近代物理实验一一物理实验教学中心 实验15巨磁阻材料的磁阻效应 引言 磁敏电阻效应是指某些材料的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。 如图1所示，当半导体处于磁场中时，半导体中的载流子将受洛仑兹力的作用，发生 偏转，在A,B两端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 (DC)运动的载流子数量将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应（沿DC方向）。 磁阻效应01 6 ++++ +++ B 图1 如果将图1中A端和B端短路，霍尔电场将不存在，所有电子将向B端偏转，使DC方 向的电阻变得更大，因而磁阻效应加强。所以，霍耳效应比较明显的样品，磁阻效应就小： 反之，霜耳效应比较小的样品，磁阻效应就大。 磁场引起的电阻率变化：△p=p(H川-p(O),p(H)和p(O)分别表示在磁场H中和 无装场时申阻率 磁电阻的大小常表示为：MR=△P p0X10O6,MR是Magetorty的缩写 实际测量中，常用磁阻器件的磁电阻相对改变量0 △R 来研究磁阻效应 △R △0 △RR(B)-R(O) R(O) 其中R(B)为磁场为B时样品的磁电阻，R(O)为零磁场时样品的磁电阻 理论和实验都证明，对于一般正常磁电阻器件，磁阻相对改变量 在磁场较弱时与所 R(O) 加磁场B的平方成正比，而在强磁场时与B成正比。 绝大多数非磁性导体的MR很小，约为10%。磁性导体的MR最大约为3~5%，且电 阻率的变化与磁场方向与导体中电流方向的夹角有关，即具有各向异性，称为各向异性磁电 阻(Anisotropy Magnetoresistance,.记为AMR)。1988年，法国巴黎大学Albert Fert教授研究 组，从英国物理学家N.FMot提出的磁性金属电现象的模型出发，设计了一种多层薄膜结构
近代物理实验 —— 物理实验教学中心 实验 15 巨磁阻材料的磁阻效应 引 言 磁敏电阻效应是指某些材料的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。 如图 1 所示，当半导体处于磁场中时，半导体中的载流子将受洛仑兹力的作用，发生 偏转，在 两端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少，电阻增大，表现出横向磁阻效应(沿 方向)。 A B, DC DC 图 1 如果将图 1 中 端和 A B 端短路，霍尔电场将不存在，所有电子将向 B 端偏转，使 DC 方 向的电阻变得更大，因而磁阻效应加强。所以，霍耳效应比较明显的样品，磁阻效应就小； 反之，霍耳效应比较小的样品，磁阻效应就大。 磁场引起的电阻率变化： ( ) (0) H ，( ) H 和 (0) 分别表示在磁场 H 中和 无磁场时电阻率。 磁电阻的大小常表示为： 100% (0) MR , MR 是 Magnetoresistivity 的缩写 实际测量中，常用磁阻器件的磁电阻相对改变量 (0) R R 来研究磁阻效应 由于 (0) (0) R R —— ( ) (0) (0) (0) R RB R R R 其中 R( ) B 为磁场为 B 时样品的磁电阻， R(0) 为零磁场时样品的磁电阻。 理论和实验都证明,对于一般正常磁电阻器件,磁阻相对改变量 (0) R R 在磁场较弱时与所 加磁场 B 的平方成正比，而在强磁场时与 B 成正比。 绝大多数非磁性导体的 MR 很小，约为 10‐5 %。磁性导体的 MR 最大约为 3～5%，且电 阻率的变化与磁场方向与导体中电流方向的夹角有关，即具有各向异性，称为各向异性磁电 阻(Anisotropy Magnetoresistance, 记为 AMR)。1988 年，法国巴黎大学 Albert Fert 教授研究 组，从英国物理学家 N.F.Mott 提出的磁性金属电现象的模型出发，设计了一种多层薄膜结构
近代物理实验一一物理实验教学中心 并在分子束外延制备的Fe/Cr多层膜中发现MR可达50%。其值远大于通常的AMR,成功地 “放大”了磁电阻现象。并且在薄膜平面上磁电阻是各向同性的。称为巨磁电阻(Giat Magnetoresistance),简记为GMR。 实验目的 1理解并掌握用欧姆定律直接测量电阻值方法，学习掌握用四端法减少引线电阻带来的误 差。 2通过测绘二种类型的磁敏电阻元件：锑化铟和自旋性金属多层薄膜的磁电阻与磁场强 度关系曲线。 3验证半导体InSb磁敏电阻(SMR)的阻值变化与外加磁场强度成偶函数关系。 1)弱磁场下，磁敏电阻元件的电阻值与磁场大小成平方关系 2)大于磁场强度B0后，磁敏电阻的阻值与磁场强度成线性关系 4验证自旋性金属多层薄膜巨磁电阻(GMR)的阻值与外加磁场强度成奇函数关系， 1)磁敏电阻元件的电阻值与磁场强度基本成线性关系 2)磁敏电阻阻值不仅与磁场强度有关、也和磁场方向有关 3引测量GMR元件的饱和磁场，即当外加磁场强度大于某个值后，磁敏电阻元件进入磁饱 和区，它的电阻值基本不变。 实验原理 金屈和合金一般都有磁电阻现象，所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象，人们 把这种现象称为磁电阻。 磁敏电阻效应是指某些材料的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。同霍尔效应一样 磁敏电阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某一速度的 载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载 流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流 子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减 少，从而使电阻增加。这种现象称为磁敏电阻效应 △R/R(%) 若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁敏 电阻效应：若外加磁场与外加电场平行，称为纵应 磁敏电阻效应。一般情况下，载流子的有效质量的 驰豫时时间与方向无关，叫纵向磁成强度不引起拔 流子偏移，因而无纵向磁敏电阻效应。SMR磁绿 电阻元件，所用材料为半导体InSb,它的阻值变 平方区域 化与外加磁场强度成偶函数关系： 线性区 GMR巨磁敏 线性区域 电阻元件，所用材料为自旋性多层金属，它的阻值 3 变化与外加璧场强度成奇函数关系 1半导体InSb磁敏电阻元件与磁场强度关系曲 -30-20上-10 0102030 图2偶函数关系的△RRB曲线
近代物理实验 —— 物理实验教学中心 并在分子束外延制备的 Fe/Cr 多层膜中发现 MR 可达 50%。其值远大于通常的 AMR，成功地 “放大”了磁电阻现象。并且在薄膜平面上磁电阻是各向同性的。称为巨磁电阻（Giant Magnetoresistance）, 简记为 GMR。 实验目的 1 理解并掌握用欧姆定律直接测量电阻值方法,学习掌握用四端法减少引线电阻带来的误 差。 2 通过测绘二种类型的磁敏电阻元件: 锑化铟和自旋性金属多层薄膜的磁电阻与磁场强 度关系曲线。 3 验证半导体 InSb 磁敏电阻(SMR)的阻值变化与外加磁场强度成偶函数关系。 1) 弱磁场下,磁敏电阻元件的电阻值与磁场大小成平方关系 2) 大于磁场强度 Bo 后,磁敏电阻的阻值与磁场强度成线性关系 4 验证自旋性金属多层薄膜巨磁电阻(GMR)的阻值与外加磁场强度成奇函数关系。 1) 磁敏电阻元件的电阻值与磁场强度基本成线性关系 2) 磁敏电阻阻值不仅与磁场强度有关、也和磁场方向有关 3) 测量 GMR 元件的饱和磁场，即当外加磁场强度大于某个值后,磁敏电阻元件进入磁饱 和区，它的电阻值基本不变。 实验原理 金属和合金一般都有磁电阻现象，所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象，人们 把这种现象称为磁电阻。 △R/R(%) 平 方 区 域 平 方 区 域 线 性 区 域 线 性 区 域 磁敏电阻效应是指某些材料的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。同霍尔效应一样， 磁敏电阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某—速度的 载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载 流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流 子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减 少，从而使电阻增加。这种现象称为磁敏电阻效应。 若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁敏 电阻效应；若外加磁场与外加电场平行，称为纵向 磁敏电阻效应。一般情况下，载流子的有效质量的 驰豫时时间与方向无关，则纵向磁感强度不引起载 流子偏移，因而无纵向磁敏电阻效应。SMR 磁敏 电阻元件，所用材料为半导体 InSb，它的阻值变 化与外加磁场强度成偶函数关系； GMR 巨磁敏 电阻元件，所用材料为自旋性多层金属，它的阻值 变化与外加磁场强度成奇函数关系。 1 半导体 InSb 磁敏电阻元件与磁场强度关系曲 线 图 2 偶函数关系的△R/R-B 曲线
近代物理实验一一物理实验教学中心 品与外道场B的关系红国？所示。 SMR磁敏的半导体ISb磁敏电阻元件对外加磁场，只与磁场强度有关，与磁场方向无 关，在以零磁场为轴线，磁场正负对称变化时，电阻变化是一样的（偶函数关系）： 外加磁场较小时， A与场强度的平方成正比（抛物线顶部： R(O) 当外加磁场大于某个数值后， A迟与外加磁场强度之间成线性关系。 R(O) 运用“外加磁场较小时R○ AR 与磁场强度的平方成正比（抛物线顶部非线性区域）”，半 导体ISb磁敏电阻元件的这个特点，可以用来设计混频器。 2自旋性多层金属薄膜磁敏电阻元件(GMR)与磁场强度关系曲线 1230 1200 1170 -20e 20e 外加磁场强度 图3GMR巨磁阻元件的△R/R-B曲线 对于GMR磁敏电阻元件，根据所用材料、生成工艺，它们的电阻值与磁场强度关系是 不一样的。实验中所用的自旋性多层金属薄膜型GMR磁敏电阻元件，在一定的测试电流条 件下其电阻的相对变化率 A与外加磁场B的关系如图3所示（并非是偶函数关系）， R(O) 自旋性多层金属薄膜磁敏电阻，当外加磁场从·正向加大时， 盛场从0反向加大时，得为负。即在某范国内相对于悠场从负到正变化时，电圆 变化是单调线性的，并相对于零磁场是反向对称的（奇函数关系】 外加磁场较小时 △R 与磁场强度的成正比： R(0) 当外加磁场大于某个正数值或者小于某个负值后， △R R(O) 几乎不变。 4) 在零缆场附近的存在较宽的线性区域，因此它可用作为线性磁场传感器
近代物理实验 —— 物理实验教学中心 (0) R R 与外加磁场 B 的关系如图 2 所示。 SMR 磁敏的半导体 InSb 磁敏电阻元件对外加磁场，只与磁场强度有关，与磁场方向无 关，在以零磁场为轴线，磁场正负对称变化时，电阻变化是一样的（偶函数关系）； 外加磁场较小时， (0) R R 与磁场强度的平方成正比(抛物线顶部)； 当外加磁场大于某个数值后， (0) R R 与外加磁场强度之间成线性关系。 运用“外加磁场较小时 (0) R R 与磁场强度的平方成正比(抛物线顶部非线性区域)”，半 导体 InSb 磁敏电阻元件的这个特点，可以用来设计混频器。 2 自旋性多层金属薄膜磁敏电阻元件(GMR)与磁场强度关系曲线 -2 Oe 2 Oe 外加磁场强度 线 性 区 域 线 性 区 域 图 3 GMR 巨磁阻元件的△R/R-B 曲线 对于 GMR 磁敏电阻元件，根据所用材料、生成工艺，它们的电阻值与磁场强度关系是 不一样的。实验中所用的自旋性多层金属薄膜型 GMR 磁敏电阻元件，在一定的测试电流条 件下其电阻的相对变化率 (0) R R 与外加磁场 B 的关系如图 3 所示(并非是偶函数关系)。 1) 自旋性多层金属薄膜磁敏电阻，当外加磁场从 0 正向加大时， (0) R R 为正，当外加 磁场从 0 反向加大时， (0) R R 为负。即在某范围内相对于磁场从负到正变化时，电阻 变化是单调线性的，并相对于零磁场是反向对称的（奇函数关系） 2) 外加磁场较小时 (0) R R 与磁场强度的成正比； 3) 当外加磁场大于某个正数值或者小于某个负值后， (0) R R 几乎不变。 4) 在零磁场附近的存在较宽的线性区域，因此它可用作为线性磁场传感器
近代物理实验一一物理实验教学中心 测量原理和方法 1、直流励磁恒流源与电磁铁输入端相联，通过调节该直流恒流电源控制电位器可改变输 入电磁铁电流大小，从而改变电磁铁间隙中磁感应强度的大小。 2、将自旋性多层金属薄膜与电阻箱串联，并与可调直流电源相接，数字电压表的一端连 接磁阻传感器电阻箱公共接点，另一端与单刀双向开关的刀口处相连 3、调节通过电磁铁的直流电流，测量通过自旋性多层金属薄膜的电流值及磁阻器件两端 的电压值。求得磁阻传感器的电值R,求出与B的关系。 R(O) 4、先测量无磁场时样品的电阻R,设定样品工作恒定电流1。，改变励磁电流，测得记 录不同磁场下，样品两端的电压U,样品的磁电阻尺= 实验内容 1测量自旋性多层金属薄膜的电阻与磁感应强度的关系 2作出自旋性多层金属薄膜的电阻变化与磁感应强度的关系曲线 仪器简介与使用 仪器由三个部分组成：FH5015磁敏电阻效应实验架、二套样品板（含集成磁场传感器） 及FH2601实验用数字源表。 1FH5015磁敏电阻效应实验架 如图4所示，由小型亥姆霍兹线包、二维移动标尺带、样品板定位，三个双刀双掷换 向继电器开关组成
近代物理实验 —— 物理实验教学中心 测量原理和方法 1、 直流励磁恒流源与电磁铁输入端相联，通过调节该直流恒流电源控制电位器可改变输 入电磁铁电流大小，从而改变电磁铁间隙中磁感应强度的大小。 2、 将自旋性多层金属薄膜与电阻箱串联，并与可调直流电源相接，数字电压表的一端连 接磁阻传感器电阻箱公共接点，另一端与单刀双向开关的刀口处相连。 3、 调节通过电磁铁的直流电流，测量通过自旋性多层金属薄膜的电流值及磁阻器件两端 的电压值。求得磁阻传感器的电阻值 R，求出 (0) R R 与 B 的关系。 4、 先测量无磁场时样品的电阻 R0 ，设定样品工作恒定电流 0 I ，改变励磁电流，测得记 录不同磁场下，样品两端的电压 ，样品的磁电阻 U 0 U R I 实验内容 1 测量自旋性多层金属薄膜的电阻与磁感应强度的关系 2 作出自旋性多层金属薄膜的电阻变化与磁感应强度的关系曲线 仪器简介与使用 仪器由三个部分组成：FH5015 磁敏电阻效应实验架、二套样品板（含集成磁场传感器） 及 FH2601 实验用数字源表。 1 FH5015 磁敏电阻效应实验架 如图 4 所示，由小型亥姆霍兹线包、二维移动标尺带、样品板定位，三个双刀双掷换 向继电器开关组成
近代物理实验一一物理实验教学中心 /4、 二维移动装置万、含集成传感器的样品板 /6、炙姆霍兹线包 FHte富阳华盛 FH5015型磁阻效应实验仪 1、测量电压/电流输入端2、我测电压输出端3、激励磁电流输入端 图4FH5015磁阻效应实验架平面图 1)为被测样品电流输入端（注1），它与FH2601实验用数字源表的测试用恒流源相连 接。 2)为测电压输出端，它与FH2601实验用数字源表的直流电压表相连接。 3)为交直流励磁电流输入端，直流励磁端与FH2601实验用数字源表的励磁用恒流源相 连接。交流励磁端与功率信号源相连接。 4)为控制样品板上下、左右移动的移动装置。 5)为样品板。提供SMR样品板、GMR样品板各一块。 2样品板 提供一个样品板，是GMR型磁敏电阻元件。样品板上紧靠着样品装有集成磁场测量传 感器。磁敏电阻元件采用四根线引出，便于用四端法测量电阻。 集成磁场测量传感器与FH2601实验用数字源表配合使用时，测量范围：0-5mT和 0-50mT两个量程。 注：一般情况下，测量霍尔效应使用恒电流作为霍尔元件的工作电流，测量桥式破阻时使用 稳压源作为它的工作电源。而测量单一电阻的阻值时，用恒电流，通过测量它二端电压降， 计算出它的电阻值。 3H2601实验用数字源表
近代物理实验 —— 物理实验教学中心 4、二维移动装置 5、含集成传感器的样品板 1) 为被测样品电流输入端（注 1），它与 FH2601 实验用数字源表的测试用恒流源相连 接。 2) 为测电压输出端，它与 FH2601 实验用数字源表的直流电压表相连接。 3) 为交直流励磁电流输入端，直流励磁端与 FH2601 实验用数字源表的励磁用恒流源相 连接。交流励磁端与功率信号源相连接。 4) 为控制样品板上下、左右移动的移动装置。 5) 为样品板。提供 SMR 样品板、GMR 样品板各一块。 2 样品板 提供一个样品板，是 GMR 型磁敏电阻元件。样品板上紧靠着样品装有集成磁场测量传 感器。磁敏电阻元件采用四根线引出，便于用四端法测量电阻。 集成磁场测量传感器与 FH2601 实验用数字源表配合使用时，测量范围:0~5mT 和 0~50mT 两个量程。 注：一般情况下，测量霍尔效应使用恒电流作为霍尔元件的工作电流，测量桥式磁阻时使用 稳压源作为它的工作电源。而测量单一电阻的阻值时，用恒电流，通过测量它二端电压降， 计算出它的电阻值。 3 FH2601 实验用数字源表 图 4 FH5015 磁阻效应实验架平面图 控 制 电 源 输 入 下 下 上 上 Is/Vs输入 测量输出 直流励磁输入 交流励磁输入 FHtech富阳华盛 FH5015型磁阻效应实验仪 换向 下 下 上 上 换向 下 下 上 上 换向 6、亥姆霍兹线包 1、测量电压/电流输入端 2、被测电压输出端 3、激励磁电流输入端
近代物理实验一一物理实验教学中心 它由加热、励磁用恒流源、测量用稳压源/恒流源及直流电压表组成。FH2601实验用数字源 Htech富阳华盛 FH2601实验用数字源表 O nT o v 8A号○ 6 0 O◎ 有流中表、的计 1、加热、激励用恒流源 2、直流电压表、特斯拉计 3、测量用稳压源、恒流源 图5FH2601实验用数字源表平面图 表的平面图如图5所示。 1)为加热、励磁用恒流源，分二个档0.1A和1A。用于恒流加热或者直流励磁用。三 位半显示。02%精度。 2)为直流电压表及特斯拉计。 3)直流电压表分20mV、200mV、2V三个量程，4位半显示，0.5%精度 稳压源为2V、10V二档：三位半显示。（用于全桥式或者半桥传感器工作电源）：微电 流恒流源为02mA、2mA、20mA三档。三位半显示。（用于测量电阻时工作电流、霍尔片 工作电流)。 注意事项 1样品板装有磁敏电阻元件及集成磁场传感器，使用时应注意避免受挤压，碰撞等。 2实验架上的移动装置在受力状态下容易变形而影响使用，使用时应注意避免碰撞、拉 扯。 3安装样品板要到位，实验前应检查是否松动、移位，并加以调整，防止松动而影响测显 结果。 4测量磁敏电阻元件电压时，避免实验架受到振动、移动，因为样品架是装在移动装置 上的长条PCB板，易受振动、移动而抖动，引起磁敏电阻元件上的磁场始终在变化。 5为了不使亥姆霍兹线包过热而受到损害，或影响测量精度，在读取有关数据时，通以 励磁电流M,不读数据时最好断开励磁电流。 6仪器不宜在强光照射下，高温、强磁场和有腐蚀气体的环境下工作和存放
近代物理实验 —— 物理实验教学中心 它由加热、励磁用恒流源、测量用稳压源/恒流源及直流电压表组成。FH2601 实验用数字源 表的平面图如图 5 所示。 A FHtech 富阳华盛 恒流源 小电流稳压源、恒流源 实验用数字源表 0.1 、1 恒流源 直流电压表、特斯拉计 磁场传感器 1 电 源 输 出 调节 测量输入 调零 调节 输 出 1、加热、激励用恒流源 2、直流电压表、特斯拉计 3、测量用稳压源、恒流源 图 5 FH2601 实验用数字源表平面图 1) 为加热、励磁用恒流源，分二个档 0.1A 和 1A。用于恒流加热或者直流励磁用。三 位半显示。0.2%精度。 2) 为直流电压表及特斯拉计。 3) 直流电压表分 20mV、200mV、2V 三个量程，4 位半显示，0.5%精度 稳压源为 2V、10V 二档；三位半显示。(用于全桥式或者半桥传感器工作电源)；微电 流恒流源为 0.2mA、2mA、20mA 三档。三位半显示。（用于测量电阻时工作电流、霍尔片 工作电流）。 注意事项 1 样品板装有磁敏电阻元件及集成磁场传感器，使用时应注意避免受挤压，碰撞等。 2 实验架上的移动装置在受力状态下容易变形而影响使用，使用时应注意避免碰撞、拉 扯。 3 安装样品板要到位，实验前应检查是否松动、移位，并加以调整，防止松动而影响测量 结果。 4 测量磁敏电阻元件电压时，避免实验架受到振动、移动，因为样品架是装在移动装置 上的长条 PCB 板，易受振动、移动而抖动，引起磁敏电阻元件上的磁场始终在变化。 5 为了不使亥姆霍兹线包过热而受到损害，或影响测量精度，在读取有关数据时，通以 励磁电流 IM，不读数据时最好断开励磁电流。 6 仪器不宜在强光照射下，高温、强磁场和有腐蚀气体的环境下工作和存放
近代物理实验一一物理实验教学中心 思考题 1什么叫做磁阻效应？ 2磁阻效应的微观机制是什么？ 3磁阻元件的阻值变化为什么受温度的影响比较大？
近代物理实验 —— 物理实验教学中心 思考题 1 什么叫做磁阻效应？ 2 磁阻效应的微观机制是什么？ 3 磁阻元件的阻值变化为什么受温度的影响比较大？