對(duì)磁電阻特性研究實(shí)驗(yàn)中測(cè)量裝置的改進(jìn)樣本

對(duì)Insb磁電阻特性研究實(shí)驗(yàn)中測(cè)量裝置改進(jìn)摘要：簡(jiǎn)述磁電阻特性研究實(shí)驗(yàn)原理，并改進(jìn)了原有實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置，采用外接恒壓輸入源和電壓表、電流表方式，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中繁雜調(diào)動(dòng)開關(guān)及控制恒流輸入環(huán)節(jié)，科學(xué)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。核心詞：磁電阻；Insb傳感器；測(cè)量裝置改進(jìn)前言：在通有電流金屬或半導(dǎo)體上施加磁場(chǎng)時(shí)，其電阻值將會(huì)發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象稱為磁致電阻效應(yīng)，簡(jiǎn)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(jì)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(guó)科學(xué)家湯姆生（Thomson，1856-1940）。在隨后一百近年里，特別是在過(guò)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(yùn)用和控制自旋極化電子輸運(yùn)過(guò)程為核心磁電子學(xué)得到了很大發(fā)展，同步，運(yùn)用巨磁電阻材料構(gòu)成磁電子學(xué)器件，在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域中獲得很大成功。例如，在計(jì)算機(jī)工業(yè)方面，GMR效應(yīng)可以用來(lái)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(diǎn)。運(yùn)用這種GMR效應(yīng)做成磁頭，可提高硬盤存儲(chǔ)容量（10GB-100GB/）。1994年，IBM公司運(yùn)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(dá)10GB/。GMR效應(yīng)在計(jì)算機(jī)工業(yè)還可被用來(lái)制備磁電阻型隨機(jī)存儲(chǔ)器（MagnetoResistanceRandom-AccessMemory），簡(jiǎn)稱MRAM。這種隨機(jī)存儲(chǔ)器與當(dāng)前慣用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器相比明顯長(zhǎng)處是無(wú)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(guò)慣用刻蝕技術(shù)制備這種無(wú)揮發(fā)磁電阻隨機(jī)型存儲(chǔ)器，而在速度和密度上接近當(dāng)前半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)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(diǎn)，使得人們對(duì)于磁電阻效應(yīng)物理來(lái)源有了更深結(jié)識(shí)，也增進(jìn)了磁電阻效應(yīng)進(jìn)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(chǎng)下電阻率，(H)是外場(chǎng)下電阻率。有時(shí)，上式也可以表達(dá)為（8-1-2）其中：R(0)是零外場(chǎng)下電阻，R(H)是外場(chǎng)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(fù)磁電阻。如果考慮磁場(chǎng)與電場(chǎng)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(cè)量。圖8-1-1依賴與磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(lái)源于外磁場(chǎng)對(duì)載流子洛侖茲力，它導(dǎo)致載流子運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)或產(chǎn)生螺旋運(yùn)動(dòng)，從而使載流子碰撞幾率增長(zhǎng)，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(chǎng)關(guān)系如圖8-1-3所示。在特定溫度，隨外場(chǎng)增長(zhǎng)，在低場(chǎng)區(qū)域，正常磁電阻近似地與外場(chǎng)成平方關(guān)系。對(duì)于單晶樣品，在較高磁場(chǎng)區(qū)域，顯示了飽和趨勢(shì)(曲線Ｂ)，而和顯示出各向異性，即隨外場(chǎng)增長(zhǎng)或正比于(曲線A)或趨于飽和(曲線B)。對(duì)于多晶樣品，在強(qiáng)場(chǎng)中，正常磁電阻則顯示出與外場(chǎng)H線性關(guān)系(曲線C)。正常磁電阻各項(xiàng)異性來(lái)源于費(fèi)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(chǎng)方向作螺線運(yùn)動(dòng)，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(shí)間，即載流子通過(guò)兩次碰撞平均時(shí)間。很明顯，只有當(dāng)，才干觀測(cè)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(cè)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(chǎng)，這在當(dāng)前是難以達(dá)到，因而在室溫下觀測(cè)不到磁電阻。為了在室溫和較低磁場(chǎng)條件下，觀測(cè)到正常磁電阻，普通采用半導(dǎo)體材料。實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)方形半導(dǎo)體材料置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B磁場(chǎng)（磁場(chǎng)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(chǎng)。如果霍爾電場(chǎng)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(chǎng)方向（CD方向）運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)表白，當(dāng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度不大時(shí)，⊿R正比于B2，而在強(qiáng)磁場(chǎng)中，⊿R正比于B。注：實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置改進(jìn)并不涉及對(duì)實(shí)驗(yàn)原理調(diào)節(jié)，因而，本次改進(jìn)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理與原實(shí)驗(yàn)并無(wú)差別。改進(jìn)過(guò)程中使用到器材及改進(jìn)后測(cè)量原理在第二某些會(huì)有涉及。實(shí)驗(yàn)中使用及更換器材圖8-1-6MR-1型磁電阻效應(yīng)測(cè)量裝置MR-1型磁電阻效應(yīng)測(cè)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(cè)量雙路恒流電源，電流表，電壓表?！皠?lì)磁恒流輸出”控制磁場(chǎng)大小，“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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程及數(shù)據(jù)解決測(cè)定磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁電阻大小相應(yīng)關(guān)系，繪制關(guān)系曲線。勵(lì)磁電流在0到600mA之間，每隔30mA測(cè)一點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，要先測(cè)InSb磁電阻元件電壓（U2）和工作電流（I2），并且，對(duì)于每個(gè)勵(lì)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(qiáng)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(qiáng)度和磁電阻變化關(guān)系曲線，分段（B<0.1T、B>0.14T）進(jìn)行曲線擬合。<1>B<0.1T時(shí)，△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(shí)，△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(shí)驗(yàn)過(guò)程中注意事項(xiàng)1、關(guān)閉電源之前，必要先將勵(lì)磁電流降為零，以免導(dǎo)致儀器損壞。2、調(diào)節(jié)各旋鈕時(shí)，動(dòng)作要輕，幅度要小，避免損壞精密電位器。對(duì)本實(shí)驗(yàn)幾點(diǎn)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(lái)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(chǔ)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(chǔ)能力得到大幅度提高。巨磁阻效應(yīng)同樣可應(yīng)用于測(cè)量位移、角度等傳感器中，可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)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(zhǎng)處。2、如果磁場(chǎng)為交變形式，分析磁電阻元件電阻隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化狀況。磁場(chǎng)變?yōu)榻蛔冃问?，磁電阻元件電阻也?huì)隨著磁感應(yīng)強(qiáng)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(huì)有所不同。本次實(shí)驗(yàn)中咱們采用外接恒壓輸出裝置辦法來(lái)簡(jiǎn)化每次測(cè)量過(guò)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