_磁电阻特性_实验报告
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实验8-1 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(Magneto Resistance ，MR )通常定义为
)
0()
0()()
0(R R B R R R -=
∆ （8-1-1）
其中：R （0）是零外场下的电阻，R （B ）是外场B 下的电阻。
有时，上式也可以表示为 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、与技术磁化相联系的各向异性磁电阻、掺杂稀土氧化物中特大磁电阻、磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻、以及隧道磁电阻等。
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。
图8-1-1 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，//ρ∆、T ρ∆和⊥ρ∆均为正，并且有//ρρ>T 。
正常磁电阻与外场的关系如图8-1-2 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，在较高的磁场区域，//ρ∆显示了饱和的趋势(曲线
Ｂ)，而T ρ∆和⊥ρ∆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：
*
=
m
eB
c μω (8-1-2)
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：
ne
B c c μσ
τωθ0
=
= (8-1-3)
其中：0σ是电导率，为*
=m ne τσ20，n 是载流子的密度(cm -3),τ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 θ，才能观察到正常磁电阻。
应注意到1>c θ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=3
28
105.8-⨯cm
，1
1
7
0104.6--⨯=m
Ω
σ，根据 (8-1-3) 式，可得
H θ3
10
3.8-⨯=c 。
要满足1>c θ，需要大于1200 KOe [1Oe=1000/4
A ／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。
【实验仪器】
MR-1型磁电阻效应测量装置（上海大学）， “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（U 1），“恒流输出”窗口显示GaAs 霍尔元件的工作电流（I 1）；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（U 2），“恒流输出”窗口显示InSb 磁电阻元件的工作电流（I 2）。
图8-1-2
磁感应强度B 由下式给出
1
1kI U B =
（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（U 2）和工作电流（I 2），而且，对于每个励磁电流，都应保持U 2（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（B<0.1T 、B>0.14T ）进行曲线拟合。
【数据处理】
1、 磁感应强度B 与磁电阻关系曲线
已知磁感应强度B 满足1
1kI U B =
，磁电阻可由R （B ）=U 2/I 2，
)
0()
0()()
0(R R B R R R -=
∆求
得，那么可得磁感应强度B 与磁电阻数据，如表1所示。
表1 磁感应强度与磁电阻数据
图1 磁感应强度与磁电阻关系曲线
2、对磁感应强度与磁电阻关系曲线分段拟合
对图1中的曲线进行分段拟合,如图2所示。
图2 分段拟合曲线
根据拟合结果可知：
当B<0.11T时，拟合方程为y=30.491x2+2.084x-0.015
当B>0.30T时，拟合方程为y=2.543x+0.269
【思考讨论】
1、试举例说明磁电阻效应的应用。
由于磁电阻的大小随磁场的改变而改变，可以制成类似霍尔原件的器件来测磁场强度的大小；根据巨磁电阻变化显著的特性可以在信息存储方面有所应用，如硬盘。
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。
当磁场变化频率不高时，磁电阻会随电场的改变而缓慢改变；当外磁场变化频率较高时，载流子的运动需要一定时间。
外场不断变化会导致载流子无法迅速的移动，无法形成稳定的霍尔电场，载流子通过数目增加，磁电阻减小。
3、注意事项。
霍尔原件与lnSb原件的位置相对固定且磁场相同，保证霍尔原件所测得的磁场与lnSb 原件所处磁场相同。
每次改变励磁电流都要保证，lnSb原件的电压为800V基本不变。
【原始数据】
霍尔元件灵敏度为K=174mV/mAT。
