半导体磁阻效应数据处理示例

磁阻效应磁阻器件由于其灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域应用十分广泛，如：数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统等。

磁阻器件品种较多，可分为正常磁电阻，各向异性磁电阻，特大磁电阻，巨磁电阻和隧道电阻等。

其中正常磁电阻的应用十分普遍。

锑化铟（InSb）传感器是一种价格低廉、灵敏度高的正常磁电阻，有着十分重要的应用价值。

它可用于制造在磁场微小变化时测量多种物理量的传感器。

本实验使用两种材料的传感器，砷化镓（GaAs）测量磁感应强度和研究锑化铟（InSb）在磁感应强度变化时的电阻，融合霍尔效应和磁阻效应两种物料现象。

实验目的（1）了解磁阻现象与霍尔效应的关系与区别；（2）测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系；（3）作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线。

实验仪器磁阻效应实验仪。

实验原理在一定条件下，导电材料的电阻R随磁感应强度B的变化规律称为磁阻效应。

当材料处于磁场中时，导体或半导体内的载流子将受洛伦兹力的作用发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍尔电场。

如霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛伦兹力作用刚好抵消，那么大于或小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，电阻增大，表现横向电阻效应。

通常以电阻率的相对该变量来表示磁阻的大小，即用)0(/ρρ∆表示，其中)0(ρ表示零磁场是的电阻率，设磁电阻阻值在磁感应强度为B 中的电阻率为)(B ρ，则)0()(ρρρ-=∆B ，由于磁阻传感器电阻的相对变化率)0(/R R ∆正比于)0(/ρρ∆，这里)0()(R B R R -=∆，因此也可以用磁阻传感器电阻的相对变化量)0(/R R ∆来表示磁阻效应的大小。

实验证明，当金属或半导体处于较弱磁场中时，一般磁阻传感器电阻相对变化率)0(/R R ∆正比于磁感应强度B 的平方，而在强磁场中)0(/R R ∆与磁感应强度B 呈线性函数关系。

FD-MR-II 磁阻效应实验仪使用说明一、 概述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 域应用十分广泛，如：数字式罗盘、交通车辆检测，导航系统、伪钞检测、位置测量等。

其中最典型的锑化铟（InSb ）传感器是一种价格低廉、灵敏度高的磁电阻，有着十分重要的应用价值。

本实 验装置结构简单、实验内容丰富，使用两种材料的传感器：利用砷化镓（GaAs ）霍耳传感器测量磁感应强度，研究锑化铟（InSb ）磁阻传感器在不同的磁感应强度下的电阻大小。

学生可观测半导体 的霍耳效应和磁阻效应两种物理规律，具有研究性和设计性实验的特点，可用于理工科大学的基础 物理实验和设计性综合物理实验，也可用于演示实验。

二、 仪器简介 仪器装置如下图所示:[100.□FD-MR-II 磁阻效应实验仪电磁铁直流电流源O O O数字电压表O OInSt 调节毫特计调零K 66InSbO O1固定及引线铜管;2. U型矽钢片;3•锑化铟（InSb ）磁阻传感器; 4. 砷化镓（GaAs ）霍耳传感器; 5. 电磁铁直流电流源显示; 6. 磁铁直流电流源调节; 7.数字电压显示;8.锑化铟磁阻传感器电流调节; 9 .电磁铁磁场强度大小显示;10.电磁铁磁场强度大小调零;4 3 2Q数字电压表O O外接电阻电磁铁直流电流源O O11.1和2是给锑化铟传感器提供小于3mA直流恒流电流源;3和4是给砷化镓传感器提供电压源；5和6是砷化镓传感器测量电磁铁间隙磁感应强度大小；7为悬空；12 •单刀双向开关；13.单刀双向开关接线柱。

为航空插头说明三、技术指标1•双路直流电源：直流电源I:电流0—500m A连续可调，数字电流表显示输出电流大小。

直流电源II :输出电流0 —3m A连续可调，供锑化铟传感器的工作电流。

电流与所选取的外接电阻的乘积小于2V。

2•数字式毫特仪：测量范围0~0.5T，分辨率0.0001T，准确度为1%。

一、实验目的1. 理解磁电阻效应的基本原理和现象。

2. 掌握磁电阻效应实验的基本操作和数据处理方法。

3. 分析磁电阻效应在不同材料中的表现，了解其应用前景。

二、实验原理磁电阻效应是指当金属或半导体材料受到磁场作用时，其电阻值发生变化的现象。

根据磁电阻效应的原理，本实验主要分为以下三个部分：1. 磁阻效应：当磁场垂直于电流方向时，电阻值随磁场强度的增加而增加。

2. 巨磁电阻效应（GMR）：在多层膜结构中，由于电子的隧穿效应，当相邻两层膜的磁化方向相反时，电阻值显著降低。

3. 隧道磁电阻效应（TMR）：在隧道结中，当电子隧穿穿过绝缘层时，电阻值随磁场强度的变化而变化。

三、实验仪器与材料1. 实验仪器：磁电阻效应实验仪、磁场发生器、电流表、电压表、信号发生器、示波器、计算机等。

2. 实验材料：磁阻材料、多层膜材料、隧道结材料等。

四、实验步骤1. 磁阻效应实验：（1）将磁阻材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析磁阻效应。

2. 巨磁电阻效应（GMR）实验：（1）将多层膜材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析巨磁电阻效应。

3. 隧道磁电阻效应（TMR）实验：（1）将隧道结材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析隧道磁电阻效应。

五、实验数据与结果1. 磁阻效应实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 1500.3 2000.4 2500.5 3002. 巨磁电阻效应（GMR）实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 500.3 200.4 100.5 53. 隧道磁电阻效应（TMR）实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 500.3 200.4 100.5 5六、实验分析与讨论1. 磁阻效应实验结果表明，随着磁场强度的增加，磁阻材料的电阻值逐渐增加。

五、实验数据及处理1.GMR模拟传感器的磁电转换特性测量以B为横坐标，输出电压U为纵坐标，作图得：误差分析：（1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内，反应在图像上就是最低处的输出都在y轴上，实际上应当是分别分布在y轴左右两侧的；（2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响；（3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；2. GMR的磁阻特性曲线的测量根据实验数据由公式B = μ0nI算得的磁感应强度，由R=U/I算得的电阻如下表所示：（磁阻两端电压U=4V）作图如下：误差分析：（1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内，反应在图像上就是最高处的输出都在y轴上，实际上应当是分别分布在y轴左右两侧的；（2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响；（3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；3. GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量实验数据及由公式B = μ0nI算得的磁感应强度如下表所示：误差分析：（1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内；（2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响；（3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；4.用GMR传感器测量电流低磁偏置25mV适当磁偏置150mV作图如下误差分析：（1）操作中，设置低磁偏置和适当磁偏置时，由于输出电压对偏置磁铁的位置变动很灵敏，故初始磁偏置时的输出电压距离要求会有误差；（2）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内；（3）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响；（4）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；（5）测量适当磁偏置时，减小励磁电流时的初始电流300mA对应的输出电压偏离直线较多，可能由于操作原因，比如偏置磁铁的不稳定或触碰等。

实验1： 磁阻效应实验一、 实验目的测量锑化铟传感器的电阻和磁感应强度的关系；作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线； 对此关系曲线的非线性区域和线性区域进行曲线和直线拟合。

二、 实验内容在锑化铟传感器的电流保持不变的条件下，测量锑化铟传感器的的电阻和磁感应强度的关系，作出/(0)R R ∆与感应强度B 的关系曲线，并进行曲线拟合。

三、 实验原理一定条件下，导电材料的电阻值R 随磁感应强度B 变化规律称为磁阻效应。

当半导体处于磁场中时，半导体的载流子将受洛仑兹力的作用发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍耳电场。

如果霍耳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运动的载流子数量将减小，电阻增大，表现出横向磁阻效应。

通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小，即用/(0)ρρ∆表示。

其中(0)ρ为零磁场时的电阻率。

设磁电阻电阻值在磁感应强度为B 的磁场中电阻率为(B)ρ，则()(0)B ρρρ∆=-。

由于磁阻传感器电阻的相对变化率/(0)R R ∆正比于/(0)ρρ∆，这里R R()(0)B R ∆-＝因此也可以用磁阻传感器的电阻相对改变量/(0)R R ∆来表示磁阻效应的大小。

测量磁电阻值R 与磁感应强度的关系实验装置如图所示：实验证明：当金属或半导体处于较弱磁场中时，一般磁阻传感器电阻相对变化率/(0)R R ∆正比于磁感应强度B 的二次方，而在强磁场中/(0)R R ∆与磁感应强度B 呈线性函数关系。

四、 实验组织运行要求本实验采用集中与开放相结合方式运行。

即导论课时以讨论和练习为主的集中模式进行，操作课时以自主训练为主的开放模式进行。

五、 实验条件FD －MR －II 型磁阻效应实验仪，电阻箱，导线若干 仪器面板图接线如下：六、 实验步骤按实验装置图连接导线，连接时注意要自备电阻箱和注意电压正负极；调节电磁铁直流电流源，使电流I M 为零，调节毫特计调零旋钮，使示数为零。

半导体材料的磁阻效应概述及解释说明1. 引言1.1 概述半导体材料的磁阻效应是指在外部磁场作用下，材料内部电导率发生变化的现象。

这一现象被广泛应用于磁存储器、传感器和逻辑门等领域。

随着科技的快速发展，对于半导体材料的磁阻效应进行深入研究已成为一个重要课题。

1.2 文章结构本文主要分为五个部分来讨论半导体材料的磁阻效应。

首先，我们将介绍磁阻效应的基本概念，包括其定义、比例性质和分类等。

接着，我们会详细探讨半导体材料中的磁阻效应，包括半导体材料简介、自旋运动以及与磁场调控相关的磁隧穿效应。

然后，我们将解释并说明半导体材料的磁阻效应机制，包括自旋霍尔效应解释、瞬态反常霍尔效应解释以及自旋位移电流解释和提高方法探讨。

最后，在结论与展望部分，我们将总结归纳本文所讨论的半导体材料的磁阻效应特点和机制解释方法，并提出未来发展方向和可能的应用领域。

1.3 目的本文旨在系统地介绍半导体材料的磁阻效应及其机制，以加深对该现象的理解。

通过本文的阐述，读者将能够了解磁阻效应的基本概念、半导体材料中存在的自旋运动和磁场调控等因素，并进一步探索其背后的物理原理。

同时，我们希望通过这篇文章能够激发更多关于半导体材料磁阻效应方面实验与理论深入研究以及寻找新的应用领域的兴趣。

2. 磁阻效应的基本概念2.1 磁阻效应定义磁阻效应是指在电流通过一个材料时，由于磁场的存在，产生能够改变材料电阻大小的现象。

简单来说，当磁场作用于材料时，材料的电阻会发生变化，这种变化即为磁阻效应。

2.2 磁阻比例性质磁阻效应通常包括正常磁阻和反常磁阻两种情况。

在正常磁阻中，随着施加的外部磁场强度增大，材料电阻也会增大；而在反常磁阻中，则是随着外部磁场强度增大，材料电阻会减小。

不同材料和结构可以表现出不同种类的磁阻比例性质。

2.3 磁阻效应分类根据具体表现形式以及机制解释方式的不同，可以将磁阻效应分为多种类型。

其中一些主要类型包括：a. 霍尔效应：霍尔效应是指在垂直于电流方向和外部磁场方向之间存在差异时产生的电压差。