磁电阻测量实验报告.docx
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磁电阻测量实验报告
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磁电阻测量实验报告
篇一：
巨磁电阻实验报告
实验报告班
姓名张涛学号1003120505指导老师徐富新
实验时间20XX年5月25日，第十三周，星期日
篇二：
_磁电阻特性_实验报告
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
?
RR（0）
?
R（b）?
R（0）
R（0）
（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，?
?
//、?
?
T和?
?
?
均为正，并且有?
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，?
?
//显示了饱和的趋势（曲线
图8-1-2
Ｂ），而?
?
T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：
?
c?
eb
?
?
m
?
（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：
?
c?
?
c?
?
b?
?
ne
（8-1-3）
2?
其中：
?
0是电导率，为?
0?
ne?
m，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?
c?
1，才能观察到正常磁电阻。
应注意到?
c?
1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=8.5?
10?
c?
8.3?
10
?
3
28
cm
?
3
7
，?
0?
6.4?
10?
?
1
m
?
1
，根据（8-1-3）式，可得
A／m]的磁场，这在
?
。
要满足?
c?
1，需要大于1200Koe[1oe=1000/4
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（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
b?
u1kI1
（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（b0.14T）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b?
u1kI1
，磁电阻可由R（b）=u2/I2，
?
RR（0）
?
R（b）?
R（0）
R（0）
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：
【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。
当b0.30T时，拟合方程为y=2.543x+0.269
【原始数据】
霍尔元件灵敏度为K=174mV/mAT
篇三：
磁阻效应实验报告
近代物理实验报告
专业20XX级应用物理学班级
（2）指导教师彭云雄姓名同组人
实验时间20XX年12月23日实验地点K7-108实验名称磁阻效应实验
一、实验目的
1、
2、
3、
4、测量电磁铁的磁感应强度与励磁电流的关系和电磁铁磁场分布。
测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系。
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分别进行拟合。
二、实验原理
图1磁阻效应原理
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。
如图1所示，当半导体处于磁场中时，导体或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少，电阻增大，表现出横向磁阻效应。
若将图1中a端和b端短路，则磁阻效应更明显。
通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小，即用Δρ/ρ（0）表示。
其中ρ（0）为零磁场时的电阻率，设磁电阻在磁感应强度为b的磁场中电阻率为ρ（b），则Δρ=ρ（b）-ρ（0）。
由于磁阻传感器电阻的相对变化率ΔR/R（0）正比于Δρ/ρ（0），这里ΔR=R（b）-R（0），因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量ΔR/R（0）来表示磁阻效应的大小。
图2
图2所示实验装置，用于测量磁电阻的电阻值R与磁感应强度b之间的关系。
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ΔR/R（0）正比于磁感应强度b的平方，而在强磁场中ΔR/R（0）与磁感应强度b呈线性关系。
磁阻传感器的上述特性在物理学和电子学方面有着重要应用。
如果半导体材料磁阻传感器处于角频率为ω的弱正弦波交流磁场中，由于磁电阻相对变化量ΔR/R（0）正比于b，则磁阻传感器的电阻值R将随角频率2ω作周期性变化。
即在弱正弦波交流磁场中，磁阻传感器具有交流电倍频性能。
若外界交流磁场的磁感应强度b为
b=b0cosωt
（1）
（1）式中，b0为磁感应强度的振幅，ω为角频率，t为时间。
2设在弱磁场中ΔR/R（0）=Kb
（2）
（2）式中，K为常量。
由
（1）式和
（2）式可得
R（b）=R（0）+ΔR=R（0）+R（0）×[ΔR/R（0）]
22=R（0）+R（0）Kb0cosωt2
1212R（0）Kb0+R（0）Kb0cos2ωt（3）22
1122（3）式中，R（0）+R（0）Kb0为不随时间变化的电阻值，而R（0）Kb0cos2ωt为以角频22=R（0）+
率2ω作余弦变化的电阻值。
因此，磁阻传感器的电阻值在弱正弦波交流磁场中，将产生倍频交流电阻阻值变化。
三、实验仪器
hLD-mRe-II型磁阻效应实验仪：
包括直流双路恒流电源、0-2V直流数字电压表、电磁铁、数字式毫特仪（gaAs作探测器）、锑化铟（Insb）磁阻传感器等组成。
四、实验内容和步骤
１．测量电磁铁励磁电流Im与电磁铁气隙中磁感应强度b的关系（测量电磁铁磁化曲线）
1）对准航空插头座缺口方向,用双头航空插头线连接实验装置和实验仪传感器接
口，传感器固定印板转出电磁铁气隙,（以减小电磁铁矽钢片残磁影响），预热10分钟后调零毫特仪，使其显示0.0mT。
2）连接电磁铁电流输入线，置传感器印板于电磁铁气隙中,将电磁铁通入电流，调
励磁电流变化依次为：
0,100,200…800mA。
记录励磁电流和电磁感应强度在表1中，并绘制电磁铁磁化曲线，
其中励磁电流Im=0时，b≠0，表明电磁铁有剩磁存在。
请在这插入折线图
2.测量磁感应强度和磁电阻大小的关系
1）按图2所示将锑化铟（Insb）磁阻传感器与外接电阻（接线柱上已装电阻，也可外
接电阻箱）串联，并与可调直流电源相接，数字
电压表的一端连接磁阻传感器和电阻（或电阻箱）公共接点，作为测量参考点，单刀双向开关可分别与串接电阻、磁电阻Insb切换，用于测量它们的端电压。
2）由测量磁阻传感器的电流及其两端的电压，求磁阻传感器的电阻R；调节通过电磁
铁的电流，改变电磁铁气隙中磁场，由毫特仪读出相应的b，求出ΔR/R（0）与b的关系。
作ΔR/R（0）与b的关系曲线，并进行曲线拟合。
一般地，可保持锑化铟磁阻传感器电流或电压不变的条件下，测量锑化铟磁阻传感器的电阻与磁感应强度的关系。
（实验时注意gaAs和Insb传感器工作电流应 取样电流I取的确定可按如下方法：
例如取样电阻标称值为300Ω，而经测量接线柱上外接取样电阻实际值为R=298.9Ω，可调节电流，使电阻两端电压u=298.9mV；
则电流I取=u298.9==1.00mA；R298.9
3）实验步骤
（a）如图2所示连接好导线。
单刀开关向上接通测量外接电阻电压，根据取样电阻的阻值确定取样电流，调节Insb电流调节旋钮，使电压测量值为u=300.0mV，则Insb磁电阻和外接电阻通入的电流为1.00mA,单刀开关向下接通测量Insb磁电阻两端的电压时，因电流方向显示的电压为负值，记录数值时无须记录。
（b）实验样品固定印板置于电磁铁气隙中，电磁铁励磁电流调为0开始实验测量，此时的磁场很小，忽略不计，此时测得的电阻值为实验样品的R（0），实验中可经常观测外接电阻两端电压是否变化来表明Insb电流的稳定情况。
实验记录表格如下：
请在这插入折线图
对ΔR/R与b关系曲线图的分析：
1、在b 令ΔR/R（0）＝kbn，则ln（ΔR/R（0））=nlnb+lnk
用双对数坐标纸经直线拟合后得：
n＝1.97，可知在b 2与磁感应强度b近似成二次函数关系。
在b 2、b>120mT时：
n1令ΔR/R（0）＝k1b，则ln（ΔR/R（0））=n1lnb+lnk1
用双对数坐标纸经直线拟合后得：
n1=0.8，可知在b>0.12时磁阻变化率ΔR/R（0）与磁感应强度b近似成一次函数关系。
在b>0.12T时，拟合得到ΔR/R（0）=1.72b+0.14相关系数r=0.9996
五、注意事项
锑化铟磁阻传感器作为半导体材料温度系数较大，即对温度变化很敏感，所以实验时下列因素会影响实验数据：
1、实验室环境温度
2、电磁铁的温升
3、锑化锢的工作电流
故经测量在不同的室温条件下其常态电阻差异性很大；为了减少电磁铁的温升实验数据测量应快一些，不宜长时间通电实验，更不应使电磁铁长时间处在大电流工作状态；通过实验样品的电流要取小一些，可有效减小其温升，从而使电阻值相对稳定。
实验时可改变励磁电流的方向说明磁阻传感器的电阻变化与磁场强度的大小有关,而与磁场方向无关.可解释倍频效应的原因.
六.实验小结：
教师评语：
1.实验预习：
（认真、较认真、一般、较差、很差）；
占30%
2.原始数据及实验结果：
（准确合理、较准确、不合理）；占
30%
3.误差分析或作图：
（规范、中等、不规范）；占20%
4.卷面整洁度：
（很好、较好、中等、较差、很差）；
占20%
评定等级：
（）教师签名：
日期：
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