半导体磁阻效应
霍尔效应及磁阻效应讲义
通过霍尔效应测量磁场实验简介在磁场中的载流导体上出现横向电势差的现象是24岁的研究生霍尔（Edwin H. Hall）在1879年发现的，现在称之为霍尔效应。
随着半导体物理学的迅猛发展，霍尔系数和电导率的测量已经成为研究半导体材料的主要方法之一。
通过实验测量半导体材料的霍尔系数和电导率可以判断材料的导电类型、载流子浓度、载流子迁移率等主要参数。
若能测得霍尔系数和电导率随温度变化的关系，还可以求出半导体材料的杂质电离能和材料的禁带宽度。
在霍尔效应发现约100年后，德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing)等研究半导体在极低温度和强磁场中发现了量子霍尔效应，它不仅可作为一种新型电阻标准，还可以改进一些基本量的精确测定，是当代凝聚态物理学和磁学令人惊异的进展之一，克利青为此发现获得1985年诺贝尔物理学奖。
其后美籍华裔物理学家崔琦(D. C. Tsui)和施特默在更强磁场下研究量子霍尔效应时发现了分数量子霍尔效应。
它的发现使人们对宏观量子现象的认识更深入一步，他们为此发现获得了1998年诺贝尔物理学奖。
用霍尔效应之制备的各种传感器，已广泛应用于工业自动化技术、检测技术和信息处理各个方面。
本实验的目的是通过用霍尔元件测量磁场，判断霍尔元件载流子类型，计算载流子的浓度和迁移速度，以及了解霍尔效应测试中的各种副效应及消除方法。
实验原理通过霍尔效应测量磁场霍尔效应装置如图2.3.1-1和图2.3.1-2所示。
将一个半导体薄片放在垂直于它的磁场中(B 的方向沿z轴方向)，当沿y方向的电极A、A’上施加电流I时，薄片内定向移动的载流子(设平均速率为u)受到洛伦兹力F B的作用，= q u B (1)FB无论载流子是负电荷还是正电荷，F B 的方向均沿着x 方向，在磁力的作用下，载流子发生偏移，产生电荷积累，从而在薄片B 、B’两侧产生一个电位差V BB ’,形成一个电场E 。
电场使载流子又受到一个与F B 方向相反的电场力F E ，F E ＝q E = q V BB’ / b(2)其中b 为薄片宽度，F E 随着电荷累积而增大，当达到稳定状态时F E ＝F B ，即q uB = q V BB’ / b(3)这时在B 、B’两侧建立的电场称为霍尔电场，相应的电压称为霍尔电压，电极B 、B’称为霍尔电极。
半导体材料的几何磁阻效应的原理
半导体材料的几何磁阻效应的原理半导体材料的几何磁阻效应原理引言：半导体材料的几何磁阻效应是一种基于半导体材料特性的磁阻效应，它与材料的几何形状和磁场的方向有关。
本文将介绍半导体材料的几何磁阻效应的原理及其应用。
一、半导体材料的磁阻效应简介半导体材料的磁阻效应是指当外加磁场作用于半导体材料时，电阻发生变化的现象。
根据磁阻效应的原理不同，可分为几何磁阻效应、磁致阻效应等。
其中，几何磁阻效应是指在特定几何形状下，半导体材料的电阻会发生变化。
二、几何磁阻效应的原理几何磁阻效应的原理基于半导体材料的几何形状和磁场的方向。
当半导体材料处于磁场中时，磁场会对材料中的载流子运动轨迹产生影响，从而导致电阻发生变化。
1. Hall效应Hall效应是几何磁阻效应的重要表现形式之一，它是指当半导体材料中有电流流过时，垂直于电流方向的磁场会引起电势差的产生。
这个电势差称为Hall电势，可用于测量材料的电阻变化。
Hall电势的大小与材料的特性参数有关，如载流子浓度、电荷量等。
2. 几何形状对电阻的影响半导体材料的几何形状对电阻的大小和分布具有直接影响。
例如，当半导体材料为长条形状时，电流流过材料时会在横向产生电势差，从而影响电阻的大小。
而当材料为薄片形状时，电流流过材料时电势差分布均匀，电阻相对较小。
三、几何磁阻效应的应用几何磁阻效应在半导体材料的应用中具有重要的意义。
1. 磁场传感器基于几何磁阻效应的磁场传感器是一种常见的应用。
通过测量半导体材料中的Hall电势变化，可以确定外加磁场的大小和方向。
这种传感器广泛应用于磁场测量、位置检测等领域。
2. 磁存储器几何磁阻效应也可以应用于磁存储器中。
通过在半导体材料中引入磁性材料，可以利用磁阻效应来实现磁存储器的读写操作。
这种磁存储器具有较高的读写速度和存储密度。
3. 磁控元件几何磁阻效应还可以用于磁控元件的设计。
通过外加磁场对半导体材料的电阻进行调控，可以实现磁场对元件的控制。
磁电阻效应实验报告
一、实验目的1. 理解磁电阻效应的基本原理和现象。
2. 掌握磁电阻效应实验的基本操作和数据处理方法。
3. 分析磁电阻效应在不同材料中的表现，了解其应用前景。
二、实验原理磁电阻效应是指当金属或半导体材料受到磁场作用时，其电阻值发生变化的现象。
根据磁电阻效应的原理，本实验主要分为以下三个部分：1. 磁阻效应：当磁场垂直于电流方向时，电阻值随磁场强度的增加而增加。
2. 巨磁电阻效应（GMR）：在多层膜结构中，由于电子的隧穿效应，当相邻两层膜的磁化方向相反时，电阻值显著降低。
3. 隧道磁电阻效应（TMR）：在隧道结中，当电子隧穿穿过绝缘层时，电阻值随磁场强度的变化而变化。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：磁电阻效应实验仪、磁场发生器、电流表、电压表、信号发生器、示波器、计算机等。
2. 实验材料：磁阻材料、多层膜材料、隧道结材料等。
四、实验步骤1. 磁阻效应实验：（1）将磁阻材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析磁阻效应。
2. 巨磁电阻效应（GMR）实验：（1）将多层膜材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析巨磁电阻效应。
3. 隧道磁电阻效应（TMR）实验：（1）将隧道结材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析隧道磁电阻效应。
五、实验数据与结果1. 磁阻效应实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 1500.3 2000.4 2500.5 3002. 巨磁电阻效应（GMR）实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 500.3 200.4 100.5 53. 隧道磁电阻效应（TMR）实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 500.3 200.4 100.5 5六、实验分析与讨论1. 磁阻效应实验结果表明，随着磁场强度的增加，磁阻材料的电阻值逐渐增加。
半导体磁阻效应数据处理示例
Excel软件处理半导体磁阻效应实验数据
一、数据计算过程（附上I M=100mA前面的数据用于检查即可）
二、磁化曲线、磁阻曲线、拟合曲线
图1 磁化曲线图2 磁阻曲线
三、分析和总结
先对实验结果的数据和图形进行分析，再进行总结。
这部分可以手写，也可以直接输入计算机打印。
严禁抄袭他人对实验结果的分析和总结过程。
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半导体的磁效应之一：霍尔效应
两种载流子同时存在时的霍尔系数
• 在磁场作用下电子与空穴的横向运动方向是 相同的，它们引起的横向电流的大小
jt jntg njptg p(njnpjp)B (ne n 2pe 2 p)B0E
• 积累在两侧的电荷产生的霍耳电场引起的电
• 平衡时的横向电场称为霍耳电场，两侧的电势 差称为霍尔电势。
半导体的磁效应之一：霍尔效应
霍尔效应的定量分析
• 1、霍耳系数
• 当霍耳电场引起的力与磁场引起的力最后达到 平衡时，我们有
EvB1(n ev)B1jBR jB
n e
n e
• 由此我们得到一个十分重要的公式。即霍耳电 势与流过样品的电流大小及磁场强度成正比， 比例系数称为霍耳系数，对电子R=-1/ne，对空 穴为R=1/pe。
Rn
hn
1
ne• ,Rp
hp
1 pe
相应的霍耳角、霍耳电势等也要进行修改。
半导体的磁效应之一：霍尔效应
霍尔迁移率
• 对简单能带结构的半导体材料，Rn与Rp 不必修正。
• 由半导体的能带结构可以算出霍耳迁移
率与一般迁移率的比值，它们为
对声学波散射h
3
8
,对电离杂质散射
h
1.9
3,对简并半导体h
半导体的磁效应之一：霍尔效应
2、霍尔角
• 在无磁场时，载流子的漂移运动方向与电流方向相同 或相反，但两者没有夹角(0或180）。
• 磁场引起附加电场，使得载流子的运动方向与外场的 方向有一个夹角，此夹角称为霍耳角。
• 霍耳角的正切应等于霍耳电场与外场的比值， 即tgEh RjBRB，若霍尔电场较小，
磁阻效应实验讲义
磁阻效应一基础知识介绍1857年，英国物理学家威廉•汤姆逊（William Thomson）发现了磁阻效应（Magnetoresistance effect）。
磁阻效应是指半导体在外加磁场作用下电阻率增大的现象。
当半导体受到与电流方向垂直的磁场作用时，由于半导体中载流子的速度有一定的分布，某些速度的载流子，霍尔电场的作用与洛伦兹力的作用刚好抵消，这些载流子的运动方向不偏转，而大于或小于此速度的载流子，运动方向发生偏转，导致沿电流方向的速度分量减小，电流变弱，从而电阻率增加。
本实验研究锑化铟片的电阻与磁感应强度变化的关系。
二实验仪器锑化铟片、电磁铁（具体参数见仪器）、稳压电源（5 V）、恒流源、滑线式电桥、检流计、滑动变阻器、电阻箱（0～100000 Ω）、万用表、双刀开关、单刀开关以及导线若干。
锑化铟样品示意图：（a ） 锑化铟片， B 为外加磁场的磁感应强度，I S 为通过锑化铟片的工作电流（b ） 锑化铟片管脚图三 实验内容：1）利用给定的实验仪器进行设计和实验。
2）画出测量框图。
3）线圈的励磁电流在0 ~ 0.800 A 之间，测量20组以上磁阻数据。
4）在坐标纸上标出B R R ~)0(/∆关系的实验数据点，根据实验数据点图，分析)0(/R R ∆与 B 的关系。
其中)0(R 是不加磁场时的电阻， R ∆是加磁场后的电阻与不加磁场时电阻的差值，B 以特斯拉（T ）为单位。
5）当工作电流方向为1，3方向时，测量2，4方向的电阻。
线圈的励磁电流在0 ~ 0.800 A 之间，在坐标纸上标出 B R R ~)0(/∆关系图。
四．注意事项：锑化铟片的工作电流小于3.00 mA ，线圈励磁电流小于1.000 A 。
半导体磁阻效应
[ 实验装置 ]
MR-1磁阻效应仪结构及其连线
[ 实验内容与步骤 ]
1．测量励磁电流IM与B的关系
（1）按图2进行连线，调节砷化镓（GaAs）霍尔传感器位置 使其在电磁铁气隙最外（受残磁影响最小），预热5分钟 后调零毫特仪，使其显示0.0mT。 （2）调节GaAs传感器位置，使传感器印板上0刻度对准电磁 铁上中间基准线。 （3）开关K1向上接通，断开K2。调励磁电流为0，100， 200，…，1000mA。记录励磁电流与电磁感应强度。
磁阻效应（Magnetoresistance Effects）
是1857年由英国物理学家威廉· 汤姆森发现的，它 在金属里可以忽略，在半导体中则可能由小到中 等。磁阻器件由于灵敏度高、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 领域得到广泛应用，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。2007年 诺贝尔物理学奖授予来自法国国家科学研究中心 的物理学家阿尔伯特· 福特和来自德国尤利希研究 中心的物理学家彼得· 格林德，以表彰他们发现巨 磁电阻效应的贡献。
R
如果霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚 好抵消，那么小于或等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，使该方向的 电阻增大，表现横向磁阻效应。如偏转，使电阻变得更大， 因而磁阻效应加强。因此，霍尔效应比较明显的样品，磁 阻效应就小；霍尔效应比较小的，磁阻效应就大。
在实际测量中，常用磁阻器件的磁电阻相对改变量
R / R 来研究磁阻效应，由于
R / R /
R R( B) R(0)
R R( B) R(0) R R(0)
其中， R( B) 是磁场为B时的磁电阻
半导体材料的磁阻效应_概述及解释说明
半导体材料的磁阻效应概述及解释说明1. 引言1.1 概述半导体材料的磁阻效应是指在外部磁场作用下，材料内部电导率发生变化的现象。
这一现象被广泛应用于磁存储器、传感器和逻辑门等领域。
随着科技的快速发展，对于半导体材料的磁阻效应进行深入研究已成为一个重要课题。
1.2 文章结构本文主要分为五个部分来讨论半导体材料的磁阻效应。
首先，我们将介绍磁阻效应的基本概念，包括其定义、比例性质和分类等。
接着，我们会详细探讨半导体材料中的磁阻效应，包括半导体材料简介、自旋运动以及与磁场调控相关的磁隧穿效应。
然后，我们将解释并说明半导体材料的磁阻效应机制，包括自旋霍尔效应解释、瞬态反常霍尔效应解释以及自旋位移电流解释和提高方法探讨。
最后，在结论与展望部分，我们将总结归纳本文所讨论的半导体材料的磁阻效应特点和机制解释方法，并提出未来发展方向和可能的应用领域。
1.3 目的本文旨在系统地介绍半导体材料的磁阻效应及其机制，以加深对该现象的理解。
通过本文的阐述，读者将能够了解磁阻效应的基本概念、半导体材料中存在的自旋运动和磁场调控等因素，并进一步探索其背后的物理原理。
同时，我们希望通过这篇文章能够激发更多关于半导体材料磁阻效应方面实验与理论深入研究以及寻找新的应用领域的兴趣。
2. 磁阻效应的基本概念2.1 磁阻效应定义磁阻效应是指在电流通过一个材料时，由于磁场的存在，产生能够改变材料电阻大小的现象。
简单来说，当磁场作用于材料时，材料的电阻会发生变化，这种变化即为磁阻效应。
2.2 磁阻比例性质磁阻效应通常包括正常磁阻和反常磁阻两种情况。
在正常磁阻中，随着施加的外部磁场强度增大，材料电阻也会增大；而在反常磁阻中，则是随着外部磁场强度增大，材料电阻会减小。
不同材料和结构可以表现出不同种类的磁阻比例性质。
2.3 磁阻效应分类根据具体表现形式以及机制解释方式的不同，可以将磁阻效应分为多种类型。
其中一些主要类型包括：a. 霍尔效应：霍尔效应是指在垂直于电流方向和外部磁场方向之间存在差异时产生的电压差。
半导体磁效应课件
磁阻效应实验
总结词
磁阻效应是指磁场对导体电阻的影响，当电 流通过有磁场的导体时，磁场会对载流子产 生洛伦兹力，导致电阻发生变化。
详细描述
磁阻效应实验可以帮助我们了解磁场对半导 体电阻的影响，以及磁场对载流子运动行为 的控制。通过该实验，可以观察到磁阻效应 与磁场、电流之间的关系，进一步揭示半导
体的磁学性质。
半导体磁效应的重要性
基础研究
揭示半导体中电子的运动规律和相互 作用机制，促进物理学科的发展。
应用价值
在磁存储、磁传感器、磁电子学等领 域具有广泛的应用前景，为现代信息 技术的发展提供重要支撑。
半导体磁效应的历史与发展
早期研究
当前研究热点
20世纪初，科学家开始研究磁场对金 属导电性的影响，发现了霍尔效应等 重要现象。
垂直磁记录技术（PMR）
利用半导体的垂直磁化方向，提高磁存储器的存储密度和稳定性。
磁电子学
磁电子晶体管
利用半导体的磁电子效应，实现电子 的磁控传输和开关，具有低功耗、高 速响应等优点。
磁电子整流器
利用半导体的磁电子效应，实现电流 的整流和开关，常用于电源管理、电 机控制等。
磁光电子学
磁光调制器
利用半导体的磁光效应，实现光束的调 制和开关，常用于光通信、光信号处理 等领域。
详细描述
常磁阻效应是指磁场对导体电阻的影响，由于磁场的作用，电子受到洛伦兹力， 改变了电子的运动轨迹，从而改变了电阻值。巨磁阻效应是指磁性材料的电阻随 磁场的变化而发生大幅度变化的效应，这种效应在磁性材料中非常显著。
磁致伸缩效应
总结词
磁致伸缩效应是指铁磁性材料在磁场中发生长度或体积变化 的现象。 Nhomakorabea详细描述
磁阻效应的概念
磁阻效应的概念磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。
同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。
在达到稳态时，某—速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。
这种偏转导致载流子的漂移路径增加。
或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。
这种现象称为磁阻效应。
1.2 磁阻效应的分类1.2.1 常磁阻对所有非磁性金属而言，由于在磁场中受到洛伦兹力的影响，传导电子在行进中会偏折，使得路径变成沿曲线前进，如此将使电子行进路径长度增加，使电子碰撞机率增大，进而增加材料的电阻。
磁阻效应最初于1856年由威廉·汤姆森，即后来的开尔文爵士发现，但是在一般材料中，电阻的变化通常小于5%，这样的效应后来被称为“常磁阻”。
1.2.2 巨磁阻所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。
巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。
这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。
当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。
当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。
1.2.3 超巨磁阻超巨磁阻效应（也称庞磁阻效应）存在于具有钙钛矿(Perovskite)ABO3的陶瓷氧化物中。
其磁阻变化随着外加磁场变化而有数个数量级的变化。
其产生的机制与巨磁阻效应(GMR)不同，而且往往大上许多，所以被称为“超巨磁阻”。
如同巨磁阻效应(GMR)，超巨磁阻材料亦被认为可应用于高容量磁性储存装置的读写头。
不过，由于其相变温度较低，不像巨磁阻材料可在室温下展现其特性，因此离实际应用尚需一些努力。
1.2.4 异向磁阻有些材料中磁阻的变化，与磁场和电流间夹角有关，称为异向性磁阻效应。
半导体物理知识点梳理
半导体物理考点归纳一· 1.金刚石 1) 结构特点：a. 由同类原子组成的复式晶格。
其复式晶格是由两个面心立方的子晶格彼此沿其空间对角线位移1/4的长度形成b. 属面心晶系，具立方对称性，共价键结合四面体。
c. 配位数为4，较低，较稳定。
(配位数：最近邻原子数)d. 一个晶体学晶胞内有4+8*1/8+6*1/2=8个原子。
2) 代表性半导体：族的C ，，等元素半导体大多属于这种结构。
2.闪锌矿 1) 结构特点：a. 共价性占优势，立方对称性；b. 晶胞结构类似于金刚石结构，但为双原子复式晶格；c. 属共价键晶体，但有不同的离子性。
2) 代表性半导体：等三五族元素化合物均属于此种结构。
3.电子共有化运动：原子结合为晶体时，轨道交叠。
外层轨道交叠程度较大，电子可从一个原子运动到另一原子中，因而电子可在整个晶体中运动，称为电子的共有化运动。
4.布洛赫波：kxi k k e x u x πϕ2)()(=晶体中电子运动的基本方程为： ，K 为波矢，(x)为一个与晶格同周期的周期性函数， 5.布里渊区：禁带出现在2a 处，即在布里渊区边界上；允带出现在以下几个区： 第一布里渊区:－1/2a<k<1/2a (简约布里渊区）第二布里渊区：-1<k<-1/2a,1/2a<k<1E(k)也是k 的周期函数，周期为1,即E(k)(),能带愈宽，共有化运动就更强烈。
6.施主杂质：V 族杂质在硅，锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们 为施主杂质或n 型杂质 7.施主能级：将施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级，记为。
施主能级离导带很近。
8.受主杂质：族杂质在硅，锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，称它们为受主杂质或P 型杂质。
9.受主能级：把被受主杂质所束缚的空穴的能量状态称为受主能级，记)()(na x u x u k k +=为。
磁阻效应
所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁 阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。 当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时， 与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。
磁阻效应
某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象
01 含义
03 分类 05 应用
目录
02 工作原理 04 发展经历 06 实验原理
磁阻效应(Magnetoresistance Effects)的定义:是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的 现象。金属或半导体的载流子在磁场中运动时,由于受到电磁场的变化产生的洛伦兹力作用,产生了磁阻效应。
对所有非磁性金属而言，由于在磁场中受到洛伦兹力的影响，传导电子在行进中会偏折，使得路径变成沿曲 线前进，如此将使电子行进路径长度增加，使电子碰撞机率增大，进而增加材料的电阻。磁阻效应最初于1856年 由威廉·汤姆森，即后来的开尔文爵士发现，但是在一般材料中，电阻的变化通常小于5%，这样的效应后来被称 为“常磁阻”(ordinarymagnetoresistance,OMR)。
应用
磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存 储(磁卡、硬盘)等领域。
磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应 用，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。
其中最典型的锑化铟（InSb）传感器是一种价格低廉、灵敏度高的磁阻器件磁电阻，有着十分重要的应用价 值。
半导体物理第12章半导体在磁场中的效应
r RH = pq
σ p = pq µ
12.2 磁阻效应
一、什么是磁阻效应
磁阻效应：
当在与电流垂直的方向加一磁场后，半导体沿外加电场 或电阻有所增大。 方向的电流密度有所降低， 方向的电流密度有所降低，或电阻有所增大。
物理磁阻效应 ），还 磁阻效应不但与所加的磁场有关（ 磁阻效应不但与所加的磁场有关（物理磁阻效应 物理磁阻效应），还 几何磁阻效应 ）。 与材料的几何形状有关（ 与材料的几何形状有关（几何磁阻效应 几何磁阻效应）。
v > v0
y
y
+ + + . Bz
x
+ + +
- v < v0 - v0 v > v0
Jx
x
- - -
- - T + ∆T
： p型材料 型材料： 温度梯度沿y的负方向，
霍耳电场与温度梯度方向相反。 霍耳电场与温度梯度方向相同。
+ + +
P型 材 料
+ + +
T + ∆T
n型 材 料
： n型材料 型材料：
f ( Ex )
x
二、物理磁阻效应
②半导体中载流子的速度分布 以电子为例：
y
v1 = vx 0 fdian = fluo
电子不偏转
向左 偏转 ； 电子向左 向左偏转 偏转； v2 > vx 0 fluo > fdian 电子 向右 偏转 ； 电子向右 向右偏转 偏转； v3 < vx 0 fluo < fdian 电子
： 无磁场作用时： �无磁场作用时
Jn
Jp
J0
半导体磁阻效应实验的数据处理
表 1：磁感应强度和磁电阻大小的对应关系表 磁电阻电流 I = 1.00 mA
lnB
InSb 两端电压 UR/mv
InSb 电阻 R/
△R/R(0)
ln△R/R(0)
366.3
366.3
0
-4.61
367.9
367.9
0.0044
-5.4
-3.91
372.6
372.6
0.016
-4.1
-3.51
378.8
科|学|技|术
半导体磁阻效应实验的数据处理
唐春红 吴庆春 崔云康 汪连城
（南京工程学院数理部 江苏·南京 211100）
摘 要 在磁阻效应实验中，相对磁阻变化曲线的非线性部分与线性部分的拐点是人为判断的，具有较大的不确定
性。本文采用 Excel 最小二乘法拟合曲线确定拐点，对线性部分及曲线改成直线后的非线性部分运用 Origin8.0 软件
分别进行线性拟合，确定两者的斜率及截距，具有简洁、快速及直观等优点，使学生从繁琐的数据计算中解脱出来，为
课程教学方法和手段的改革探索了新的思路。
关键词 线性拟合 Excel Origin8.0 软件 数据处理
中图分类号：O4-34
文献标识码：A
0 引言 一定条件下，导电材料的电阻值 R 随磁感应强度 B 的变 化而变化的规律称为磁阻效应。因磁阻器件具有灵敏度高、 抗干扰能力强的优点使其在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、 探矿等领域应用十分广泛，其中最典型的锑化铟传感器是一 种价格低廉、灵敏度高的磁电阻，可用于制造在磁场微小变化 时测量多种物理量的传感器，有着十分重要的应用价值。磁 阻效应也是普通物理实验课中的重要内容之一。本实验利用 砷化镓霍耳传感器测量磁化强度，研究锑化铟传感器在不同 的磁感应强度下的电阻大小。数据处理是该实验的重要组成 部分和关键环节，也是评价实验结果的一个重要指标。该实 验采用的数据处理方法的图解法处理虽然简单、直观，但它是 一种粗略的数据处理方法。在图纸上用目测的方法拟合直线， 具有一定的主观任意性，容易造成人为误差，且确定斜率及截 距的计算繁琐。更为科学的方法是最小二乘法曲线拟合，借 助 Excel 强大的数值计算和高质量的绘图功能，既克服了最小 二乘法计算量大的缺点，又较准确地标记出实验数据点和绘 制出拟合曲线。但实验教程中设计的是对 B- R/R (0) 关系曲 线的非线性区域利用对数函数的特点将曲线改为直线，再进 行拟合直线的教学目的没有达到。本文将进一步完善，利用 Excel 找出实验数据拐点，及用 Origin8.0 软件分别进行线性 拟合实验数据，具有简洁、快速与直观等特点，使学生从繁琐 的数据计算中解脱出来，且避免了人为因素所造成的误差。 1 实验原理 实验采用 FD-MR-II 型磁阻效应实验仪，通常以电阻率的 相对改变量来表示磁电阻的大小，即用△ / (0) 表示。其中 (0)为零磁场时的电阻率，设磁电阻在磁感应强度为 B 的磁场
第9章_半导体的磁和压阻效应、热电性质
塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应
a b
B
I ab
dQab dt
J ab
dHab dt
珀尔贴系数(V)
§9.4 热电性质
热电效应
塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应
T
Q
J
dx T+dT
dH dt
aT J x
dT dx
汤姆逊系数(V/K)
§9.4 热电性质
热电效应
塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应之间的
1 RH q
p
2 p
nn2
pp nn
2
H
1 p nb2
q p nb2
RH
1 q
1 p
n
§9.1 霍尔效应
两种载流子的霍尔效应
纯净半导体、n型半导体、p型半导体 (b>1) 纯净半导体
n = p，RH<0
p型半导体
当温度在杂质导电范围内，p>nb2，RH>0 当温度升高到本征区后，p nb2， RH 0
n型半导体
nb2>p，RH<0
§9.1 霍尔效应
霍尔效应的应用
测定半导体参数
半导体的极性 霍尔系数 载流子浓度 霍尔迁移率
霍尔器件
磁场测试，感应 其他测试
§9.2 磁阻效应
在电流垂直方向上加上磁场， 半导体电阻将增大——磁阻 效应
物理磁阻效应 几何磁阻效应 应用
§9.2 磁阻效应
物理磁阻效应
p NV
§9.4 热电性质
半导体的热电效应
温差电动势
两种材料
两种不同掺杂的n型半导体温差电动势：
ab
b
a
k0 q
用origin7.5软件处理半导体磁阻效应的实验数据
用Origin7.5软件处理半导体磁阻效应的实验数据47用O r i gi n7.5软件处理半导体磁阻效应的实验数据*许积文，杨玲，任明放（桂林电子科技大学信息材料科学与工程系，广西桂林541004）摘要：使用O r i gi n7.5软件对半导体磁阻效应的实验数据进行计算、绘图和拟合，并与传统的手工方法进行比较和分析。
结果表明，使用O r i gi n7.5软件计算数据快速、准确；所绘图形的散点定位精确，散点连线受人为因素影响小；所拟合的直线、曲线与手工拟合结果非常的吻合，并能准确绘制出拟合直线（曲线），使拟合结果更为形象、直观。
关键词：磁阻效应；O ri gi n7.5软件；计算机绘图；数据拟合中图分类号：O4-34文献标识码：A 文章编号：1003-7551(2008)03-0047-031引言磁阻效应虽然在1857年由英国物理学家威廉·汤姆森发现，但在磁介质存储上的应用却是在20世纪80年代。
目前对磁阻的研究已成为磁学领域的热点，而且2007年诺贝尔物理学奖授予了法国、德国的两位物理学家阿尔伯特·福特与彼得·格林德，以表彰他们发现巨磁阻效应[1]。
因此，在基础物理实验中引入磁阻效应实验不仅为传统实验注入了新的血液，而且可以激发学生的学习兴趣。
在半导体磁阻效应实验中，不仅要求测量大量的实验数据，而且要用作图法描绘出磁阻曲线，并用最小二乘法对磁阻曲线进行分段拟合[2]。
如果采用坐标纸作图、计算器手工计算数据等传统方式，导致图形粗糙，个人主观性比较强，人工计算费时费力，曲线拟合效果差。
因此如何正确、有效、方便的描绘实验曲线以及求解经验公式就成为实验的难点，学生的难题。
本文采用O r i gi n7.5软件处理半导体磁阻效应的实验数据，并与传统方法的处理结果进行分析和比较。
2实验部分磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象[3]。
同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。
半导体器件的磁性特性
半导体器件的磁性特性半导体器件作为电子设备中的重要组成部分，广泛应用于通信、计算机、汽车电子等领域。
除了电性特性外，半导体器件的磁性特性也备受关注。
本文将就半导体器件的磁性特性展开讨论，分析其原理和应用。
一、半导体材料的磁性一般来说，半导体材料是不具有磁性的，因为它们的原子结构中没有未成对的电子自旋。
然而，一些特殊情况下，半导体材料却呈现出了磁性特性。
1. 随机合金随机合金是由不同原子组成的固溶体，如铁锌铱合金。
这类合金中的原子在晶体结构中是无序的，存在着未成对的电子自旋。
因此，随机合金具有一定的磁性。
2. 锌酸铁锌酸铁（ZnFe2O4）是一种特殊的磁性半导体材料。
它的晶体结构中存在着铁离子和氧离子，铁离子之间通过氧离子的介质形成磁性。
锌酸铁既具有半导体的电性特性，又具有磁性，因此在信息存储、传感器等领域有广泛应用。
二、磁敏半导体器件磁敏半导体器件是指能够通过磁场改变其电性特性的半导体器件。
由于其磁导率的变化，可以实现磁场测量和控制功能。
1. 磁电阻效应磁电阻效应是指材料在磁场作用下的电阻发生变化的现象。
其中，最著名的就是巨磁阻效应（Giant Magnetoresistance，GMR）。
GMR在1998年由弗尔科夫和格伊辛格发现，并因此获得了诺贝尔物理学奖。
GMR的原理是，在特定的材料和结构中，通过调控自旋方向和巨磁阻效应层之间的耦合强度，实现磁场敏感性的调节。
2. 磁阻效应的应用磁敏半导体器件的一个重要应用是磁传感器。
磁传感器常用于测量电子设备中的磁场，如手机中的指南针、磁力计等。
此外，磁敏半导体器件还可以用于磁存储器件、磁隧道结、磁电存储器器件等领域。
三、磁敏半导体器件的发展趋势随着科技的进步和应用需求的不断增长，磁敏半导体器件也在不断发展。
以下是磁敏半导体器件发展的几个趋势：1. 高灵敏度随着信息技术的发展，对磁场传感器灵敏度的要求越来越高。
未来磁敏半导体器件将进一步提高其灵敏度，以满足更为精确的应用需求。
半导体器件的磁阻效应应用考核试卷
D.光电效应
5.以下哪些条件可以增大磁阻效应？( )
A.增加磁场强度
B.降低温度
C.减少载流子浓度
D.增加半导体材料的纯度
6.磁敏二极管的特点包括：( )
A.对磁场敏感
B.电阻随磁场变化
C.可以用作开关
D.只能在高温下工作
7.巨磁阻效应（GMR）通常出现在哪些材料结构中？( )
A.单一磁性材料
半导体器件的磁阻效应应用考核试卷
考生姓名：__________答题日期：______年__月__日得分：_________判卷人：_________
一、单项选择题（本题共20小题，每小题1分，共20分，在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）
1.磁阻效应是由于半导体的载流子受到磁场的作用而产生的现象，以下哪种载流子受到的磁阻效应最为明显？( )
A.磁场的方向
B.材料的微观结构
C.温度
D.电流的强度
15.磁阻传感器在汽车工业中的应用包括：( )
A.速度传感
B.方向控制
C.制动系统
D.燃油喷射
16.以下哪些材料可用于制作磁阻传感器？( )
A.硅
B.锗
C.磁性材料
D.高分子材料
17.磁阻效应的研究对于以下哪些领域具有重要意义？( )
A.新型存储技术
11. B
12. B
13. C
14. A
15. C
16. C
17. A
18. B
19. A
20. C
二、多选题
1. ACD
2. ABC
3. ABCD
4. ABC
5. ABC
6. AB
7. BC
第八章半导体的磁效应-朱俊
Jp
Jn
εy
Jp
– – –
+
+
(a)
(b)
Bz0时，沿x方向的总电流应是两电 流的矢量之和
J Jn J p J0
电阻升高
此种磁阻效应表示为：
2 2 2 R H 0 0 B z 0
npb(1 b) 2 2 (nb p)
2
为横向磁阻系数
RHo为弱磁场时的霍尔系数
ffjjq??bpypxzjpqvb???又xpxv????y方向ppq???2pbpyxzjpqb????pypyjpq????2pbpjjjjjjpqpqpqpqbb?p??????????????y方向pyyypyxz?2y方向上的电子电流密度jny2nbnnyynyxznyjjjnqbnq?????????稳定时横向电流为00ypynyjjj???2n2p0npyxznqpqnqpqb???????????22p22nyxzpnp??n??bpn??????xpxnxpnxjjjpqnq?????????2p2n21yxzxzpnp?n?jbjbqpn????????2p2n1p?n?rr???????2hpnqpn???令
时，RH达到负的最大值
● 本征区
RH
(+) (－) (－) (+)
1/T
(3) N 型半导体
● 饱和区
n N D p
nb p
2
1 RH 0 qN D
● 温度再升高，少子浓度升高
p nb
2
( p nb )
2
RH
无论温度多高，RH 始终小于0，并且随T 升高， 始终下降。
B//，磁阻变化小，不产生VH
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[ 实验目的 ]
➢ 了解用霍尔效应法测量磁感应强度 ➢ 研究锑化铟的电阻随磁感应强度变化的关系 ➢ 掌握用最小二乘法归纳经验公式
[ 实验仪器 ]
• MR-1磁阻效应实验装置 • SXG-1B毫特斯拉仪 • VAA-1电压测量双路恒流电源 • CA1640-02信号发生器 • 数字存储示波器等。
[ 实验原理 ]
Ba
++++++++
v
--------
b
UR
I
图1 磁阻效应原理
如果霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚 好抵消，那么小于或等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，使该方向的 电阻增大，表现横向磁阻效应。如果将a、b端短接，霍尔 电场将不存在，所有电子将向b端偏转，使电阻变得更大， 因而磁阻效应加强。因此，霍尔效应比较明显的样品，磁 阻效应就小；霍尔效应比较小的，磁阻效应就大。
许多金属、合金及金属化合物材料处于磁场中时，传导电子受
到强烈磁散射作用，使材料的电阻显著增大，称这种现象为磁 阻效应。通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻，即
MR B 0
0
式中，和分别为有磁场和无磁场时的电阻率。
材料电阻的变化，可以是材料电学性质的改变
引起的，称为物理磁阻效应。如图1所示的长 方形n型半导体薄片，并施加直流恒定电流， 当放置于图示方向的磁场B中，半导体内的载 d 流子将受到洛仑兹力的作用而发生偏转，在a、 b端产生电荷积聚，因而产生霍尔电场。
自拟实验数据记录表格。
R R(0)
[ 数据处理 ]
1．根据步骤(1)的测量数据填入表1 ，作出IM与B的磁化曲线。 2．用U和I计算在IM下的磁电阻。
3．作出 R与B的关系曲线，将曲线分为线性与非线性两部分。
R(0)
在B<0.12T的非线性段，设
, x B 2 。y 在 ห้องสมุดไป่ตู้B(>R00) .12T的线性段，
设
， x B。那么y 两段R 数据都可以用线性函数
R(0)
来表示，y用最a小x二乘b 法拟合数据得出经验公式和相关系数。
表1 实验数据记录表
次数
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
电磁铁 IM / mA
0 10 30 50 70 90 100 150 200 300 450 550 650 750 900
[ 实验装置 ]
MR-1磁阻效应仪结构及其连线
[ 实验内容与步骤 ]
1．测量励磁电流IM与B的关系
（1）按图2进行连线，调节砷化镓（GaAs）霍尔传感器位置 使其在电磁铁气隙最外（受残磁影响最小），预热5分钟后 调零毫特仪，使其显示0.0mT。
（2）调节GaAs传感器位置，使传感器印板上0刻度对准电磁 铁上中间基准线。
半导体磁阻效应
2010年6月
磁阻效应（Magnetoresistance Effects）
是1857年由英国物理学家威廉·汤姆森发现的，它 在金属里可以忽略，在半导体中则可能由小到中 等。磁阻器件由于灵敏度高、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 领域得到广泛应用，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。2007年 诺贝尔物理学奖授予来自法国国家科学研究中心 的物理学家阿尔伯特·福特和来自德国尤利希研究 中心的物理学家彼得·格林德，以表彰他们发现巨 磁电阻效应的贡献。
InSb UR / mV
△R/ R(0) ~ B对应关系
B / mT
R/
△R/ R(0)
[ 思考题 ]
1．什么是磁阻效应，与霍尔效应有何不同之处？ 2．当励磁电流IM=0时，B≠0，请分析产生的原因，
其大小跟什么有关？ 3．进一步了解巨磁阻、庞磁阻、穿隧磁阻、直冲磁
阻和异常磁阻。
[ 注意事项 ]
（3）开关K1向上接通，断开K2。调励磁电流为0，100， 200，…，1000mA。记录励磁电流与电磁感应强度。
2．测量磁感应强度和磁阻大小的关系
（1）调节锑化铟（InSb）样品位置于电磁铁水平方向的中 央位置。开关Ｋ2向上闭合，测量磁电阻元件输入电流端的 电压U和输入流I。以及测量每个IM对应的B。
（2）IM的调节范围为0~950mA，其中0~100mA区间内每 改变10mA测量一个点；在100~250mA区间内每15mA测量 一个点；在250~950mA区间内每50mA测量一个点。
（3）在整个实验过程中，通过调节VAA-1的恒流输出I（即 调节恒流输出旋钮使）使U保持在800mV左右，并将InSb的 2、4脚短接，使其处于恒压短路状态。
在实际测量中，常用磁阻器件的磁电阻相对改变量
R / R 来研究磁阻效应，由于
R / R /
R R(B) R(0)
R R(B) R(0)
R
R(0)
其中， R(B) 是磁场为B时的磁电阻
R(0) 是零磁场时的磁电阻
理论和实验都证明，在弱磁场中时ΔR/R正比于磁感应强度B 的平方，而在强磁场中时与B呈线性关系。
1．毫特仪与实验装置要对号使用，不得混淆。 2．绝对不可将励磁大电流接入实验样品。 3．实验装置附近不宜放置铁磁物品。 4. 插座必须对准凹槽才能插入。