發(fā)布時(shí)間：2018-08-05 11:36

【摘要】：磁電阻效應(yīng)是指材料在外加磁場下電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象,基于磁電阻效應(yīng)的器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電動(dòng)車輛、磁性存儲(chǔ)、航空航天、地磁檢測等領(lǐng)域。本論文系統(tǒng)研究了半導(dǎo)體硅材料、鍺材料的磁電輸運(yùn)性能和相關(guān)的物理機(jī)制,以期推進(jìn)并拓寬這兩種材料在磁傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。首先,我們制備了兩電極硅基器件(Al/Ti/n+-Si/n-Si),發(fā)現(xiàn)器件的I-V曲線在臨界電壓下會(huì)出現(xiàn)電壓跳變現(xiàn)象,使器件由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài);而磁場會(huì)導(dǎo)致此臨界電壓值增加,故在高低阻值過渡區(qū)間內(nèi)得到優(yōu)異的室溫磁電阻性能(0.07 T下MR=2450%,0.1 T下MR=2520%)。即使在7 T高磁場下,磁阻也未出現(xiàn)飽和的跡象(7 T下MR=7400%),這種大磁阻效應(yīng)和S型微分負(fù)電導(dǎo)引起的電流細(xì)絲效應(yīng)有關(guān)。此外,適當(dāng)?shù)脑黾与姌O間距、寬度或降低實(shí)驗(yàn)溫度,都可以使器件的磁阻值得到增強(qiáng)。當(dāng)溫度為100 K時(shí),磁電阻在7.65 V和0.05 T下可達(dá)2010%。其次,我們制備了兩電極的In/Ge/In器件,并系統(tǒng)研究了器件的磁電輸運(yùn)性能。隨著外加電壓的增加,電輸運(yùn)機(jī)制由線性的歐姆傳導(dǎo)機(jī)制,變?yōu)榉蔷�性的空間電荷傳導(dǎo)機(jī)制;當(dāng)電壓繼續(xù)增加時(shí),會(huì)引發(fā)局部碰撞電離過程。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)磁場方向平行于樣品表面且垂直于電流方向時(shí),可通過控制磁場的正負(fù)來選擇載流子的復(fù)合表面,獲得非對(duì)稱的磁電阻效應(yīng)。通過幾何尺寸和復(fù)合表面的優(yōu)化,器件在低磁場(0.1 T下MR=80%、0.05 T下MR=40%)和高磁場(7 T下MR=6300%)都展示了優(yōu)異的磁電阻性能;且當(dāng)B4 T時(shí),磁阻和磁場呈線性依賴關(guān)系,這種線性度甚至可以維持到50 mT。再次,利用鍺單晶的表面非對(duì)稱性和大磁電阻效應(yīng),我們?cè)O(shè)計(jì)出一種由電壓和磁場控制的可編程邏輯器件,并在室溫下實(shí)現(xiàn)COPY、NOT、AND、OR、NAND和NOR邏輯運(yùn)算。鍺基邏輯器件提供了一種從晶體管邏輯電路向磁場控制的邏輯電路的范例轉(zhuǎn)換,具有結(jié)構(gòu)簡單、邏輯輸出信噪比高、工作電場低等優(yōu)點(diǎn)。最后,借助二極管增強(qiáng)了四電極鍺基器件的室溫磁電阻。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),增加器件的幾何尺寸(W/L)或二極管伏安特性的“陡峭”程度,都能使磁電阻值得到進(jìn)一步的增強(qiáng)。室溫下1.2 T時(shí),其磁電阻值高達(dá)3×104%,且相應(yīng)的低磁場靈敏度在0.02 T下為200%。該研究為室溫磁傳感器件,尤其是低磁場下的半導(dǎo)體磁傳感器件提供了新的思路。
[Abstract]:The magnetoresistance effect refers to the change of the resistance of the material under the applied magnetic field. The devices based on the magnetoresistance effect have been widely used in the fields of computer, electric vehicles, magnetic storage, aeronautics and Astronautics, and geomagnetic detection. In this paper, the magnetic and electrical transport properties and related physical mechanisms of semiconductor silicon materials and germanium materials are systematically studied in this paper. To advance and broaden the application of these two materials in the field of magnetic sensing. First, we have prepared a two electrode silicon based device (Al/Ti/n+-Si/n-Si). It is found that the I-V curve of the device will appear voltage jump under the critical voltage to make the device change from high resistance state to low resistance state, and the magnetic field will lead to the increase of the critical voltage value, so in the high and low transition zone Excellent room temperature magnetoresistance (under 0.07 T MR=2450%, 0.1 T under MR=2520%). Even in a 7 T high magnetic field, the magnetoresistance does not appear to be saturated (7 T MR=7400%). This large magnetoresistance effect is related to the current filaments caused by S differential negative conductance. In addition, the appropriate increase in electrode spacing, width or decrease the experimental temperature, The magnetoresistance of the device is worth increasing. When the temperature is 100 K, the magnetoresistance can reach 2010%. under 7.65 V and 0.05 T. We have prepared the In/Ge/In device of the two electrode and systematically studied the magnetic and electrical transport properties of the device. It is found that when the direction of the magnetic field is parallel to the surface of the sample and perpendicular to the direction of the current, the compound surface of the carrier can be selected by controlling the positive and negative of the magnetic field to obtain the asymmetric magnetoresistance effect. The advantages of the geometric size and the composite surface can be obtained. In the low magnetic field (0.1 T MR=80%, 0.05 T under MR=40%) and high magnetic field (7 T MR=6300%), the excellent magnetoresistance performance is displayed; and when B4 T, the magnetoresistance and magnetic field are linear dependence, and the linearity can be maintained to 50 mT. again. Using the surface asymmetry and large magnetoresistance effect of the germanium single crystal, we design a kind of a kind of magnetic resistance effect. A programmable logic device controlled by a voltage and magnetic field and a logical operation of COPY, NOT, AND, OR, NAND and NOR at room temperature. The germanium based logic device provides an example conversion from a logical circuit controlled by a transistor logic circuit to a magnetic field. It has the advantages of simple structure, high signal to noise ratio and low working electric field. Finally, with the aid of two The pole tube enhanced the room temperature magnetoresistance of the four electrode germanium based devices. It was found that increasing the geometric size (W/L) of the device or the "steep" degree of the diode volt ampere characteristics could make the magnetoresistance worth further enhancement. At 1.2 T at room temperature, the magnetoresistance value was up to 3 * 104%, and the corresponding low magnetic field sensitivity was under 0.02 T for the study. It provides a new idea for room temperature magnetic sensors, especially semiconductor magnetic sensors under low magnetic field.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN304.1

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本文編號(hào)：2165676