霍尔效应与电阻测量课件

霍尔效应及磁电阻测量霍尔效应经典霍尔效应整数量子霍尔效应量子霍尔效应分数量子霍尔效应2磁电阻效应2.12

各向异性磁电阻效应(AMR)的基本原理2.13

巨磁阻效应(GMR)的基本原理2.1

磁电阻效应(MR)原理2.2

磁电阻测量LOGOMagnetic

Resistance1©2000

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Hall2.11

正常磁电阻效应(OMR)

Ｏrdinary的基本原理AnisotropicＧiant当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应，该电势差称为霍尔电势差（霍尔电压）。1.1

经典霍尔效应LOGO2©2000

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Hall图１ 霍尔效应原理当载流子所受的横向电场力eEH与洛仑兹力

相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有3©2000

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Hall得霍尔系数4©2000

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Hall霍尔效应的应用测量载流子浓度判断半导体类型测量磁场强度

测量地磁场电信号转换及运算设计磁流体发电机测量电流强度测量微小位移LOGO5©2000

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Hall德国物理学家冯·克利青等在二维体系的霍尔效应实验中，多次研究在处于极低温度1.5K

和强磁场18T

的作用下，发现了一个与经典霍尔效应完全不同的现象:霍尔电阻R

H

随磁场的变化出现了一系列量子化电阻平台,这些平台电阻为

,这种现象称为整数量子霍尔效应。1.21

整数量子霍尔效应LOGO6©2000

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Hall二维电子气主要用MOSFET方式实现7©2000

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Hall图２

MOSFET

示意图二维电子系统在强磁场作用下,会形成电子的分立能级(称为Landan

能级).图３ 整数量子霍尔效应8©2000

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HallStormer,

Horst

L.Prof.

Robert

B.Laughlin崔琦1.22

分数量子霍尔效应LOGO9©2000

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Hall©2000

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Hall崔琦，1939年出生在中国河南省宝丰县一个殷实的家庭，崔琦在家中是老幺，上有三位姐姐。1949年国内战乱,姐姐们

逃至香港,1951年,12岁的崔琦被接到香港,四姐弟远离父母,在香港自力更生。聪颖的崔琦进入香港培正中学读初二,并完全依靠奖学金读至高中毕业。1958年,崔琦以优异的成绩获得留美奖学金的资助进入美国里斯特纳大学,毕业后又入芝加哥大学攻读物理博士,后进入贝尔实验室做研究,80年代中期,进入普林顿大学执教至今。他是获得这一世界科学最高奖的第六名华人,另外五名分别是杨振宁、李政道、丁肇中、李远哲、朱棣文。宇称不守恒理论J粒子以分子水平化学反应动力学的研究发展利用雷射冷却与10捕捉原子方法崔琦——物理学家，1998年诺贝尔物理奖得主之一。

丘成桐——数学家，数学界最高荣誉菲尔兹奖得主之一何沛雄教授－－香港大学中文系名誉教授吴家玮——香港科技大学创校校长钟景辉——资深的香港舞台剧演员和导演，戏剧教育家制作人，电视剧演员及电视节目主持。唐英年——现任香港财政司司长。黄杏秀——香港电视艺员。欧倩怡——香港电视艺员。王晶——香港电影导演、编剧、制作人。

关锦鹏——香港电影导演。陈键锋——香港电视艺员。周松岗——地铁公司行政总裁。卓以和博士——半导体之父沈吕九博士——著名物理学家林思齐博士——前加拿大不列颠哥伦比亚省省督

谢志伟博士——前浸会大学校长吴清辉教授——浸会大学校长萧荫堂教授——哈佛大学数学系系主任郭新教授——香港大学理学院院长，著名天文学家何弢博士——建筑师何钟泰博士——工程师黄干亨博士——律师

叶惠康博士——香港儿童合唱团创办人石信之——指挥家

马思聪——音乐家何建宗教授——环保及极地探险家(培正中学校监)毛钧年——前新华社社长谢仕荣——AIA保险集团亚太区总裁林秀棠——商人赵世曾——商人、建筑师陈国强——商人、土木工程师何重恩——香港电台节目监制及主持人。顾明均－－香港著名商

人，南太电子集团创办人。11©2000

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Hall崔琦、施特默和劳克林在比整数量子霍尔

效应更低的温度0.1K和更强的磁场20T条件下,对具有高迁移率的更纯净的二维电子气系统样品的测量中,也在一些电阻和温度范围内观测到横向霍尔电阻呈现平台而同时纵向电阻减小

到零的现象,但不同的是,这些平台对应的不是整数值,而是分数值,称为分数量子霍尔效应。12©2000

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Hall可以从复合玻色子(每电子携带奇数根量子磁通)的角度有一个较好的理解.13©2000

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Hall应用:1.1990年起,

电阻标准为:2.精细结构常数在量子电动力学中，任何电磁现象都可以用精细结构常数的幂级数来表达。这样一来，精细结构常数就具有了全新的含义：它是电磁相互作用中电荷之间耦合强度的一种度量，或者说，它就是电磁相互作用的强度。14©2000

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Hall磁电阻效应各向异性磁电阻效应巨磁阻效应正常磁电阻效应2

磁电阻效应LOGO15©2000

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Hall磁电阻效应MR是指物质在磁场的作用下电阻发生

变化的物理现象。表征磁电阻效应大小的物理量为MR，其定义为：其中

和 分别表示物质在某一不为零的磁场中和磁场为零时的电阻率。磁电阻效应按磁电阻值的大小和产生机理的不同可分为：正常磁电阻效应(OMR)、各向异性磁电阻效应(AMR)、巨磁电阻效应(GMR)

等。2

磁电阻效应LOGO16©2000

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Hall正常磁电阻效应来源于磁场对电子的洛

仑兹力,导致载流子运动发生偏转或产生螺旋运动,使电子碰撞几率增加,电阻增大.2.11

正常磁电阻效应LOGO正常磁电阻效应物理磁阻效应几何磁阻效应17©2000

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Hall如果电子运动的速度V

>

V0

时,电子将沿着

洛仑兹力作用的方向偏转,

使沿着外电场方向的电流密度减小,即由于磁场的存在而增加了电阻,当洛仑兹力和霍尔电场所产生的静电力合力作用的结果平衡时电子的速度V0为物理磁阻效应18©2000

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Hall其关系式为ρ0

、ρB

分别为无有磁场时的电阻率.H是磁场强度,μ是载流子迁移率.几何磁阻效应19©2000

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Hall几何磁阻效应是在相同磁场作用下,几何形状不同的半导体片出现电阻值不同变化的现象.实验证明,在弱磁场的作用下,电阻率的相对变化率为在中等磁场下:20©2000

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Hall在强磁场下:g为形状系数,与半导体片长L、宽W等有关(1<n<2)2.12

各向异性磁电阻效应LOGO在铁磁性物质中,当外磁场与电流的

夹角变化时,样品的电阻也随之变化.

这种现象被称之为各向异性磁电阻效应.各向异性散射是由于电子自旋-轨道耦合和势散射中心的低对称,降低了电子波函数的对称性,从而导致了电子散射的各向异性.21©2000

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Hall这里 为铁磁材料在理想退磁状态下的电阻率。

不过由于理想的退磁状态很难实现，通常取则有：22©2000

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Hall2.13

巨磁电阻效应LOGO巨磁阻效应(giant

magnetoresistance，GMR),是指在磁性材料和非磁性材料相间的多层膜中,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.巨磁电阻效应只有在纳米尺度的薄膜中才能观测到,因此纳米材料以及超薄膜制备技术的发展使巨磁电阻传感器芯片得以实现.23©2000

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Hall图４ 巨磁阻效应示意图FM

表示磁性材料,NM

表示非磁性材料,磁性材料中的箭头表示磁化方向,Spin

的箭头表示通过电子的自旋方向;在下部的两个线路图中,R

表示电阻值,R

的大小用体积大小形象表示．24©2000

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Hall颗粒膜颗粒膜具有微颗粒和薄膜双重特性及其交互作用效应,因此从磁性多层膜巨磁效应的研究延伸到磁性颗粒膜巨磁效应的研究有其内在的必然性.颗粒膜中的巨磁电阻效应类似于多层膜的情况,主要是磁性颗粒本身之间的相互散射.隧道巨磁电阻效应磁性多层膜的巨磁阻效应一般发生在磁性层/非磁层/磁性层之间,其中非磁层为金属层,对于非磁层为

半导体或绝缘体材料的磁性多层膜体系,若在垂直于膜面即横跨绝缘体材料层的电压作用下可以产生隧穿电流,便形成了隧道磁电阻效应.25©2000

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Hall氧化物膜主要由钙钛矿类的亚锰酸(LaMnO3)中的部分被Ca、Ba和Cd等二价离子替换。类钙钛矿的Ln1-xMxMnO3

系氧化物具有一个共同特征,在一定温度范围时外磁场可使其从顺磁性或反铁磁性变为铁磁性,在磁性发生转变的同时,其导电特性从半导体态转变为金属态,从而使其电阻率产生巨大的变化.庞磁电阻(colossalmagnetoresistance,CMR).26©2000

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Hall2.14

磁电阻效应应用LOGO巨磁电阻读出磁头当记录媒质上的剩余磁场作用于磁头时,自旋阀的自由层磁化强度方向发生变化,电阻的变化通过磁头的电流读出。传统的薄膜感应式磁头的读出电压与线圈圈数和磁通变化率成正比,为检测与高密度位信息相对应的微弱的剩磁通,不得不增加线圈的圈数和增加硬盘的线速度。线圈圈数的增加不仅增大了制造过程的难度,同时也引起了磁头阻抗的增长,对提高磁记录密度是不利的,而随着硬盘的小型化,硬盘线速度相应下降,读出信号的幅度会变的更小。27©2000

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HallGMR

随机存储器(RA

M)28©2000

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HallGMR

传感器29©2000

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Hall磁传感器主要用来检查磁场的存在、强弱、方向等.在GMR

传感器出现以前,人们使用的磁电阻传感器主要是利用AMR

效应材料,但由于AMR

磁电阻率变化小,因而在检测微弱磁场时受到限制.利用

GMR效应的传感器继承了AMR传感器所具有的优点,而且由于GMR

磁电阻变化率大,使它能传感微弱磁场,从而大大提高了传感器的分辨率、灵敏度、精确性等指标,扩大了测量范围和应用面.2.2

磁电阻测量LOGOmA磁场电源d图５ 四探针测量法的原理图30©2000