锑化铟磁阻传感器的特性测量

本篇博文主要作拓展之用，故一些目的、内容等将不再赘述。

前言（了解一下）

磁阻器件种类：正常磁电阻、各向异性磁电阻、特大磁电阻、巨磁电阻、隧道磁电阻……

锑化铟磁阻传感器：一种灵敏度很高、将干扰能力极强的磁敏器件，一种常用的磁阻传感器。

锑化铟传感器是典型的正常磁电阻传感器，为了方便学习和掌握正常磁电阻传感器的磁阻特性，本实验以锑化铟传感器为测量和研究对象，着重测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度关系，以及在小磁场中传感器输出信号出现的倍频效应。

实验原理

1.磁阻效应：一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化而变化的现象。

我们一般把磁阻效应分为几类：

常磁阻效应：磁阻变化随着外加磁场变化较小
巨磁阻效应：磁阻变化随着外加磁场变化而有一个数量级的变化。
庞磁阻效应：磁阻变化随着外加磁场变化而有数个数量级的变化。
穿隧磁阻效应：铁磁材料中，其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。【铁磁yyds!】
各向异性磁阻效应：有些材料中磁阻的变化与磁场和电流间夹角有关，称为各向异向性磁阻效应。

磁阻效应是如何让产生的？

在此之前，我们需要回想一下霍尔效应。

霍尔效应：电流通过垂直于外磁场通过半导体时，由于洛伦兹力对载流子的作用而使载流子发生偏转，从而产生一附加电场，即霍尔电场。

（图源霍尔效应）

$U_{H}=R_{H}\frac{IB}{d}$ , $\left ( R_{H}=\frac{1}{ne}\right )$

在霍尔效应里面，在洛伦兹力与电场力平衡的条件下（qE=Bqv），我们产生了一个霍尔电场。

而磁阻效应，实际上就是在与霍尔效应外加磁场、电场的相同条件下，一部分速度v不满足qE=Bqv的载流子产生的偏移所导致的。

注：在此我们必须要清楚，平常我们求电流时的式子里写I=nqSv，好像给人所有载流子的v都一样的错觉。实际上并不是这样，载流子的v是有一定的统计分布的。【具体了解可以看一下此链接：半导体中载流子的统计分布 - 百度文库 (baidu.com)】

满足v条件的载流子形成霍尔电场，大于或小于v的载流子分别向两侧偏移产生磁阻效应——因为向这种偏移会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。

由此我们可知，倘若短接霍尔电场，即令霍尔电场不存在，载流子都向一端偏转，也会出现磁阻效应，且磁阻效应会变大。

若外加磁场与外加电场垂直，即横向磁阻效应；若外加磁场与外加电场平行，即纵向磁阻效应。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，因而无纵向磁阻效应。

2.磁阻效应的大小

通常用电阻率的相对改变来表示： $\Delta \rho /\rho_{0}$

其中， $\rho\left ( 0 \right )$ 为零磁场时电阻率， $\Delta\rho=\rho\left ( B \right )-\rho\left ( 0 \right )$

由于磁阻传感器电阻的相对变化率 $\Delta R/R\left ( 0 \right )$ 正比于电阻率变化率【这里 $\Delta R=R\left ( B \right )-R\left ( 0 \right )$ 】，故其大小亦可由 $\Delta R/R\left ( 0 \right )$ 表示。

注：实验证明，当金属与半导体处于较小磁场中时

$\Delta R/R\left ( 0 \right )\propto B^{2}$

而在较大磁场中

$\Delta R/R\left ( 0 \right )$ 与 B 成线性关系。

交流倍频特性：当半导体磁阻处于角频率为w的弱正弦波交流磁场中时，磁阻传感器的电阻R将作角频率为2w的周期性变化。

外界磁场 $B=B_{0}cos \omega t$ ，

设在弱磁场中： $\Delta R/R_{0}=KB^{2}$

K为常量，由上两式得

$R\left ( B \right ) =R\left ( 0 \right )+\Delta R =R\left ( 0 \right )+R\left ( 0 \right ) \tfrac{\Delta R}{R\left ( 0 \right )} =R\left ( 0 \right )+R\left ( 0 \right )KB_{0}^{2}cos^{2}\omega t =R\left ( 0 \right )+\tfrac{1}{2}R\left ( 0 \right )KB_{0}^{2}+\tfrac{1}{2}R\left ( 0 \right )KB_{0}^{2}cos^{2}2 \omega t$

得交流倍频性。