对磁电阻特性研究实验中测量装置的改进样本

对Insb磁电阻特性研究实验中测量装置改进摘要：简述磁电阻特性研究实验原理，并改进了原有实验测量装置，采用外接恒压输入源和电压表、电流表方式，简化实验数据采集过程中繁杂调动开关及控制恒流输入环节，科学优化实验内容。核心词：磁电阻；Insb传感器；测量装置改进前言：在通有电流金属或半导体上施加磁场时，其电阻值将会发生明显变化，这种现象称为磁致电阻效应，简称磁电阻效应（MagnetoResistance，MR）。应用磁电阻效应构成传感器件广泛应用于工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域，在经济生活中发挥着巨大作用。磁电阻效应发现最早始于英国科学家汤姆生（Thomson，1856-1940）。在随后一百近年里，特别是在过去20近年中，随着金属多层膜和颗粒膜巨磁电阻（GiantMagnetoResistance，GMR）及稀土氧化物特大磁电阻（ColossalMagnetoResistance，CMR）发现，以研究、运用和控制自旋极化电子输运过程为核心磁电子学得到了很大发展，同步，运用巨磁电阻材料构成磁电子学器件，在信息存储领域中获得很大成功。例如，在计算机工业方面，GMR效应可以用来制造出磁头，这种读出磁头具备高敏捷度、低噪音和低磨损特点。运用这种GMR效应做成磁头，可提高硬盘存储容量（10GB-100GB/）。1994年，IBM公司运用GMR材料制成硬盘读出磁头原形，将硬盘系统记录密度提高了7倍，达10GB/。GMR效应在计算机工业还可被用来制备磁电阻型随机存储器（MagnetoResistanceRandom-AccessMemory），简称MRAM。这种随机存储器与当前惯用半导体存储器相比明显长处是无挥发，即在断电状况下仍能保存信息。Honeywell公司已经证明可以通过惯用刻蚀技术制备这种无挥发磁电阻随机型存储器，而在速度和密度上接近当前半导体随机存储器。由于巨磁电阻效应巨大应用前景和内在丰富多彩物理现象，已经成为新研究热点，使得人们对于磁电阻效应物理来源有了更深结识，也增进了磁电阻效应进一步应用。磁电阻特性研究原理磁电阻(MagnetoResistance，MR)普通定义为（8-1-1）其中：(0)是零外场下电阻率，(H)是外场下电阻率。有时，上式也可以表达为（8-1-2）其中：R(0)是零外场下电阻，R(H)是外场下电阻。依照（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三种磁电阻(a)纵向磁电阻：(b)横向磁电阻：(c)垂直磁电阻。当前，已被研究磁性材料磁电阻效应大体涉及：由磁场直接引起磁性材料正常磁电阻（OrdinaryMagnetoResistance，OMR）、与技术磁化相联系各向异性磁电阻（AnisotropicMagnetoResistance，AMR）、掺杂稀土氧化物中特大磁电阻（ColossalMagnetoResistance，CMR）、磁性多层膜和颗粒膜中特有巨磁电阻（GiantMagnetoResistance，GMR）、以及隧道磁电阻（TunnelMagnetoResistance，TMR）等。图8-1-2列出了几种磁电阻阻值R随外磁场μ0H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长，导致电阻升高，因而，在正常磁电阻中，、和均为正，并且有。正常磁电阻与外场关系如图8-1-3所示。在特定温度，随外场增长，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，在较高磁场区域，显示了饱和趋势(曲线Ｂ)，而和显示出各向异性，即随外场增长或正比于(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线性关系(曲线C)。正常磁电阻各项异性来源于费米面褶皱。如果设载流子速度为，在洛仑兹力作用下，沿外场方向作螺线运动，螺线轴与方向平行，则载流子环绕该轴角速度即回旋频率ωc为：(8-1-3)式中是载流子有效质量，μ是磁导率。由于散射和碰撞，载流子绕轴回转平均角度为：(8-1-4)其中：是电导率，为，n是载流子密度(cm-3),为驰豫时间，即载流子通过两次碰撞平均时间。很明显，只有当，才干观测到正常磁电阻。应注意到只是正常磁电阻浮现判据，并不保证满足该条件下都能观测到正常磁电阻。以Cu为例，室温下(237K)，n=，，依照(8-1-4)式，可得。要满足，需要不不大于1200KOe[1Oe=1000/4A／m]磁场，这在当前是难以达到，因而在室温下观测不到磁电阻。为了在室温和较低磁场条件下，观测到正常磁电阻，普通采用半导体材料。实验中咱们要研究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磁场（磁场方向垂直于材料表面）中，电流沿CD方向。在该状况下，半导体内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载流子洛仑兹力作用刚好抵消，那么不大于或不不大于该速度载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向（CD方向）运动载流子数目将减少，导致电阻增大，体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。实验表白，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。注：实验测量装置改进并不涉及对实验原理调节，因而，本次改进实验实验原理与原实验并无差别。改进过程中使用到器材及改进后测量原理在第二某些会有涉及。实验中使用及更换器材图8-1-6MR-1型磁电阻效应测量装置MR-1型磁电阻效应测量装置（上海大学），如图8-1-6所示，JWY-30G型直流稳压电源，VAA-1电压测量双路恒流电源，电流表，电压表。“励磁恒流输出”控制磁场大小，“恒流输出”控制GaAs霍尔元件和InSb磁电阻元件工作电流。控制直流稳压电源，使其保持800mV恒压输出，同步保持恒流电流输入为2mA,然后依照电压表、电流表直接读出实验数据。磁感应强度B由下式给出（8-1-5）其中k为常数，不同霍尔元件k不同。k值标注于仪器上。三、实验测量过程及数据解决测定磁感应强度和磁电阻大小相应关系，绘制关系曲线。励磁电流在0到600mA之间，每隔30mA测一点。测量时，要先测InSb磁电阻元件电压（U2）和工作电流（I2），并且，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位置基本相似。B=U1/kI1，k=171mV/(mA*T)R=U2/I2，△R=R(B)-R(0)R（0）=293.89706Ω磁感应强度和磁电阻大小相应关系如表一：表一InSb磁电阻特性研究数据GaAsInSbB-△R/R(0）Im/mAU1/mVI1/mAU2/mVI2/mAB/TR/Ω△R/R(0)0-0.32.00800.02.720.00259293.897060304.42.00800.02.70.01717296.481480.008794609.52.00800.02.570.03175311.128400.0586319015.42.00800.02.420.04586330.330580.12396712021.42.00800.02.260.06082354.247790.20534615025.92.00800.02.090.07527383.014350.30322618030.22.00800.01.970.09011406.700510.3838221035.52.00800.01.870.10533428.663100.45854824039.82.00800.01.750.11963458.000000.55836927045.22.00800.01.710.13406467.836260.59183730051.22.00800.01.660.14957482.530120.64183433056.32.00800.01.610.16454496.521740.68944136061.62.00800.01.590.17875502.767300.71069239066.32.00800.01.550.19355515.741940.75483950086.42.00800.01.470.24784544.217690.851729600107.12.00800.01.380.29706579.927540.973234700122.72.00800.01.330.34604601.428571.046392800139.52.00800.01.260.39218636.190481.164671900157.52.00800.01.170.44235683.589741.32595由以上数据画B-△R/R(0）曲线，如图一：图一B-△R/R(0）曲线研究InSb磁电阻在磁感应强度和磁电阻变化关系曲线，分段（B<0.1T、B>0.14T）进行曲线拟合。<1>B<0.1T时，△R/R(0）是B二次函数，假设X=B2，f(x)=△R/R(0），则令f(x)=A+BX，由表一数据表二B^2与△R/R(0)关系（B<0.1T）B^2/T^2△R/R(0)0.0000100.000290.0087940.001010.0586310.002100.1239670.003700.2053460.005670.3032260.008120.38382由表二可得图二图二Bˆ2--△R/R(0)曲线由图二可以得知A=0.009，B=48.863，即△R/R(0)=48.863Bˆ2+0.009。<2>B>0.14T时，△R/R(0）是B一次函数，假设X=B，f(x)=△R/R(0），则令Y=A+BX，由表一数据B^2/T^2△R/R(0)0.022370.6418340.027070.6894410.031950.7106920.037460.7548390.043550.7804460.061430.8517290.088240.9732340.119741.0463920.153811.1646710.195671.32595表三B^2与△R/R(0)关系（B>0.14T）由表三可以得出图三由图三可以得知A=0.316，B=2204，即△R/R(0)=2204B+0.316。实验过程中注意事项1、关闭电源之前，必要先将励磁电流降为零，以免导致仪器损坏。2、调节各旋钮时，动作要轻，幅度要小，避免损坏精密电位器。对本实验几点思考及总结1、试举例阐明磁电阻效应应用。巨磁阻效应当前应用比较广泛，自从被发现以来就被用于开发研制用于硬磁盘体积小而敏捷数据读出磁头。这使得存储单字节数据所需磁性材料尺寸大为减少，从而使得磁盘存储能力得到大幅度提高。巨磁阻效应同样可应用于测量位移、角度等传感器中，可广泛地应用于数控机床、汽车导航、非接触开关和旋转编码器中，与光电等传感器相比，具备功耗小、可靠性高、体积小、能工作于恶劣工作条件等长处。2、如果磁场为交变形式，分析磁电阻元件电阻随磁感应强度变化状况。磁场变为交变形式，磁电阻元件电阻也会随着磁感应强度变化而发生周期性变化。由于磁电阻有不同类型，变化也会有所不同。本次实验中咱们采用外接恒压输出装置办法来简化每次测量过程中调节开关及控制恒流输出操作，并外接电压表及电流表，使