對磁電阻特性研究實驗中測量裝置的改進樣本

對Insb磁電阻特性研究實驗中測量裝置改進摘要：簡述磁電阻特性研究實驗原理，并改進了原有實驗測量裝置，采用外接恒壓輸入源和電壓表、電流表方式，簡化實驗數(shù)據(jù)采集過程中繁雜調(diào)動開關(guān)及控制恒流輸入環(huán)節(jié)，科學(xué)優(yōu)化實驗內(nèi)容。核心詞：磁電阻；Insb傳感器；測量裝置改進前言：在通有電流金屬或半導(dǎo)體上施加磁場時，其電阻值將會發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象稱為磁致電阻效應(yīng)，簡稱磁電阻效應(yīng)（MagnetoResistance，MR）。應(yīng)用磁電阻效應(yīng)構(gòu)成傳感器件廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域，在經(jīng)濟生活中發(fā)揮著巨大作用。磁電阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)最早始于英國科學(xué)家湯姆生（Thomson，1856-1940）。在隨后一百近年里，特別是在過去20近年中，隨著金屬多層膜和顆粒膜巨磁電阻（GiantMagnetoResistance，GMR）及稀土氧化物特大磁電阻（ColossalMagnetoResistance，CMR）發(fā)現(xiàn)，以研究、運用和控制自旋極化電子輸運過程為核心磁電子學(xué)得到了很大發(fā)展，同步，運用巨磁電阻材料構(gòu)成磁電子學(xué)器件，在信息存儲領(lǐng)域中獲得很大成功。例如，在計算機工業(yè)方面，GMR效應(yīng)可以用來制造出磁頭，這種讀出磁頭具備高敏捷度、低噪音和低磨損特點。運用這種GMR效應(yīng)做成磁頭，可提高硬盤存儲容量（10GB-100GB/）。1994年，IBM公司運用GMR材料制成硬盤讀出磁頭原形，將硬盤系統(tǒng)記錄密度提高了7倍，達10GB/。GMR效應(yīng)在計算機工業(yè)還可被用來制備磁電阻型隨機存儲器（MagnetoResistanceRandom-AccessMemory），簡稱MRAM。這種隨機存儲器與當(dāng)前慣用半導(dǎo)體存儲器相比明顯長處是無揮發(fā)，即在斷電狀況下仍能保存信息。Honeywell公司已經(jīng)證明可以通過慣用刻蝕技術(shù)制備這種無揮發(fā)磁電阻隨機型存儲器，而在速度和密度上接近當(dāng)前半導(dǎo)體隨機存儲器。由于巨磁電阻效應(yīng)巨大應(yīng)用前景和內(nèi)在豐富多彩物理現(xiàn)象，已經(jīng)成為新研究熱點，使得人們對于磁電阻效應(yīng)物理來源有了更深結(jié)識，也增進了磁電阻效應(yīng)進一步應(yīng)用。磁電阻特性研究原理磁電阻(MagnetoResistance，MR)普通定義為（8-1-1）其中：(0)是零外場下電阻率，(H)是外場下電阻率。有時，上式也可以表達為（8-1-2）其中：R(0)是零外場下電阻，R(H)是外場下電阻。依照（8-1-1）和（8-1-2）式，可以將磁電阻劃分兩類，即正磁電阻和負磁電阻。如果考慮磁場與電場之間關(guān)系，又可以分為縱向磁電阻、橫向磁電阻和垂直磁電阻。如圖8-1-1所示，圖中電阻沿電流方向測量。圖8-1-1依賴與磁場和電流方向三種磁電阻(a)縱向磁電阻：(b)橫向磁電阻：(c)垂直磁電阻。當(dāng)前，已被研究磁性材料磁電阻效應(yīng)大體涉及：由磁場直接引起磁性材料正常磁電阻（OrdinaryMagnetoResistance，OMR）、與技術(shù)磁化相聯(lián)系各向異性磁電阻（AnisotropicMagnetoResistance，AMR）、摻雜稀土氧化物中特大磁電阻（ColossalMagnetoResistance，CMR）、磁性多層膜和顆粒膜中特有巨磁電阻（GiantMagnetoResistance，GMR）、以及隧道磁電阻（TunnelMagnetoResistance，TMR）等。圖8-1-2列出了幾種磁電阻阻值R隨外磁場μ0H變化形式。在以上磁電阻效應(yīng)中，正常磁電阻應(yīng)用最為普遍。圖8-1-2幾種典型磁電阻效應(yīng)圖8-1-3正常磁電阻普遍存在于所有磁性與非磁性材料中，其來源于外磁場對載流子洛侖茲力，它導(dǎo)致載流子運動發(fā)生偏轉(zhuǎn)或產(chǎn)生螺旋運動，從而使載流子碰撞幾率增長，導(dǎo)致電阻升高，因而，在正常磁電阻中，、和均為正，并且有。正常磁電阻與外場關(guān)系如圖8-1-3所示。在特定溫度，隨外場增長，在低場區(qū)域，正常磁電阻近似地與外場成平方關(guān)系。對于單晶樣品，在較高磁場區(qū)域，顯示了飽和趨勢(曲線Ｂ)，而和顯示出各向異性，即隨外場增長或正比于(曲線A)或趨于飽和(曲線B)。對于多晶樣品，在強場中，正常磁電阻則顯示出與外場H線性關(guān)系(曲線C)。正常磁電阻各項異性來源于費米面褶皺。如果設(shè)載流子速度為，在洛侖茲力作用下，沿外場方向作螺線運動，螺線軸與方向平行，則載流子環(huán)繞該軸角速度即回旋頻率ωc為：(8-1-3)式中是載流子有效質(zhì)量，μ是磁導(dǎo)率。由于散射和碰撞，載流子繞軸回轉(zhuǎn)平均角度為：(8-1-4)其中：是電導(dǎo)率，為，n是載流子密度(cm-3),為馳豫時間，即載流子通過兩次碰撞平均時間。很明顯，只有當(dāng)，才干觀測到正常磁電阻。應(yīng)注意到只是正常磁電阻浮現(xiàn)判據(jù)，并不保證滿足該條件下都能觀測到正常磁電阻。以Cu為例，室溫下(237K)，n=，，依照(8-1-4)式，可得。要滿足，需要不不大于1200KOe[1Oe=1000/4A／m]磁場，這在當(dāng)前是難以達到，因而在室溫下觀測不到磁電阻。為了在室溫和較低磁場條件下，觀測到正常磁電阻，普通采用半導(dǎo)體材料。實驗中咱們要研究InSb傳感器就屬于此種。圖8-1-4圖8-1-5如圖8-1-4所示，薄片狀、長方形半導(dǎo)體材料置于磁感應(yīng)強度為B磁場（磁場方向垂直于材料表面）中，電流沿CD方向。在該狀況下，半導(dǎo)體內(nèi)載流子將受洛侖茲力作用，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在AB兩端產(chǎn)生積聚電荷，形成霍爾電場。如果霍爾電場作用和某一速度載流子洛侖茲力作用剛好抵消，那么不大于或不不大于該速度載流子將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因而沿外加電場方向（CD方向）運動載流子數(shù)目將減少，導(dǎo)致電阻增大，體現(xiàn)出橫向磁電阻效應(yīng)，這種效應(yīng)也稱物理磁電阻效應(yīng)。如A、B端短接，磁電阻效應(yīng)將更明顯。實驗表白，當(dāng)外磁場強度不大時，⊿R正比于B2，而在強磁場中，⊿R正比于B。注：實驗測量裝置改進并不涉及對實驗原理調(diào)節(jié)，因而，本次改進實驗實驗原理與原實驗并無差別。改進過程中使用到器材及改進后測量原理在第二某些會有涉及。實驗中使用及更換器材圖8-1-6MR-1型磁電阻效應(yīng)測量裝置MR-1型磁電阻效應(yīng)測量裝置（上海大學(xué)），如圖8-1-6所示，JWY-30G型直流穩(wěn)壓電源，VAA-1電壓測量雙路恒流電源，電流表，電壓表?！皠畲藕懔鬏敵觥笨刂拼艌龃笮?，“恒流輸出”控制GaAs霍爾元件和InSb磁電阻元件工作電流?？刂浦绷鞣€(wěn)壓電源，使其保持800mV恒壓輸出，同步保持恒流電流輸入為2mA,然后依照電壓表、電流表直接讀出實驗數(shù)據(jù)。磁感應(yīng)強度B由下式給出（8-1-5）其中k為常數(shù)，不同霍爾元件k不同。k值標(biāo)注于儀器上。三、實驗測量過程及數(shù)據(jù)解決測定磁感應(yīng)強度和磁電阻大小相應(yīng)關(guān)系，繪制關(guān)系曲線。勵磁電流在0到600mA之間，每隔30mA測一點。測量時，要先測InSb磁電阻元件電壓（U2）和工作電流（I2），并且，對于每個勵磁電流，都應(yīng)保持U2（800mV）基本恒定，以及GaAs霍爾元件與InSb磁電阻元件在磁極間位置基本相似。B=U1/kI1，k=171mV/(mA*T)R=U2/I2，△R=R(B)-R(0)R（0）=293.89706Ω磁感應(yīng)強度和磁電阻大小相應(yīng)關(guān)系如表一：表一InSb磁電阻特性研究數(shù)據(jù)GaAsInSbB-△R/R(0）Im/mAU1/mVI1/mAU2/mVI2/mAB/TR/Ω△R/R(0)0-0.32.00800.02.720.00259293.897060304.42.00800.02.70.01717296.481480.008794609.52.00800.02.570.03175311.128400.0586319015.42.00800.02.420.04586330.330580.12396712021.42.00800.02.260.06082354.247790.20534615025.92.00800.02.090.07527383.014350.30322618030.22.00800.01.970.09011406.700510.3838221035.52.00800.01.870.10533428.663100.45854824039.82.00800.01.750.11963458.000000.55836927045.22.00800.01.710.13406467.836260.59183730051.22.00800.01.660.14957482.530120.64183433056.32.00800.01.610.16454496.521740.68944136061.62.00800.01.590.17875502.767300.71069239066.32.00800.01.550.19355515.741940.75483950086.42.00800.01.470.24784544.217690.851729600107.12.00800.01.380.29706579.927540.973234700122.72.00800.01.330.34604601.428571.046392800139.52.00800.01.260.39218636.190481.164671900157.52.00800.01.170.44235683.589741.32595由以上數(shù)據(jù)畫B-△R/R(0）曲線，如圖一：圖一B-△R/R(0）曲線研究InSb磁電阻在磁感應(yīng)強度和磁電阻變化關(guān)系曲線，分段（B<0.1T、B>0.14T）進行曲線擬合。<1>B<0.1T時，△R/R(0）是B二次函數(shù)，假設(shè)X=B2，f(x)=△R/R(0），則令f(x)=A+BX，由表一數(shù)據(jù)表二B^2與△R/R(0)關(guān)系（B<0.1T）B^2/T^2△R/R(0)0.0000100.000290.0087940.001010.0586310.002100.1239670.003700.2053460.005670.3032260.008120.38382由表二可得圖二圖二B?2--△R/R(0)曲線由圖二可以得知A=0.009，B=48.863，即△R/R(0)=48.863B?2+0.009。<2>B>0.14T時，△R/R(0）是B一次函數(shù)，假設(shè)X=B，f(x)=△R/R(0），則令Y=A+BX，由表一數(shù)據(jù)B^2/T^2△R/R(0)0.022370.6418340.027070.6894410.031950.7106920.037460.7548390.043550.7804460.061430.8517290.088240.9732340.119741.0463920.153811.1646710.195671.32595表三B^2與△R/R(0)關(guān)系（B>0.14T）由表三可以得出圖三由圖三可以得知A=0.316，B=2204，即△R/R(0)=2204B+0.316。實驗過程中注意事項1、關(guān)閉電源之前，必要先將勵磁電流降為零，以免導(dǎo)致儀器損壞。2、調(diào)節(jié)各旋鈕時，動作要輕，幅度要小，避免損壞精密電位器。對本實驗幾點思考及總結(jié)1、試舉例闡明磁電阻效應(yīng)應(yīng)用。巨磁阻效應(yīng)當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛，自從被發(fā)現(xiàn)以來就被用于開發(fā)研制用于硬磁盤體積小而敏捷數(shù)據(jù)讀出磁頭。這使得存儲單字節(jié)數(shù)據(jù)所需磁性材料尺寸大為減少，從而使得磁盤存儲能力得到大幅度提高。巨磁阻效應(yīng)同樣可應(yīng)用于測量位移、角度等傳感器中，可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機床、汽車導(dǎo)航、非接觸開關(guān)和旋轉(zhuǎn)編碼器中，與光電等傳感器相比，具備功耗小、可靠性高、體積小、能工作于惡劣工作條件等長處。2、如果磁場為交變形式，分析磁電阻元件電阻隨磁感應(yīng)強度變化狀況。磁場變?yōu)榻蛔冃问剑烹娮柙娮枰矔S著磁感應(yīng)強度變化而發(fā)生周期性變化。由于磁電阻有不同類型，變化也會有所不同。本次實驗中咱們采用外接恒壓輸出裝置辦法來簡化每次測量過程中調(diào)節(jié)開關(guān)及控制恒流輸出操作，并外接電壓表及電流表，使