半导体材料的磁电阻效应研究
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、伪钞检别、位置测量等探测器。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，巨磁电阻和隧道磁电阻等。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。本实验装置结构简单，实验内容丰富，使用两种材料的传感器：砷化镓 (GaAs)测量磁感应强度，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理现象，具有科学研究的前瞻性，特别适合大学物理实验。
【实验仪器】
磁阻效应实验仪
【实验目的】
1、了解磁阻现象与霍尔效应的关系与区别；
2、了解并掌握FB512型磁阻效应实验仪的工作原理与使用方法； 3、了解电磁铁励磁电流和磁感应强度的关系及气隙中磁场分布特性； 4、测定磁感应强度和磁阻元件电阻大小的对应关系，研究磁感应强度与磁阻变化的函数关系。
【实验原理】
在一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化规律称为磁阻效应。在该情况下半导体内的载流子将受洛仑茨力的作用，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仑茨力作用刚好抵消，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目将减少，电阻增
大，表现出横向磁阻效应。如果将图1 中A, B端 图1 霍尔效应原理图 短接，霍尔电场将不存在，所有电子将向A端偏转，也表现出磁阻效应。通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻??/?(0)，为零磁场时的电阻率，?????B????0?, 而
?RR?0??????0? , 其中?R?R?B??R?0?。
通过理论计算和实验都证明了磁场较弱时，一般磁阻器件的?RR?0?正比于B的两当半导体材料处于弱交流磁场中，因为?RR?0?正比于B的二次方，所以R也随时
次方，而在强磁场中?RR?0?则为B的一次函数。 间周期变化。 ?RR?0??k?B
2假设电流恒定为I0 ，令B?B0cos? t（其中k为常量），于是有:
R(B)?R(0)??R ?R(0)?R(0)? ?R(0)?
?R2 ?R(0)?R(0)?k?B0?cos2? t (1)R(0)1122R(0)?k?B0?R(0)?k?B0?cos2? t2211?2?2V(B)?I0?R(B) ?I0?R(0)?R(0)?k?B0?I?R(0)?k?B?cos2? t (2)00?22??~ ?V(0)?V?cos2? t由（１）式可知磁阻上的分压为B振荡频率两倍的交流电压和一直流电压的叠加。
FB512型磁阻效应实验仪由测试仪和实验仪二部分组成。图2为FB512型磁阻效应实验仪实体图。
图2
图2磁阻效应实验仪 主要技术参数：
（1）励磁电流：0~1000mA连续可调； （2）霍尔、磁阻传感器工作电流0~5mA； （3）传感器水平位移范围?20mm。
【实验内容】
1、测定励磁电流和磁感应强度的关系： （1）测量励磁电流IM与UH的关系。（测量电磁铁的磁化曲线）按图3接线图，把各相应连接线接好（七根导线），闭合电源开关。IM?500mA，KH?177mV/(mA?T) （2）安装在一维移动尺上的印刷电路板（焊接传感器用），左侧的传感器为霍尔传感器 砷化镓 (GaAs)，右侧为锑化铟(InSb)磁阻传感器。往左方向调节一维移动尺，使霍尔传感器在电磁铁气隙最外边，离气隙中心20mm左右。
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图3 测量电磁铁的磁化曲线连接图
（3）调节霍尔工作电流IH?5.00mA,预热５分钟后，测量霍尔传感器的不等位电压
U0?1.8 mV 。然后再往右调节一维移动尺，使霍尔传感器位置处于电磁铁气隙中心位
置（即一维移动尺下面的“0”位指示线对准一维移动尺上面的“0”位再往左2mm位置），实戏验仪面板上继电器控制按钮开关K1和K2均按下。分别调节励磁电流为0、100、
200、300、400、…1000mA。记录对应数据并绘制电磁铁磁化曲线。
2、测量电磁铁气隙磁场沿水平方向的分布:
调节励磁电流IM?500mA , IH?5.00mA时，测量霍尔输出电压UH与水平位置
X的关系。
3、测量磁感应强度和磁阻变化的关系:
（1）调节磁阻传感器位置，使传感器位于电磁铁气隙中心位置，把励磁电流先调节为0，释放K1、K2 ，按下K3，K4打向上方。在无磁场的情况下，调节磁阻工作电流I2，使仪器数字式毫伏表显示电压U2?800.0mV，记录此时的I2数值，此时按下K1、K2，记录霍尔输出电压UH，改变K4方向再测一次UH值，以次记录数据。各开关回复原状；
（2）按上述步骤，逐步增加励磁电流，改变I2，在基本保持U2?800.0mV不变的情况下，重复以上过程，把一组组数据分别记录到表格中。表3中有关计算公式如下： B?U1K?I1 式中K?177mV?mA?T?
R?U2I2 , R(0)?382.8? , ?R?R(B)?R(0) 【数据与结果】
1、测定励磁电流和磁感应强度的关系:
表１电磁铁磁化曲线数据表格 IM(mA) 0
UH1(mV)正向 UH1(mV)反向 2
UH1(mV)平均 B(mT) 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 根据表格中数据作B~IM关系曲线。
2．测定电磁铁气隙沿水平方向的磁场分布:
表2电磁铁气隙沿水平方向的磁场分布数据表格 X(mm) -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Um(mV)正 Um(mV)反 Um(mV)平均 B(mT) 根据表格中数据作B~X关系曲线
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3、测量磁感应强度和磁阻变化的关系:
表3测量磁感应强度和磁阻变化的关系 IM(mA) 0 30 . . . . . . . . . . . . . GaAs InSb U1(mV)I1(mA)U2(mV)I2(mA)正、反平均 B??R/R(0) B(T) R(?) ?R/R(0) 1000 （1）根据表格中数据作B??R/R(0)关系曲线；
（2）观察并分析曲线中描述变量间的函数关系，分段研究非线性与线性区域的函数关系，用最小二乘法求出变量间的相关系数及函数表达式； （3）写出你对实验结果的结论。
【注意事项】
如果在频繁转换K1、K2时,出现U2数据不稳定造成读数困难,这是由于霍尔元件工作电流时通时断,其温度不稳定,而半导体器件一般对温度变化较敏感，从而造成电阻值不稳定,而工作电流是恒流源,所以其两端的电压U2(mV)会随着变化(非磁场引起的变化),在这种情况下,可采取的办法如下:
(1)把磁阻效应（InSb）与霍尔效应(GaAs)的测量分别进行。先测出励磁电流从
0~1000mA时对应的U2(mV)、I2(mA)数值，逐项记入表格3 ；
(2)然后逐渐减小励磁电流，从1000mA~0，在减小励磁电流的过程中，用换向开关多次改变励磁电流方向，从而起到消除铁芯剩磁的作用；
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(3)把励磁电流IM(mA)、霍尔元件工作电流I1(mA)调节到与磁阻效应测量时
IM(mA)、I2(mA)相同的值，从小到大，调节励磁电流，对应每一组数据，改变一次励磁
?(mV)； 电流方向，分别测出对应的正、负方向的霍尔电压值U1(mV)、U1 (4)求得霍尔电压值的平均值U1(mV)??U1?U1(mV)，逐项记入表格3 ；其余步骤不变。
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