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)材料的電阻會因?yàn)橥饧哟艌龆黾踊驕p少，則稱電阻的變化稱為磁阻（MR ）。磁阻效應(yīng)是1857年由英國物理學(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、導(dǎo)航系統(tǒng)、偽鈔檢別、位置測量等。2007年諾貝爾物理學(xué)獎授予來自法國國家科學(xué)研究中心的物理學(xué)家阿爾伯特福特和來自德國尤利希研究中心的物理學(xué)家

2、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?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中時，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改變量來表示磁阻，即MR(5.10.1)式中， 訂和 訂分別為有磁場和無磁場時的電阻率。磁場與外

3、電場垂直時所產(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(yīng)比縱向磁阻效應(yīng)更明顯，本實(shí)驗(yàn)僅討論前者。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 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)生圖5.10.1磁阻效應(yīng)原理電荷積聚，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(yùn)動的載

4、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(yīng)。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(yīng)加強(qiáng)。因此，霍爾效應(yīng)比較明顯的樣品，磁阻效應(yīng)就小；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)際測量中，常用磁阻器件的磁電阻相對改變量R/R來研究磁阻效應(yīng)，由于.：R/R=.：R =R(B) R(0)，貝y(5.10.2)：RR(B)-R(O)R R(0)其中，R(B)是磁場為B時的磁電阻，R(0)為零磁場時的磁電阻。理論和實(shí)

5、驗(yàn)都證明，在弱磁場中時 AR/R正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度 B的平方，而在強(qiáng)磁場中時與B呈線性關(guān)系。2.倍頻特性如果半導(dǎo)體磁阻傳感器處于角頻率為3的弱正弦波交流磁場中，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23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(yīng)強(qiáng)度B為：B = B0 cos t式中，B0為磁感應(yīng)強(qiáng)度的振幅, 時間。設(shè)在弱磁場中有：R/R(0) =KB(5.10.3)3為角頻率，t為(5.10.4)圖5.10.2倍頻特性的李薩如式中，K為常量。由(5.5.3)式和(5.5.4)式可得2R(B) =R(0)：R =R

6、(0) R(0) KB(5.10.5)2 2-R(0)R(0) KB0 cos t=R(0)丄 R(0)KB； - R(0)KBo cos2 t2 21 2 1 2式中，R(0)R(0)KB。為電阻值常量，而R(0)KB0 cos2 t為以角頻率23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?shí)驗(yàn)裝置】實(shí)驗(yàn)裝置和接線如圖 5.10.3所示。VAA-1電鯽眼路恒滴電海800.0QnR1:IJSIG-IB秦4+駅擔(dān)俚_ _ R *H00.0 逍 a 0 ©也MR -/上海上乂也子我鼻韋限會引 J圖5.10.3 MR-1磁阻效應(yīng)儀結(jié)構(gòu)及其

7、連線1娥：11 9:L:丨1 9【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】1 測量勵磁電流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（受殘磁影響最小），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刻度對準(zhǔn)電磁鐵上中間基準(zhǔn)線。（3） 開關(guān)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(yīng)強(qiáng)度。2 測量磁感應(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。開關(guān)K2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

8、每個Im對應(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測量一個點(diǎn)；在 100250mA區(qū)間內(nèi)每15mA測量一個點(diǎn)；在 250950mA區(qū)間內(nèi)每50mA測量一個點(diǎn)。（3） 在整個實(shí)驗(yàn)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?！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。U2. 用U和I計(jì)算在Im下的磁電阻R = 。3. 作出孟與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)x二B2, y R ；在B>0.12T的線性段，設(shè)x二B , y R。那么兩段數(shù)R（o）R（o）據(jù)都可以用線性函數(shù) y =ax b來表示，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)勵磁電流I