对Insb磁电阻特性研究实验中测量装置的改进2

1对Insb磁电阻特性研究实验中测量装置的改进摘要：简述磁电阻特性研究的实验原理，并改进了原有实验的测量装置，采用外接恒压输入源和电压表、电流表的方式，简化实验数据采集过程中繁杂的调动开关及控制恒流输入的步骤，科学优化实验内容。关键词：磁电阻；Insb传感器；测量装置改进前言：在通有电流的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的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。磁电阻效应的发现最早始于英国科学家汤姆生（Thomson，1856-1940）。在随后的一百多年里，尤其是在过去的20多年中，随着金属多层膜和颗粒膜的巨磁电阻（GiantMagnetoResistance，GMR）及稀土氧化物的特大磁电阻（ColossalMagnetoResistance，CMR）的发现，以研究、利用和控制自旋极化的电子输运过程为核心的磁电子学得到了很大的发展，同时，利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，这种读出磁头具有高灵敏度、低噪音和低磨损的特点。利用这种GMR效应做成的磁头，可提高硬盘的存储容量（10GB-100GB/2inch）。1994年，IBM公司利用GMR材料制成硬盘读出磁头的原形，将硬盘系统的记录密度提高了7倍，达10GB/2inch。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。这种随机存储器与现在常用的半导体存储器相比显著的优点是无挥发，即在断电的情况下仍能保存信息。Honeywell公司已经证明可以通过常用的刻蚀技术制备这种无挥发的磁电阻随机型存储器，而在速度和密度上接近现在的半导体随机存储器。由于巨磁电阻效应巨大的应用前景和内在丰富多彩的物理现象，已经成为新的研究热点，使得人们对于磁电阻效应的物理起源有了更深的认识，也促进了磁电阻效应的进一步应用。一、磁电阻特性研究的原理磁电阻(MagnetoResistance，MR)通常定义为)0()0()()0(B（8-1-1）其中：(0)是零外场下的电阻率，(H)是外场H下的电阻率。有时，上式也可以表示为)0()0()()0(RRBRRR（8-1-2）2其中：R(0)是零外场下的电阻，R(H)是外场H下的电阻。根据（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的关系，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的三种磁电阻(a)纵向磁电阻//：(b)横向磁电阻T：(c)垂直磁电阻。目前，已被研究的磁性材料的磁电阻效应大致包括：由磁场直接引起的磁性材料的正常磁电阻（OrdinaryMagnetoResistance，OMR）、与技术磁化相联系的各向异性磁电阻（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的巨磁电阻（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的变化形式。在以上磁电阻效应中，正常磁电阻应用最为普遍。3图8-1-2几种典型的磁电阻效应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的洛仑兹力，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加，造成电阻升高，因而，在正常磁电阻中，//、T和均为正，并且有//T。正常磁电阻与外场的关系如图8-1-3所示。在特定的温度，随外场的增加，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，在较高的图8-1-34磁场区域，//显示了饱和的趋势(曲线Ｂ)，而T和显示出各向异性，即随外场增加或正比于(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的线性关系(曲线C)。正常磁电阻的各项异性来源于费米面的褶皱。如果设载流子速度为v，在洛仑兹力的作用下，沿外场方向作螺线运动，螺线的轴与B方向平行，则载流子围绕该轴的角速度即回旋频率ωc为：meBc(8-1-3)式中m是载流子的有效质量，μ是磁导率。由于散射和碰撞，载流子绕轴回转的平均角度为：neBcc0(8-1-4)其中：0是电导率，为mne20，n是载流子的密度(cm-3),为驰豫时间，即载流子经过两次碰撞的平均时间。很明显，只有当1c，才能观察到正常磁电阻。应注意到1c只是正常磁电阻出现的判据，并不保证满足该条件下都能观察到正常磁电阻。以Cu为例，室温下(237K)，n=328105.8cm，1170104.6m，根据(8-1-4)式，可得3103.8c。要满足1c，需要大于1200KOe[1Oe=1000/4A／m]的磁场，这在目前是难以达到的，因此在室温下观察不到磁电阻。为了在室温和较低磁场条件下，观察到正常磁电阻，通常采用半导体材料。实验中我们要研究的InSb传感器就属于此种。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的磁场（磁场方向垂直于材料表面）中，电流沿CD方向。在该情况下，半导体内的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的载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，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（CD方向）运动的载流子数目将减少，造成电阻增大，表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。实验表明，当外磁场图8-1-4图8-1-55强度不大时，⊿R正比于B2，而在强磁场中，⊿R正比于B。注：实验测量装置的改进并不涉及对实验原理的调整，因此，本次改进实验的实验原理与原实验并无差别。改进过程中使用到的器材及改进后的测量原理在第二部分会有涉及。二、实验中使用及更换的器材图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磁电阻元件的工作电流。控制直流稳压电源，使其保持800mV恒压输出，同时保持恒流电流输入为2mA,然后根据电压表、电流表直接读出实验数据。磁感应强度B由下式给出11kIUB（8-1-5）其中k为常数，不同的霍尔元件k不同。k的值标注于仪器上。6三、实验的测量过程及数据处理1、测定磁感应强度和磁电阻大小的对应关系，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磁电阻元件的电压（U2）和工作电流（I2），而且，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的位置基本相同。2、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的对应关系如表一：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)0-0.32.00800.02.720.00259293.897060304.42.00800.02.70.01717296.481480.008794609.52.00800.02.570.03175311.128400.0586319015.42.00800.02.420.04586330.330580.12396712021.42.00800.02.260.06082354.247790.20534615025.92.00800.02.090.07527383.014350.30322618030.22.00800.01.970.09011406.700510.3838221035.52.00800.01.870.10533428.663100.45854824039.82.00800.01.750.11963458.000000.55836927045.22.00800.01.710.13406467.836260.59183730051.22.00800.01.660.14957482.530120.64183433056.32.00800.01.610.16454496.521740.68944136061.62.00800.01.590.17875502.767300.71069239066.32.00800.01.550.19355515.741940.75483950086.42.00800.01.470.24784544.217690.851729600107.12.00800.01.380.29706579.927540.973234700122.72.00800.01.330.34604601.428571.046392800139.52.00800.01.260.39218636.190481.1646717900157.52.00800.01.170.44235683.589741.32595由以上数据画B-△R/R(0）曲线，如图一：图一B-△R/R(0）曲线2、研究InSb磁电阻在磁感应强度和磁电阻变化的关系曲线，分段（B0.1T、B0.14T）进行曲线拟合。1B0.1T时，△R/R(0）是B的二次函数，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)的关系（B0.1T）B^2/T^2△R/R(0)0.0000100.000290.0087940.001010.0586310.002100.1239670.003700.2053460.005670.3032268由表二可得图二图二Bˆ2--△R/R(0)曲线00.0010.0020.0030.0040.0050.0060.0070.0080.00900.050.10.150.20.250.30.350.40.45f(x)=48.863x+0.009B^2/T^2△R/R(0)由图二可以得知A=0.009，B=48.863，即△R/R(0)=48.863Bˆ2+0.009。2B0.14T时，△R/R(0）是B的一次函数，假设X=B，f(x)=△R/R(0），则令Y=A+BX，由表一数据0.008120.38382B^2/T^2△R/R(0)0.022370.6418340.027070.6894419表三B^2与△R/R(0)的关系（B0.14T）由表三可以得出图三0.10.150.20.250.30.350.40.450.500.20.40.60.811.21.4f(x)=2.204x+0.316图三B/T△R/R(0)由图三可以得知A=0.316，B=2204，即△R/R(0)=2204B+0.316。0.031950.7106920.037460.7548390.043550.7804460.061430.8517290.088240.9732340.119741.0463920.153811.1646710.195671.3259510四、实验过程中的注意事项1、关闭电源之前，必须先将励磁电流降为零，以免造成仪器损坏。2、调节各旋钮时，动作要轻，幅度要