半導(dǎo)體材料的磁電阻效應(yīng)研究

1、半導(dǎo)體材料的磁電阻效應(yīng)研究磁阻器件由于其靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)、交通、儀器儀表、醫(yī)療器械、探礦等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，如：數(shù)字式羅盤、交通車輛檢測(cè)、導(dǎo)航系統(tǒng)、偽鈔檢別、位置測(cè)量等探測(cè)器。磁阻器件品種較多，可分為正常磁電阻，各向異性磁電阻，特大磁電阻，巨磁電阻和隧道磁電阻等。其中正常磁電阻的應(yīng)用十分普遍。銻化銦（InSb）傳感器是一種價(jià)格低廉、靈敏度高的正常磁電阻，有著十分重要的應(yīng)用價(jià)值。它可用于制造在磁場(chǎng)微小變化時(shí)測(cè)量多種物理量的傳感器。本實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，使用兩種材料的傳感器：砷化鎵（GaAs）測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度，研究銻化銦（InSb）在磁感應(yīng)強(qiáng)度變化時(shí)的電阻，融合霍爾效應(yīng)

2、和磁阻效應(yīng)兩種物理現(xiàn)象，具有科學(xué)研究的前瞻性，特別適合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)?！緦?shí)驗(yàn)儀器】磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解磁阻現(xiàn)象與霍爾效應(yīng)的關(guān)系與區(qū)別；2、了解并掌握FB512型磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的工作原理與使用方法；3、了解電磁鐵勵(lì)磁電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系及氣隙中磁場(chǎng)分布特性；4、測(cè)定磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁阻元件電阻大小的對(duì)應(yīng)關(guān)系，研究磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁阻變化的函數(shù)關(guān)系。圖1霍爾效應(yīng)原理圖【實(shí)驗(yàn)原理】在一定條件下，導(dǎo)電材料的電阻值R隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化規(guī)律稱為磁阻效應(yīng)。在該情況下半導(dǎo)體內(nèi)的載流子將受洛侖茨力的作用，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在兩端產(chǎn)生積聚電荷并產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)。如霍爾電場(chǎng)作用和某一速度的載流子的洛侖茨力作用剛好抵消，

3、那么小于或大于該速度的載流子將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因而沿外加電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目將減少，電阻增大，表現(xiàn)出橫向磁阻效應(yīng)。如果將圖1中A,B端短接，霍爾電場(chǎng)將不存在，所有電子將向A端偏轉(zhuǎn)，也表現(xiàn)出磁阻效應(yīng)。通常以電阻率的相對(duì)改變量來表示磁阻Ap/p（0），為零磁場(chǎng)時(shí)的電阻率，Ap=p（B）-p（0）,而AR.R（0）xApp（0）,其中AR=R（B）-R（0）。通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)都證明了磁場(chǎng)較弱時(shí)，一般磁阻器件的ARR（0）正比于B的兩次方，而在強(qiáng)磁場(chǎng)中ARR（0）則為B的一次函數(shù)。當(dāng)半導(dǎo)體材料處于弱交流磁場(chǎng)中，因?yàn)锳RR（0）正比于B的二次方，所以R也隨時(shí)間周期變化。ARR（0）=kB2假設(shè)電流恒定為

4、I0，令B二B0cos®t（其中k為常量），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）式可知磁阻上的分壓為B振蕩頻率兩倍的交流電壓和一直流電壓的疊加。FB512型磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀由測(cè)試儀和實(shí)驗(yàn)儀二部分組成。圖2為FB512型磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀實(shí)體圖。圖2磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀主要技術(shù)參數(shù)：（1）勵(lì)磁電流：01000mA連續(xù)可調(diào)；（2

5、）霍爾、磁阻傳感器工作電流05mA；（3）傳感器水平位移范圍土20mm?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1、測(cè)定勵(lì)磁電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系：（1）測(cè)量勵(lì)磁電流I與U的關(guān)系。（測(cè)量電磁鐵的磁化曲線）按圖3接線圖，把各相MH應(yīng)連接線接好（七根導(dǎo)線），閉合電源開關(guān)。IM=500mA，K口=177mV/（mAT）MH（2）安裝在一維移動(dòng)尺上的印刷電路板（焊接傳感器用），左側(cè)的傳感器為霍爾傳感器砷化鎵（GaAs），右側(cè)為銻化銦（InSb）磁阻傳感器。往左方向調(diào)節(jié)一維移動(dòng)尺，使霍爾傳感器在電磁鐵氣隙最外邊，離氣隙中心20mm左右。圖3測(cè)量電磁鐵的磁化曲線連接圖(3) 調(diào)節(jié)霍爾工作電流I=5.00mA,預(yù)熱5分鐘后，測(cè)量霍爾傳

6、感器的不等位電壓HU0Q1.8mV。然后再往右調(diào)節(jié)一維移動(dòng)尺，使霍爾傳感器位置處于電磁鐵氣隙中心位置(即一維移動(dòng)尺下面的“0”位指示線對(duì)準(zhǔn)一維移動(dòng)尺上面的“0”位再往左2mm位置)，實(shí)戲驗(yàn)儀面板上繼電器控制按鈕開關(guān)K和K均按下。分別調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流為0、100、12200、300、400、1000mA。記錄對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)并繪制電磁鐵磁化曲線。2、測(cè)量電磁鐵氣隙磁場(chǎng)沿水平方向的分布:調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流I=500mA,I=5.00mA時(shí)，測(cè)量霍爾輸出電壓U與水平位置MHHX的關(guān)系。3、測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁阻變化的關(guān)系:(1) 調(diào)節(jié)磁阻傳感器位置，使傳感器位于電磁鐵氣隙中心位置，把勵(lì)磁電流先調(diào)節(jié)為0,釋放K、K，按下

7、K，K打向上方。在無磁場(chǎng)的情況下，調(diào)節(jié)磁阻工作電流1,12342使儀器數(shù)字式毫伏表顯示電壓U=800.0mV，記錄此時(shí)的I數(shù)值，此時(shí)按下K、K，2212記錄霍爾輸出電壓U，改變K4方向再測(cè)一次U值，以次記錄數(shù)據(jù)。各開關(guān)回復(fù)原狀；HH(2) 按上述步驟，逐步增加勵(lì)磁電流，改變打，在基本保持U=800.0mV不變的22情況下，重復(fù)以上過程，把一組組數(shù)據(jù)分別記錄到表格中。表3中有關(guān)計(jì)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【數(shù)據(jù)與結(jié)果】1、測(cè)定勵(lì)磁電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系:表1電磁鐵磁化曲線數(shù)據(jù)表格I(mA)M

8、U(mV)正向H1U(mV)反向H1U(mV)平均H1B(mT)02測(cè)定電磁鐵氣隙沿水平方向的磁場(chǎng)分布:表2電磁鐵氣隙沿水平方向的磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)表格根據(jù)表格中數(shù)據(jù)作BX關(guān)系曲線3、測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁阻變化的關(guān)系:表3測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁阻變化的關(guān)系（2）觀察并分析曲線中描述變量間的函數(shù)關(guān)系，分段研究非線性與線性區(qū)域的函數(shù)關(guān)系，用最小二乘法求出變量間的相關(guān)系數(shù)及函數(shù)表達(dá)式；（3）寫出你對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的結(jié)論?！咀⒁馐马?xiàng)】如果在頻繁轉(zhuǎn)換K1、K時(shí)，出現(xiàn)U數(shù)據(jù)不穩(wěn)定造成讀數(shù)困難,這是由于霍爾元件工122作電流時(shí)通時(shí)斷,其溫度不穩(wěn)定,而半導(dǎo)體器件一般對(duì)溫度變化較敏感，從而造成電阻值不穩(wěn)定,而工作電流是恒流源，所以其兩端的電壓U（mV）會(huì)隨著變化（非磁場(chǎng)引起的變化），2在這種情況下,可采取的辦法如下:（1）把磁阻效應(yīng)（InSb）與霍爾效應(yīng)（GaAs）的測(cè)量分別進(jìn)行。先測(cè)出勵(lì)磁電流從01000mA時(shí)對(duì)應(yīng)的U（mV）、IJmA）數(shù)值，逐項(xiàng)記入表格3；22（2）然后逐漸減小勵(lì)磁電流，從1000mA0，在減小勵(lì)磁電流的過程中，用換向開關(guān)多次改變勵(lì)磁電流方向，從而起到消除鐵芯剩磁的作用；(3) 把勵(lì)磁電流I(mA)、霍爾元件工作電流I(mA)調(diào)節(jié)到與磁阻效應(yīng)測(cè)量時(shí)M1I(mA