InSb磁电阻特性研究.doc

材物08-1班 郭亮亮 08132119实验8-1 InSb磁电阻特性研究【实验目的】1、掌握磁感应强度的测量方法；2、了解磁电阻的一些基本知识；3、测量和分析InSb材料磁电阻特性；【实验原理】磁电阻(Magneto Resistance，MR)通常定义为 （8-1-1）其中：(0)是零外场下的电阻率，(H)是外场下的电阻率。有时，上式也可以表示为 （8-1-2）其中：R(0)是零外场下的电阻，R(H)是外场下的电阻。根据（8-1-1）和（8-1-2）式，可以将磁电阻划分两类，即正磁电阻和负磁电阻。如果考虑磁场与电场之间的关系，又可以分为纵向磁电阻、横向磁电阻和垂直磁电阻。如图8-1-1所示，图中电阻沿电流方向测量。图8-1-1 依赖与磁场和电流方向的三种磁电阻(a)纵向磁电阻：(b)横向磁电阻：(c)垂直磁电阻。目前，已被研究的磁性材料的磁电阻效应大致包括：由磁场直接引起的磁性材料的正常磁电阻（Ordinary Magneto Resistance，OMR）、与技术磁化相联系的各向异性磁电阻（Anisotropic Magneto Resistance，AMR）、掺杂稀土氧化物中特大磁电阻（Colossal Magneto Resistance，CMR）、磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻（Giant Magneto Resistance，GMR）、以及隧道磁电阻（Tunnel Magneto Resistance，TMR）等。图8-1-2列出了几种磁电阻阻值R随外磁场0H的变化形式。在以上磁电阻效应中，正常磁电阻应用最为普遍。图8-1-2 几种典型的磁电阻效应图8-1-3正常磁电阻普遍存在于所有磁性与非磁性材料中，其来源于外磁场对载流子的洛仑兹力，它导致载流子运动发生偏转或产生螺旋运动，从而使载流子碰撞几率增加，造成电阻升高，因而，在正常磁电阻中，、和均为正，并且有。正常磁电阻与外场的关系如图8-1-3所示。在特定的温度，随外场的增加，在低场区域，正常磁电阻近似地与外场成平方关系。对于单晶样品，在较高的磁场区域，显示了饱和的趋势(曲线)，而和显示出各向异性，即随外场增加或正比于(曲线A)或趋于饱和(曲线B)。对于多晶样品，在强场中，正常磁电阻则显示出与外场H的线性关系(曲线C)。正常磁电阻的各项异性来源于费米面的褶皱。如果设载流子速度为，在洛仑兹力的作用下，沿外场方向作螺线运动，螺线的轴与方向平行，则载流子围绕该轴的角速度即回旋频率c为： (8-1-3)式中是载流子的有效质量，是磁导率。由于散射和碰撞，载流子绕轴回转的平均角度为： (8-1-4)其中：是电导率，为，n是载流子的密度(cm-3),为驰豫时间，即载流子经过两次碰撞的平均时间。很明显，只有当，才能观察到正常磁电阻。应注意到只是正常磁电阻出现的判据，并不保证满足该条件下都能观察到正常磁电阻。以Cu为例，室温下(237K)，n=，根据 (8-1-4) 式，可得。要满足，需要大于1200 KOe1Oe=1000/4Am的磁场，这在目前是难以达到的，因此在室温下观察不到磁电阻。为了在室温和较低磁场条件下，观察到正常磁电阻，通常采用半导体材料。实验中我们要研究的InSb传感器就属于此种。图8-1-4 图8-1-5如图8-1-4所示，薄片状、长方形半导体材料置于磁感应强度为B的磁场（磁场方向垂直于材料表面）中，电流沿CD方向。在该情况下，半导体内的载流子将受洛仑兹力作用，发生偏转，在AB两端产生积聚电荷，形成霍尔电场。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，那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向（CD方向）运动的载流子数目将减少，造成电阻增大，表现出横向磁电阻效应，这种效应也称物理磁电阻效应。如A、B端短接，磁电阻效应将更明显。实验表明，当外磁场强度不大时，R正比于B2，而在强磁场中，R正比于B。伴随物理磁电阻效应，还存在一种几何磁电阻效应，产生的原因是半导体内部的电流分布由于磁场的作用发生了变化，半导体材料形状不同，几何磁电阻效应也不同，如图8-1-5所示。【实验仪器】MR-1型磁电阻效应测量装置磁感应强度B由下式给出 （8-1-5）其中k为常数，不同的霍尔元件k不同。k的值标注于仪器上。【实验步骤】1、调节InSb位置，使其刻度线处于磁线圈的中间位置，以后均保持此位置不变。2、调节励磁电流在0到400mA之间，每隔30mA测一点；大于400mA时每隔100mA测一次。测量时，要先测InSb磁电阻元件的电压（U2）和工作电流（I2），而且，对于每个励磁电流，都应保持U2（800mV）基本恒定，以及GaAs霍尔元件与InSb磁电阻元件在磁极间的位置基本相同。3、将S合向GaAs，记下GaAs的电压 U1，电流I1。4、当励磁电流达到900 mA 时，停止计数，将励磁电流降为零，再关闭电源。【数据处理】实验得到的数据如表8-1-1所示：表8-1-1 实验数据表Im/mAGaAsInSbU1/mVI1/mAU2/mVI2/mA00.52.16800.42.16326.22.11800.22.1262112.03800.32.039215.31.91801.61.9112018.51.78799.41.7915321.61.65799.41.6518224.21.55801.51.5621226.61.47800.41.4724229.31.42801.21.4227332.11.38799.51.3830034.71.35800.91.3633237.51.32799.71.3236240.21.3801.71.339242.61.27799.11.2749250.51.21800.11.2159257.41.14799.51.1469263.51.087991.0879268.91.037991.0389273.80.98801.70.9899277.60.94799.40.94对于GaAs，U1,I1,B三者的关系已知，即B=U1/KI1(8-1-1) (其中k=171mV/ mA.T),将式8-1-1代入表8-1-1中，计算出不同励磁电流所对应的B值。 I励磁=0时，InSb的R(0)= 800.4/2.16=370.56（）I励磁0时，InSb的R=U2/I2,R=R-R(0)(8-1-2)将（8-1-2）代入表8-1-1中，得出不同磁场强度B时的R,进而得到R/R。数据如下表8-1-2所示:表8-1-2 计算出的B-R/R(0)关系表Im/mAB-R/RB/TR/R/R00.001353370.560320.017183377.450.0186620.031688394.240.0639920.046844419.690.13251200.060779446.590.20521530.076555484.480.30741820.913035513.780.38652120.10582544.480.46932420.142787572.280.54442730.136028579.350.56343000.150314588.890.58923320.166135605.830.63493620.180836616.690.66423920.196159629.210.69794920.244067661.240.78445920.294449701.320.89266920.343837739.810.99657920.391188775.731.09348920.440386818.061.20769920.482767850.431.2949当I励磁从0增大到992mA时，磁场强度从0增大到0.482767T。分析：在I励磁=0时，B0,说明铁芯内有剩磁存在，很小约为0.001T，顾在实验前应先将铁芯取出进行“退磁”处理。作出全过程的BR/R(0)曲线，如图 8-1-4所示： 由上图8-1-4可以明显看出，曲线分为两段，在弱磁场（B0.1T）时，R/R(0)与B近似成二次关系，在强磁场（B0.14）时，R/R(0)与B呈线性关系。 下面分别对这两段曲线进行拟合。1. B0.1T时，作出R/R(0)与B的关系曲线： 由图8-1-5可以判断出，B0.1T时，R/R(0)与B之间成二次关系，即R/R(0)与B2成线性关系。B2与R/R(0)的数据如下表所示： B2与R/R(0)的数据记录表B2/T2R/R0.00000100.0002950.01860.0010040.06390.0021940.13250.0036970.20520.0058610.30740.0083360.3865作出B2与R/R(0之间的关系曲线，如下图8-1-6所示：由图可知R/R(0)与 B 呈线性关系，对其添加趋势线l（如图所示），并进行线性拟合得： y = 47.16x +0.0151 即 R/R(0)=47.16 B2 + 0.0151 (8-1-3) 分析式（8-1-3），此拟合直线与y轴有截距，即B=0时，RR(0)。 分析原因：在I励磁=0时 ，B实际不为0，因为有剩磁的存在，使InSb的电阻发生了改变 即RR(0)。 2.B0.14T时, B与 R/R(0)的数据如下表：B/T0.1427870.1360280.1503140.1661350.1808360.196159R/R(0)0.54440.56340.58920.63490.66420.6979B/T0.2440670.2944490.3438370.3911880.4403860.482767R/R(0)0.78440.89260.99651.09341.20761.2949R/R(0)为B的一次函数，二者成线性关系，如图8-1-7所示： 由图可知，其趋势线 l 为： y = 2.119x +0.2707即 R/R(0) = 2.119B + 0.2707综合 1，2可知：B0.1T时，R/R(0)= 47.16 B2 + 0.0151，即R/R(0)正比于B2B0.14T时，R/R(0)= 2.119B + 0.2707，即R/R(0)正比于B。因此通常用电阻率的相对变化率/（0）表示磁阻的大小，而该InSb的电阻的相对变化率R/R(0) 正比于/（0），故也可以用R/R(0) 表示磁阻效应的大小。所以得出：当金属或半导体处于较弱磁场中时，一般磁阻传感器电阻相对变化率R/R(0)正比于磁感应强度，当金属或半导体处于较强磁场中时，R/R(0)与B呈性性函数关系.【思考题】1 试举例说明磁电阻效应的应用。答：磁电阻效应的应用有：传感器,例如 磁通门,霍尔效应器件,目前市场上磁阻器有半导体和磁性合金两种。很少用来制作电子磁罗盘，验钞机和大功率电流计等。磁电阻读出磁头.通过阻值的变化来感应信号的幅度，对信号变化相当灵敏，准确性也较高。自旋开关器件.是一个磁性薄膜装置,两个磁场薄层夹一个非磁性金属层，正相通电时多层膜处于低电阻，反向通电时呈高阻态.磁性随机存储器,是一种非挥发性的磁性随机存储器,可以静态或者动态随机存储.2. 如果磁场为交变形式，分析磁电阻元件随磁感应强度的变化情况？答：如果磁场处于正弦交变磁场中时：B=B0cost ,B0为磁感应强度振幅，为角频。 设在若磁场中 R/R(0)=K B2 R（B）=R(0)+ R= R(0)+ R(0)K B2 = R(0)+ R(0)KBO2cos2t = R(0)+0.5 R(0) KBO2+0.5 R(0) KBO2cos2t上式中 0.5 R(0) KBO2为不随时间变化的电阻值，0.5 R(0) KBO2cos2t是以角频率2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的变化。【实验总结】实验分析：1.分析 “纵向磁阻效应”：当磁场与外电场垂直时，因为载流子受洛伦兹力，所以偏转使其表现出磁阻效应，这称为“横向磁阻效应”。而当磁感应强度平行于外电场时，是否会产生“纵向霍尔效应的磁阻”呢？有两种情况：若载流子的有效质量和驰豫时间与其移动的方向无关，则B与载流子运动方向V平行，不产生洛伦兹力，也不会引起载流子漂移运动的偏转,不会产生磁阻效应。若载流子的有效质量和驰豫时间与其移动的方向V有关，作用力的方向不