實(shí)驗(yàn)十 半導(dǎo)體磁阻效應(yīng)

1、實(shí)驗(yàn)十 半導(dǎo)體磁阻效應(yīng)材料的電阻會(huì)因?yàn)橥饧哟艌?chǎng)而增加或減少，則稱電阻的變化稱為磁阻（MR）。磁阻效應(yīng)是1857年由英國(guó)物理學(xué)家威廉·湯姆森發(fā)現(xiàn)的，它在金屬里可以忽略，在半導(dǎo)體中則可能由小到中等。從一般磁阻開(kāi)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如數(shù)字式羅盤、交通車輛檢測(cè)、導(dǎo)航系統(tǒng)、偽鈔檢別、位置測(cè)量等。2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予來(lái)自法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的物理學(xué)家阿爾伯特·福特和來(lái)自德國(guó)尤利希研究中心的

2、物理學(xué)家彼得·格林德，以表彰他們發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)的貢獻(xiàn)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?了解用霍爾效應(yīng)法測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度；2研究銻化銦的電阻隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的關(guān)系；3掌握用最小二乘法歸納經(jīng)驗(yàn)公式；4了解磁阻元件的交流倍頻特性?！緦?shí)驗(yàn)儀器】MR-1磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置、SXG-1B毫特斯拉儀、VAA-1電壓測(cè)量雙路恒流電源、數(shù)字存儲(chǔ)示波器、CA1640-02信號(hào)發(fā)生器等?！緦?shí)驗(yàn)原理】1. 磁阻效應(yīng)許多金屬、合金及金屬化合物材料處于磁場(chǎng)中時(shí)，傳導(dǎo)電子受到強(qiáng)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(yīng)。通常以電阻率的相對(duì)改變量來(lái)表示磁阻，即 （5.10.1）式中，和分別為有磁場(chǎng)和無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的電阻率。磁場(chǎng)

3、與外電場(chǎng)垂直時(shí)所產(chǎn)生的磁阻稱為橫向磁阻，磁場(chǎng)平行于外電場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的磁阻稱為縱向磁阻。由于橫向磁阻效應(yīng)比縱向磁阻效應(yīng)更明顯，本實(shí)驗(yàn)僅討論前者。圖5.10.1磁阻效應(yīng)原理材料電阻的變化，可以是材料電學(xué)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(yīng)：如圖5.10.1所示的長(zhǎng)方形n型半導(dǎo)體薄片，并施加直流恒定電流，當(dāng)放置于圖示方向的磁場(chǎng)B中，半導(dǎo)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(chǎng)。如果霍爾電場(chǎng)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(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目將減少，

4、使該方向的電阻增大，表現(xiàn)橫向磁阻效應(yīng)。如果將a、b端短接，霍爾電場(chǎng)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(yīng)加強(qiáng)。因此，霍爾效應(yīng)比較明顯的樣品，磁阻效應(yīng)就??；霍爾效應(yīng)比較小的，磁阻效應(yīng)就大。（2）幾何磁阻效應(yīng)：磁阻效應(yīng)也與樣品的形狀有關(guān)，不同幾何形狀的樣品，在同樣大小的磁場(chǎng)作用下，其電阻變化不同，此現(xiàn)象稱為幾何磁阻效應(yīng)。在實(shí)際測(cè)量中，常用磁阻器件的磁電阻相對(duì)改變量來(lái)研究磁阻效應(yīng)，由于，則 （5.10.2）其中，是磁場(chǎng)為B時(shí)的磁電阻，為零磁場(chǎng)時(shí)的磁電阻。理論和實(shí)驗(yàn)都證明，在弱磁場(chǎng)中時(shí)R/R正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的平方，而在強(qiáng)磁場(chǎng)中時(shí)與B呈線性關(guān)系。2. 倍頻特性圖5.10.2 倍頻

5、特性的李薩如圖形如果半導(dǎo)體磁阻傳感器處于角頻率為的弱正弦波交流磁場(chǎng)中，由于磁阻相對(duì)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(chǎng)中，磁阻傳感器具有交流電倍頻性能。若外界交流磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為： （5.10.3）式中，B0為磁感應(yīng)強(qiáng)度的振幅，為角頻率，t為時(shí)間。設(shè)在弱磁場(chǎng)中有： （5.10.4）式中，K為常量。由（5.5.3）式和（5.5.4）式可得 （5.10.5）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(chǎng)中，將產(chǎn)生倍頻交流電阻阻值變化。【實(shí)驗(yàn)裝置】實(shí)驗(yàn)裝置和接線如圖5.10.3所示。圖5

6、.10.3 MR-1磁阻效應(yīng)儀結(jié)構(gòu)及其連線邊線【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】1測(cè)量勵(lì)磁電流IM與B的關(guān)系（1）按圖5.10.3進(jìn)行連線，調(diào)節(jié)砷化鎵（GaAs）霍爾傳感器位置使其在電磁鐵氣隙最外（受殘磁影響最?。?，預(yù)熱5分鐘后調(diào)零毫特儀，使其顯示0.0mT。（2）調(diào)節(jié)GaAs傳感器位置，使傳感器印板上0刻度對(duì)準(zhǔn)電磁鐵上中間基準(zhǔn)線。（3）開(kāi)關(guān)K1向上接通，斷開(kāi)K2。調(diào)勵(lì)磁電流為0，100，200，1000mA。記錄勵(lì)磁電流與電磁感應(yīng)強(qiáng)度。2測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁阻大小的關(guān)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(kāi)關(guān)2向上閉合，測(cè)量磁電阻元件輸入電流端的電壓U和輸入流I。以及測(cè)量每個(gè)IM對(duì)

7、應(yīng)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(cè)量一個(gè)點(diǎn)；在100250mA區(qū)間內(nèi)每15mA測(cè)量一個(gè)點(diǎn)；在250950mA區(qū)間內(nèi)每50mA測(cè)量一個(gè)點(diǎn)。（3）在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)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2.5mA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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格。【數(shù)據(jù)處理】1根據(jù)步驟（1）的測(cè)量數(shù)據(jù)，作出IM與B的磁化曲線。2用U和I計(jì)算在IM下的磁電阻。3作出與B的關(guān)系曲線，將曲線分為線性與非線性兩部分。在B<0.12T的非線性段，設(shè)，；在B>0.12T的線性段，設(shè)，。那么兩段數(shù)據(jù)都可以用線性函數(shù)來(lái)表示，用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)得出經(jīng)驗(yàn)公式和相關(guān)系數(shù)?！舅伎碱}】1什么是磁阻效應(yīng)，與霍爾效應(yīng)有何不同之處？2當(dāng)勵(lì)磁電流IM=0時(shí)，B0，請(qǐng)分析產(chǎn)