实验15 巨磁阻材料的磁阻效应
引 言
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 ρρρ=
-∆，()H ρ和(0)ρ分中别表示在磁场H 和无磁场时电阻率。 磁电阻的大小常表示为：100%(0)
MR ρρ∆=⨯, 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 ρρ∆∆∝ —— ()(0)(0)(0)R R B R R R ∆-= 其中()R B 为磁场为B 时样品的磁电阻，(0)R 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，
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
特斯拉效应电阻效应；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
(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。
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0R ，设定样品工作恒定电流0I ，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。
图4 FH5015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
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