InSb磁电阻特性研究

1中国石油大学近代物理实验实验报告成绩：班级：姓名：同组者：教师：InSb磁电阻特性研究【实验目的】1、掌握磁感应强度的测量方法；2、了解磁电阻的一些基本知识；3、测量和分析InSb材料磁电阻特性；【实验原理】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）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。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)2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，当外磁场强度不大时，⊿R正比于B2，而在强磁场中，⊿R正比于B。伴随物理磁电阻效应，还存在一种几何磁电阻效应，产生的原因是半导体内部的电流分布由于磁场的作用发生了变化，半导体材料形状不同，几何磁电阻效应也不同，如图8-1-5所示。【实验仪器】图8-1-4图8-1-53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。“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。当K1、K2合向上方，K3断开时，“电压输入”窗口显示GaAs霍尔元件的霍尔电压（U1），“恒流输出”窗口显示GaAs霍尔元件的工作电流（I1）；当K1、K2合向下方，K3合上时，“电压输入”窗口显示InSb磁电阻元件的电压（U2），“恒流输出”窗口显示InSb磁电阻元件的工作电流（I2）。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。【实验内容】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、研究InSb磁电阻在磁感应强度和磁电阻变化的关系曲线，分段进行曲线拟合。【注意事项】1、关闭电源之前，必须先将励磁电流降为零，以免造成一起损坏。2、调节各旋钮时，动作要轻，幅度要小，以免损坏精密电位器。【数据记录及处理】1、磁感应强度B与磁电阻大小R的数据关系以I=0mA的数据为例：磁感应强度B的计算：4B=U1kI1=7.1177∗2.55=0.015731T其中：k=177mV/(mA•T)磁电阻大小R的计算：R=U2I2=796.92.56=311.2891Ω图表1磁感应强度B与磁电阻大小R的数据关系I(mA)U1(mv)I1(mA)U2(mv)I2(mA)B(T)R(Ω)07.12.55796.92.560.015731311.28913013.72.5800.62.510.03096318.96416018.92.36799.62.370.045246337.3849023.32.17799.72.180.060663366.834912026.51.98800.41.990.075615402.211115028.91.8799.51.810.090709441.712718030.91.65800.51.660.105804482.228921033.11.54799.71.530.121432522.679724035.91.49800.51.490.136124537.248327038.61.44800.81.450.151444552.275930041.51.41800.71.410.166286567.872333044.21.37799.31.370.182276583.430736046.91.34801.31.340.19774597.985139049.41.31799.91.310.21305610.610749057.51.23801.11.240.264113646.048459064.31.16799.61.160.31317689.310369070.11.09799.11.090.363344733.119379075.11.03801.21.030.411936777.864189080.10.98800.40.980.461778816.734790080.50.97800.30.970.468868825.05152、磁感应强度和磁电阻大小的关系曲线及曲线拟合图表2磁感应强度与磁电阻大小的关系曲线5由图像可以看出：当磁感应强度大小小于0.1T时，InSb磁电阻元件的磁电阻大小与磁感应强度大小的二次方成正比关系；当磁感应强度大小在0.1T与0.5T之间时，InSb磁电阻元件的磁电阻大小与磁感应强度大小成线性关系。下面是分段拟合时的曲线方程的表达式及式中参数：图表3二次方关系方程参数图表4直线关系方程参数【思考题】1、试举例说明磁电阻效应的应用。所谓磁电阻效应，是指对通电的金属或半导体施加磁场作用时会引起电阻值的变化。磁电阻主要用来制作各类传感器，例如位移传感器、转速传感器、位置传感器和速度传感器等。此外，磁电阻效应可以在硬盘当中作为磁头，探测每个磁存储单元产生的微弱磁场。另外，人们还利用巨磁电阻效应研制成了巨磁电阻随机存储器，它利用磁性材料的双稳性特征来存储信息，用磁电阻效应来读取数据，它的最大特性是一种非挥发性随机存储器，断电后存储数据不会丢失，只有在外界磁场下才会改变它的存储数据。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的变化情况。磁场为交变形式，一开始半导体内的载流子向一端偏转，若未到半导体材料表面时，磁场变为相反，则这部分载流子将会改变原来方向，有向另一端偏转的趋势，通过半导体的载流子将会增多，故测到的磁电阻将会比单一方向磁场测得磁电阻小。【实验总结】这次实验的测量需要磁电阻元件处于平行的磁场中，实验室中不能把两个磁极做的无穷大，通过让两个磁极之间的距离很小来保证磁电阻元件处于一个平行的磁场中，因此，磁电阻元件要做6的很小，对于磁场大小的测量，需要使用霍尔元件，而不能使用其他直接测量磁场大小的元件。实验操作过程中，对应每个电流值I，需要测量四组数据U1，I1，U2，I2，这四个数据中要保持U2（800mV）基本恒定，每次测量时要不断进行开关的切换，读取数据。数据处理时，磁电阻大小和磁感应强度的大小关系曲线随着磁感应强度大小的增加磁电阻大小呈现不同的增长方式，需要进行分段拟合，在用Origin软件进行曲线拟合时，就需要特别注意分段点两边数据拟合方式不同，得到拟合方程。