insb磁电阻特性研究

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1、材物08-1班郭亮亮08132119实验8-1InSb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（8-1-1）其中：(0)是零外场下的电阻率，(H)是外场下的电阻率。有时，上式也可以表示为（8-1-2）其中：R(0)是零外场下的电阻，R(H)是外场下的电阻。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

2、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：(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，

3、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。9图8-1-2几种典型的磁电阻效应图8-1-3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，、和均为正，并且有。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，

4、在较高的磁场区域，显示了饱和的趋势(曲线9Ｂ)，而和显示出各向异性，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，在洛仑兹力的作用下，沿外场方向作螺线运动，螺线的轴与方向平行，则载流子围绕该轴的角速度即回旋频率ωc为：(8-1-3)式中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：(8-1-4)其中：是电导率，为，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，

5、只有当，才能观察到正常磁电阻。应注意到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=，，根据(8-1-4)式，可得。要满足，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。图8-1-4图8-1-5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

6、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。9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

7、验仪器】MR-1型磁电阻效应测量装置磁感应强度B由下式给出（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。【实验步骤】1、调节InSb位置，使其刻度线处于磁线圈的中间位置，以后均保持此位置不变。2、调节励磁电流在0到400mA之间，每隔30mA测一点；大于400mA时每隔100mA测一次。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。3、将S合向GaAs，记下GaAs的电压U1，电流I1。4、当励

8、磁电流达到900mA时，停止计数，将励