傳感器通以直流電，用示波器觀察磁阻傳感器兩端電壓與電磁鐵兩端電壓形成的李薩如圖形。自擬實驗數(shù)據(jù)記錄表格?！緮?shù)據(jù)處理】1根據(jù)步驟（1）的測量數(shù)據(jù)，作出IM與B的磁化曲線。2用U和I計算在IM下的磁電阻。3作出與B的關系曲線，將曲線分為線性與非線性兩部分。在B的非線性段，設，；在B的線性段，設，。那么兩段數(shù)據(jù)都可以用線性函數(shù)來表示，用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)得出經(jīng)驗公式和相關系數(shù)?！舅伎碱}】1什么是磁阻效應，與霍爾效應有何不同之處？2當勵磁電流IM=0時，B0，請分析產(chǎn)生的原因，