半导体材料的磁电阻效应研究

1、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

2、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。图1霍尔效应原理图【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，

3、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A,B端短接，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Ap/p（0），为零磁场时的电阻率，Ap=p（B）-p（0）,而AR.R（0）xApp（0）,其中AR=R（B）-R（0）。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ARR（0）正比于B的两次方，而在强磁场中ARR（0）则为B的一次函数。当半导体材料处于弱交流磁场中，因为ARR（0）正比于B的二次方，所以R也随时间周期变化。ARR（0）=kB2假设电流恒定为

4、I0，令B二B0cos®t（其中k为常量），于是有：ARR(B)=R(0)+AR=R(0)+R(0)=R(0)+R(0)kB2cos2wt(1)R(0)0=R(0)+1R(0)kB2+r(0)kB2cos2wt2020V(B)=IR(B)=I00R(0)+】R(0)kB220+!lR(0)kB2cos2wt200(2)5=V（0）+Vcos2wt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磁阻效应实验仪主要技术参数：（1）励磁电流：01000mA连续可调；（2

5、）霍尔、磁阻传感器工作电流05mA；（3）传感器水平位移范围土20mm。【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I与U的关系。（测量电磁铁的磁化曲线）按图3接线图，把各相MH应连接线接好（七根导线），闭合电源开关。IM=500mA，K口=177mV/（mAT）MH（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20mm左右。图3测量电磁铁的磁化曲线连接图(3) 调节霍尔工作电流I=5.00mA,预热5分钟后，测量霍尔传

6、感器的不等位电压HU0Q1.8mV。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K和K均按下。分别调节励磁电流为0、100、12200、300、400、1000mA。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I=500mA,I=5.00mA时，测量霍尔输出电压U与水平位置MHHX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K、K，按下

7、K，K打向上方。在无磁场的情况下，调节磁阻工作电流1,12342使仪器数字式毫伏表显示电压U=800.0mV，记录此时的I数值，此时按下K、K，2212记录霍尔输出电压U，改变K4方向再测一次U值，以次记录数据。各开关回复原状；HH(2) 按上述步骤，逐步增加励磁电流，改变打，在基本保持U=800.0mV不变的22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：B二Uy/.式中K=177mV/(mAT)/1R=U-I,R(0)二382.80,AR二R(B)R(0)2"2【数据与结果】1、测定励磁电流和磁感应强度的关系:表1电磁铁磁化曲线数据表格I(mA)M

8、U(mV)正向H1U(mV)反向H1U(mV)平均H1B(mT)02测定电磁铁气隙沿水平方向的磁场分布:表2电磁铁气隙沿水平方向的磁场分布数据表格根据表格中数据作BX关系曲线3、测量磁感应强度和磁阻变化的关系:表3测量磁感应强度和磁阻变化的关系（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K1、K时，出现U数据不稳定造成读数困难,这是由于霍尔元件工122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U（mV）会随着变化（非磁场引起的变化），2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01000mA时对应的U（mV）、IJmA）数值，逐项记入表格3；22（2）然后逐渐减小励磁电流，从1000mA0，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I(mA)、霍尔元件工作电流I(mA)调节到与磁阻效应测量时M1I(mA