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磁阻效应组合实验 导电材料的电阻值R随磁感应强度B变化这样一个规律，称为磁阻效应。利用磁阻效应制成的器件叫做磁阻器件，磁阻器件有很多的优点：体积小、灵敏度高、抗干扰能力强等等。在导航、电流检测、磁性编码等方面有着十分广泛的应用。锑化铟传感器是一种价格比较低，但灵敏度比较高的磁阻器件，有着十分重要的应用价值。 [实验目的] 1.学习用霍尔效应法测量磁场强度的方法。 2.研究锑化铟磁阻元件的阻值R与磁感应强度B的关系。 [实验仪器] THPCZ-1型磁阻效应实验仪，THQCZ-1型磁阻效应测试仪。 [实验原理] 导电材料的电阻值随磁感应强度变化的现象，称为磁阻效应。利用磁阻效应制成的器件叫做磁阻器件。磁敏电阻就是依据外界磁场作用下半导体材料产生磁阻效应的原理而制成的一种非接触性敏感器件，是一种有源电阻体。 锑化铟（insb）是一种化合物半导体材料，具有比一般半导体材料大得多的电子迁移率，其磁阻效应非常显著。磁阻效应是指当矩形半导体晶片受到与电流方向垂直的磁场作用时，不仅会出现霍尔电场，而且电流密度下降，即半导体电阻率增大的效应；若不考虑样品结构与形状的影响，这一新途径应称为物理磁阻效应。由于样品电极附近的短路效应，物理磁阻与样品尺寸和几何形状有密切关系，即在相同磁场条件，不同尺寸和形状的样品其电阻率增加不尽相同，这种磁阻效应称为几何磁阻效应。锑化铟磁敏电阻就是利用几何磁阻效应研制的一种两端结构的磁敏器件。 如图29-1的所示，一半导体薄片放在磁感应强度为B的磁场中，（B的方向沿Z轴方向）在薄片的四个侧面AA′DD′分别引出两对电极，测AA′方向，即X轴方向通正向电流I，半导体的载流子将受洛仓兹力的作用发生偏转，在DD′两端积聚电荷产生霍尔电场。根据霍尔效应，当霍尔电场作用和的载流子的洛仓兹力作用刚好抵消，也就达到了稳定状态。此时满足： E=VB （29—1） E是霍耳电场强度，V是载流子的速度，B是磁感强度。 载流子的速度并不都一样，而是满足一定的统计分布，这里的V仅仅是一个最可几的速率。那么小于或大于该速度的载流子将向D或D′偏转，这种偏转就会使得沿外加电场方向运动的载流子数量减少，从而电阻增大，这种现象称为磁阻效应。磁阻效应通常用电阻的相对变化量来表示其大小。通实验可以证明，在一般情况下当金属或半导体处于较磁场中时，正比于B2；而在强磁场中，与B呈线性函数关系。本仪器采用的磁阻元件的阻值R随垂直通过它的磁场强度B的变化规律如图29-2所示： （1）B≤0.1T时，R∞B2； （2）B≤0.1T时，R∞B； （3）B0.3T时，≥2； 图29-1 磁阻效应内部原理 图29-2 磁阻元件的阻值随磁场强度的变化曲线 仪器的工作原理如图29-3所示，0-1000mA的恒流源为电磁铁提供励磁电流，通过改变电磁铁中的电流来改变加在磁阻元件上的磁场强度B的大小，另外还可以通过双刀双掷开并来切换励磁电流的方向，从而改变通过磁阻元件上的磁场方向。1mA的恒流源为磁阻元件提供工作电流，接在磁阻元件两端的电压表可以测量磁阻元件两端的电压，如果用毫伏来表示时，电压值在数值上和电阻值相等。另外在磁阻元件的背面贴了霍尔元件，利用霍尔元件的霍尔效应来测量磁阻元件表面的磁场强度，具体的原理和方法为： 图 29-3 磁阻效应实验仪的原理图 当电流I垂直于外磁场的B的方向流过某导电体时，在垂直于电流和磁场的方向，该导电体两侧会产生电差UH，其大小与I和B的乘积成正比，而与导电体延磁场方向的厚度成d反比，这一现象被称为霍尔效应，其数学表达式为： （29—2） 式中RH为导电体的霍尔系数，K称为元件的霍灵敏度。如果保持通过霍尔元件的电流I不变，当磁场改变B时，输出的霍尔电势差为： UH=KI△B （29—3） 由（29-3）式或知，只要知道霍尔片的霍尔灵敏度K，就可以测量出磁场强度的大小。 [思考题] 1.什么是磁阻效应？ 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？