半导体磁阻效应

半导体磁阻效应 南京工程学院杨健 2009年6月

磁阻效应（Magnetoresistance Effects）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。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 ] • 了解用霍尔效应法测量磁感应强度 • 研究锑化铟的电阻随磁感应强度变化的关系 • 掌握用最小二乘法归纳经验公式

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

图1 磁阻效应原理 [ 实验原理 ] 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，即式中，和分别为有磁场和无磁场时的电阻率。材料电阻的变化，可以是材料电学性质的改变引起的，称为物理磁阻效应。如图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。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。

在实际测量中，常用磁阻器件的磁电阻相对改变量在实际测量中，常用磁阻器件的磁电阻相对改变量来研究磁阻效应，由于其中，是磁场为B时的磁电阻是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。

[ 实验装置 ] MR-1磁阻效应仪结构及其连线

[ 实验内容与步骤 ] 1．测量励磁电流IM与B的关系（1）按图2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K1向上接通，断开K2。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IM对应的B。（2）IM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VAA-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。自拟实验数据记录表格。

[ 数据处理 ] 1．根据步骤(1)的测量数据填入表1 ，作出IM与B的磁化曲线。 2．用U和I计算在IM下的磁电阻。 3．作出与B的关系曲线，将曲线分为线性与非线性两部分。在B<0.12T的非线性段，设 , 。在B>0.12T的线性段，设，。那么两段数据都可以用线性函数来表示，用最小二乘法拟合数据得出经验公式和相关系数。

表1 实验数据记录表

[ 思考题 ] 1．什么是磁阻效应，与霍尔效应有何不同之处？ 2．当励磁电流IM=0时，B≠0，请分析产生的原因，其大小跟什么有关？ 3．进一步了解巨磁阻、庞磁阻、穿隧磁阻、直冲磁阻和异常磁阻。

[ 注意事项 ] 1．毫特仪与实验装置要对号使用，不得混淆。 2．绝对不可将励磁大电流接入实验样品。 3．实验装置附近不宜放置铁磁物品。 4. 插座必须对准凹槽才能插入。

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