在通有電流的金屬或半導體上施加磁場時，其電阻值將發生明顯變化，這種現象稱為磁致電阻效應，也稱磁電阻效應(MR)。已被研究的磁性材料的磁電阻效應可以大致分為：由磁場直接引起的磁性材料的正常磁電阻、與技術磁化相聯繫的各向異性磁電阻摻雜稀土氧化物中特大磁電阻、磁性多層膜和顆粒膜中特有的巨磁電阻以及隧道磁電阻等。
基本介紹
- 中文名：磁致電阻效應
- 外文名：magnetoresistance
- 學科：電學
- 套用：磁敏電阻材料
- 別名：磁電阻效應/磁阻效應
- 類型：磁場電效應
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介紹
若將載流導體置於外加磁場中，除了產生霍耳效應外．其電阻率也將發生變化．這種伴隨著霍耳效應同時發生電阻率變化的物理現象稱為磁致電阻效應．也稱為磁電阻效應。早期曾稱為磁阻效應。
1856年被發現時因為現象不明顯而沒有引起重視，如今具有較大磁電阻效應的各種材料廣泛套用於信息存儲技術等。法國和德國科學家就是以巨磁電阻效應(GMR)的貢獻分享了2007年諾貝爾物理學獎。
與金屬相比，半導體因載流子遷移率高，磁電阻效應的現象更為顯著。通常選用lnSb(銻化銦)、InAs和NiSb等半導體材料在絕緣基片上蒸鍍半導體材料薄膜，或在不同的薄片上光刻或腐蝕成柵狀等結構製成磁敏器件。
磁致電阻效應機理
磁電阻效應是指通電流的導體或半導體在外加磁場作用下產生的電阻變化，亦稱磁(場)致電阻效應，是磁場電效應的一種。在磁場平行或垂直於電流的情況下，都會發生這種效應。在一般強度的磁場中，磁場引起的電阻變化△R與磁場強度平方成比例，即△R∝H2;但在強磁場中，這一電阻變化△R與磁場強度呈線性關係，即△R∝H。磁電阻效應在半導體中很顯著，在其單晶體中效應還呈現各向異性，因而可利用這一效應測定半導體的能帶結構和載流子遷移率。
磁電阻效應在大多數金屬中為正效應，即磁場使這些金屬的電阻增加。但在貴金屬和過渡金屬合金以及磁化到飽和以上的鐵磁體中。磁電阻效應為負效應，即磁場使電阻減小，一般鐵磁體在未達到飽和時，磁場也使電阻減小，這是由疇壁移動或磁疇轉動過程產生的。 順磁體經過Curie點變為鐵磁體時，由於產生自發磁化強度也使其電阻突然降低，因而電阻-溫度曲線在Curie點出現不連續的變化。
磁敏電阻材料
對磁場敏感，具有磁阻效應的電阻材料。這種材料能通過磁阻效應將磁信號轉換成電信號。磁阻效應包括材料的電阻率隨磁場而變化和元件電阻值隨磁場而變化兩種現象。前者稱磁電阻率效應或物理磁阻效應，後者稱為磁電阻效應或幾何磁阻效應。
磁場作用在導體上的各種物理效應(霍耳效應、磁阻效應)早在1879～1883年間在金屬中就發現了，但因效應不顯著，長期以來未得到廣泛套用。半導體出現後，在20世紀50年代後半期開發了高遷移率的新型化合物半導體材料，如銻化銦(InSb)等，也促進了霍耳器件和磁阻器件的研究、開發和套用。
磁敏電阻材料主要是電子遷移率大的半導體材料，還有鐵鎳鈷合金。常用的半導體有InSb(或InSb-NiSb共晶材料)、砷化銦(InAs)和砷化鎵(GaAs)等材料，一般用N型。高純度InSb和InAs的電子遷移率分別為5.6～6.5 m/(V·s)和2.0～2.5m/(V·s)。InSb的禁頻寬度小，受溫度影響大。GaAs的禁頻寬度大，電子遷移率也相當大[0.8 m/(V·s)]，受溫度影響小，且靈敏度也高。鎳鈷合金和鎳鐵合金的電阻溫度係數小，性能穩定，靈敏度高，且具有方向性，可製作強磁性磁阻器件，用於磁阻的檢測等方面。用半導體材料製作的磁敏電阻器、無觸點電位器、模擬運算器和磁感測器等套用於測量、計算機、無線電和自動控制等方面。半導體InSb-NiSb磁敏電阻器用於磁場、電流、位移和功率測量及模擬運算器等方面，其阻值為10Ω～1kΩ，相對靈敏度6～18 (B=1 T)，溫度係數-2.9%～0.09% (1/℃) (B=1 T)，極限工作頻率1～10 MHz。在測量小於0.01T的弱磁場時，必須附加以偏置磁場才能進行。Ni-Co薄膜磁敏電阻器主要用於探測磁場方向、磁帶位置檢測、測量和控制轉速或速度以及無觸點開關等方面。阻值有1、10、250kΩ，相對靈敏度2%以上(3×10T下)，溫度係數3000±500×10(1/℃)，感應磁場3×10T以上，工作溫度-55～150℃。在檢測磁場反轉或可逆磁場以下的磁信號時，也應採用偏置磁場。
磁敏電阻材料的發展與半導體材料的開發密切相關。發展趨勢是：開發高準確度、高靈敏度、低噪聲、高穩定性和可靠性以及多功能的磁敏器件與材料;研製非金屬和金屬化合物半導體、固溶體半導體、共晶體和共晶薄膜磁敏材料。
