实验十半导体磁阻效应(精)

实验十 半导体磁阻效应

材料的电阻会因为外加磁场而增加或减少，则称电阻的变化称为磁阻（MR ）。磁阻效应是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。从一般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR ）、庞磁阻（CMR ）、穿隧磁阻（TMR ）、直冲磁阻（BMR ）和异常磁阻（EMR ）。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。

【实验目的】

1．了解用霍尔效应法测量磁感应强度；

2．研究锑化铟的电阻随磁感应强度变化的关系；

3．掌握用最小二乘法归纳经验公式；

4．了解磁阻元件的交流倍频特性。

【实验仪器】

MR-1磁阻效应实验装置、SXG-1B 毫特斯拉仪、V AA-1电压测量双路恒流电源、数字存储示波器、CA1640-02信号发生器等。

【实验原理】

1. 磁阻效应

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

0MR ρρρρρ

-=∆=B （5.10.1） 式中，B ρ和0ρ分别为有磁场和无磁场时的电阻率。

磁场与外电场垂直时所产生的磁阻称为横向磁阻，磁场平行于外电场时所产生的磁阻称为纵向磁阻。由于横向磁阻效应比纵向磁阻效应更明显，本实验仅讨论前者。

材料电阻的变化，可以是材料电学性质的改变引起的，或是材料几何尺寸引起的。因此，可以分为两类。

（1）物理磁阻效应：如图5.10.1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。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

图5.10.1磁阻效应原理

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。

（2）几何磁阻效应：磁阻效应也与样品的形状有关，不同几何形状的样品，在同样大小的磁场作用下，其电阻变化不同，此现象称为几何磁阻效应。

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ρρ//∆∝∆R R ，)0()(R B R R -=∆，则

)

0()0()(R R B R R R -=∆ （5.10.2） 其中，)(B R 是磁场为B 时的磁电阻，)0(R 为零磁场时的磁电阻。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。

2. 倍频特性

如果半导体磁阻传感器处于角频率为ω的弱正弦

波交流磁场中，由于磁阻相对变化量ΔR/R(0)正比于B 2，

则磁阻传感器的电阻值将随角频率2ω作周期性变化，

即在弱正弦波交流磁场中，磁阻传感器具有交流电倍频

性能。若外界交流磁场的磁感应强度B 为：

t B B ωcos 0= （5.10.3）

式中，B 0为磁感应强度的振幅，ω为角频率，t 为

时间。设在弱磁场中有： 2

)0(/KB R R =∆ （5.10.4）

式中，K 为常量。由（5.5.3）式和（5.5.4）式可得 t KB R KB R R t KB R R KB R R R R B R ωω2cos )0(2

1)0(21)0( cos )0()0( )0()0()0()(20202202

++

=⨯+=⨯+=∆+= （5.10.5） 式中，20)0(21)0(KB R R +为电阻值常量，而t KB R ω2cos )0(2120为以角频率2ω作余弦变化的电阻值。因此，磁阻传感器的电阻值在弱正弦波交流磁场中，将产生倍频交流电阻阻值变化。

【实验装置】

实验装置和接线如图5.10.3所示。

图5.10.2 倍频特性的李萨如

电磁铁分压

磁阻分压

【实验内容与步骤】

1．测量励磁电流I M 与B 的关系

（1）按图5.10.3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K 1向上接通，断开K 2。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I M 对应的B 。

（2）I M 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V AA-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。

3．观察磁阻材料的交流正弦倍频特性（选做）

将电磁铁的线圈引线与正弦交流低频发生器输出端相接，锑化铟磁阻传感器通以

2.5mA 直流电，用示波器观察磁阻传感器两端电压与电磁铁两端电压形成的李萨如图形。

自拟实验数据记录表格。

【数据处理】

1．根据步骤（1）的测量数据，作出I M 与B 的磁化曲线。

2．用U 和I 计算在I M 下的磁电阻I U R =

。 3．作出)

0(R R ∆与B 的关系曲线，将曲线分为线性与非线性两部分。在B <0.12T 的非线图5.10.3 MR-1

磁阻效应仪结构及其连线