半导体材料的磁电阻效应研究

半导体材料的磁电阻效应研究
磁阻器件由于其灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域应用十分广泛，如：数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等探测器。

磁阻器件品种较多，可分为正常磁电阻，各向异性磁电阻，特大磁电阻，巨磁电阻和隧道磁电阻等。

其中正常磁电阻的应用十分普遍。

锑化铟)InSb (传感器是一种价格低廉、灵敏度高的正常磁电阻，有着十分重要的应用价值。

它可用于制造在磁场微小变化时测量多种物理量的传感器。

本实验装置结构简单，实验内容丰富，使用两种材料的传感器：砷化镓 )GaAs (测量磁感应强度，研究锑化铟)InSb (在磁感应强度变化时的电阻，融合霍尔效应和磁阻效应两种物理现象，具有科学研究的前瞻性，特别适合大学物理实验。

【实验仪器】
磁阻效应实验仪
【实验目的】
1、了解磁阻现象与霍尔效应的关系与区别；
2、了解并掌握FB512型磁阻效应实验仪的工作原理与使用方法；
3、了解电磁铁励磁电流和磁感应强度的关系及气隙中磁场分布特性；
4、测定磁感应强度和磁阻元件电阻大小的对应关系，研究磁感应强度与磁阻变化的函数关系。

【实验原理】
在一定条件下，导电材料的电阻值R 随磁感应强度B 的变化规律称为磁阻效应。

在该情况下半导体内的载流子将受洛仑茨力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍尔电场。

如霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑茨力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转。

因而
沿外加电场方向运动的载流子数目将减少，电阻增
大，表现出横向磁阻效应。

如果将图1 中B ,A 端 图1 霍尔效应原理图 短接，霍尔电场将不存在，所有电子将向A 端偏转，也表现出磁阻效应。

通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻)0(/ρρ∆，为零磁场时的电阻率，()()0B ρ-ρ=ρ∆, 而
()()00R R ρ∆∝∆ , 其中()()0R B R R -=∆。

通过理论计算和实验都证明了磁场较弱时，一般磁阻器件的()0R R ∆正比于B 的两次方，而在强磁场中()0R R ∆则为B 的一次函数。

当半导体材料处于弱交流磁场中，因为()0R R ∆正比于B 的二次方，所以R 也随时
间周期变化。

()2
B k 0R R ∙=∆
假设电流恒定为0I ，令t cos B B 0ω=（其中k 为常量），于是有:
由（１）式可知磁阻上的分压为B 振荡频率两倍的交流电压和一直流电压的叠加。

FB512型磁阻效应实验仪由测试仪和实验仪二部分组成。

图2为FB512型磁阻效应实验仪实体图。

图2
图2磁阻效应实验仪 主要技术参数：
（1）励磁电流：mA 1000~0连续可调； （2）霍尔、磁阻传感器工作电流mA 5~0； （3）传感器水平位移范围mm 20±。

【实验内容】
1、测定励磁电流和磁感应强度的关系：
（1）测量励磁电流M I 与H U 的关系。

（测量电磁铁的磁化曲线）按图3接线图，把各相应连接线接好（七根导线），闭合电源开关。

mA 500I M =，)T mA /(mV 177K H ∙= （2）安装在一维移动尺上的印刷电路板（焊接传感器用），左侧的传感器为霍尔传感器 砷化镓 )GaAs (，右侧为锑化铟)InSb (磁阻传感器。

往左方向调节一维移动尺，使霍尔传感器在电磁铁气隙最外边，离气隙中心mm 20左右。

t 2cos B k )0(R 2
1B k )0(R 21)0(R (1) t cos B k )0(R )0(R )
0(R R )0(R )0(R R )0(R )B (R 202022
0ω∙∙∙+∙∙+
=ω∙∙∙+=∆∙+=∆+=t
2cos V ~
)0(V (2) t 2cos B k )0(R I 21B k )0(R 21)0(R I )B (R I )B (V 2
002000ω∙+=ω∙∙∙∙+⎥⎦
⎤⎢⎣⎡∙∙+=∙=
图3 测量电磁铁的磁化曲线连接图
（3）调节霍尔工作电流mA 00.5I H =,预热５分钟后，测量霍尔传感器的不等位电压
mV 8.1U 0≈ 。

然后再往右调节一维移动尺，使霍尔传感器位置处于电磁铁气隙中心位
置（即一维移动尺下面的“0”位指示线对准一维移动尺上面的“0”位再往左2mm 位置），实戏验仪面板上继电器控制按钮开关1K 和2K 均按下。

分别调节励磁电流为0、100、
200、300、400、…mA 1000。

记录对应数据并绘制电磁铁磁化曲线。

2、测量电磁铁气隙磁场沿水平方向的分布:
调节励磁电流mA 00.5I , mA 500I H M ==时，测量霍尔输出电压H U 与水平位置
X 的关系。

3、测量磁感应强度和磁阻变化的关系:
（1）调节磁阻传感器位置，使传感器位于电磁铁气隙中心位置，把励磁电流先调节为0，释放1K 、2K ，按下3K ，4K 打向上方。

在无磁场的情况下，调节磁阻工作电流2I ，使仪器数字式毫伏表显示电压mV 0.800U 2=，记录此时的2I 数值，此时按下1K 、2K ，记录霍尔输出电压H U ，改变K4方向再测一次H U 值，以次记录数据。

各开关回复原状；
（2）按上述步骤，逐步增加励磁电流，改变2I ，在基本保持mV 0.800U 2=不变的情况下，重复以上过程，把一组组数据分别记录到表格中。

表3中有关计算公式如下： 1
1
I K U B ⋅=
式中()T mA mV 177K ∙=
22I U R = , Ω=8.382)0(R , )0(R )B (R R -=∆ 【数据与结果】
1、测定励磁电流和磁感应强度的关系:
根据表格中数据作M I ~B 关系曲线。

2．测定电磁铁气隙沿水平方向的磁场分布:
根据表格中数据作X ~B 关系曲线
3、测量磁感应强度和磁阻变化的关系:
（1）根据表格中数据作)0(R /R B ∆-关系曲线；
（2）观察并分析曲线中描述变量间的函数关系，分段研究非线性与线性区域的函数关系，用最小二乘法求出变量间的相关系数及函数表达式； （3）写出你对实验结果的结论。

【注意事项】
如果在频繁转换1K 、2K 时,出现2U 数据不稳定造成读数困难,这是由于霍尔元件工作电流时通时断,其温度不稳定,而半导体器件一般对温度变化较敏感，从而造成电阻值不稳定,而工作电流是恒流源,所以其两端的电压)mV (U 2会随着变化(非磁场引起的变化),在这种情况下,可采取的办法如下:
(1)把磁阻效应（InSb ）与霍尔效应)GaAs (的测量分别进行。

先测出励磁电流从
mA 1000~0时对应的)mV (U 2、)mA (I 2数值，逐项记入表格3 ；
(2)然后逐渐减小励磁电流，从0~mA 1000，在减小励磁电流的过程中，用换向开关多次改变励磁电流方向，从而起到消除铁芯剩磁的作用；
(3)把励磁电流)mA (I M 、霍尔元件工作电流)mA (I 1调节到与磁阻效应测量时
)mA (I M 、)mA (I 2相同的值，从小到大，调节励磁电流，对应每一组数据，改变一次励磁
电流方向，分别测出对应的正、负方向的霍尔电压值)mV (U 1、)mV (U 1
'； (4)求得霍尔电压值的平均值)mV (2
U U )mV (U 1
11'+=，逐项记入表格3 ；其余步骤不变。