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磁电阻效应是指材料在外加磁场下电阻发生变化的现象,基于磁电阻效应的器件已经广泛应用于计算机、电动车辆、磁性存储、航空航天、地磁检测等领域。本论文系统研究了半导体硅材料、锗材料的磁电输运性能和相关的物理机制,以期推进并拓宽这两种材料在磁传感领域的应用。首先,我们制备了两电极硅基器件(Al/Ti/n+-Si/n-Si),发现器件的I-V曲线在临界电压下会出现电压跳变现象,使器件由高阻态变为低阻态;而磁场会导致此临界电压值增加,故在高低阻值过渡区间内得到优异的室温磁电阻性能(0.07 T下MR=2450%,0.1 T下MR=2520%)。即使在7 T高磁场下,磁阻也未出现饱和的迹象(7 T下MR=7400%),这种大磁阻效应和S型微分负电导引起的电流细丝效应有关。此外,适当的增加电极间距、宽度或降低实验温度,都可以使器件的磁阻值得到增强。当温度为100 K时,磁电阻在7.65 V和0.05 T下可达2010%。其次,我们制备了两电极的In/Ge/In器件,并系统研究了器件的磁电输运性能。随着外加电压的增加,电输运机制由线性的欧姆传导机制,变为非线性的空间电荷传导机制;当电压继续增加时,会引发局部碰撞电离过程。进一步研究发现,当磁场方向平行于样品表面且垂直于电流方向时,可通过控制磁场的正负来选择载流子的复合表面,获得非对称的磁电阻效应。通过几何尺寸和复合表面的优化,器件在低磁场(0.1 T下MR=80%、0.05 T下MR=40%)和高磁场(7 T下MR=6300%)都展示了优异的磁电阻性能;且当B<4 T时,磁阻和磁场呈线性依赖关系,这种线性度甚至可以维持到50 mT。再次,利用锗单晶的表面非对称性和大磁电阻效应,我们设计出一种由电压和磁场控制的可编程逻辑器件,并在室温下实现COPY、NOT、AND、OR、NAND和NOR逻辑运算。锗基逻辑器件提供了一种从晶体管逻辑电路向磁场控制的逻辑电路的范例转换,具有结构简单、逻辑输出信噪比高、工作电场低等优点。最后,借助二极管增强了四电极锗基器件的室温磁电阻。实验发现,增加器件的几何尺寸(W/L)或二极管伏安特性的“陡峭”程度,都能使磁电阻值得到进一步的增强。室温下1.2 T时,其磁电阻值高达3×104%,且相应的低磁场灵敏度在0.02 T下为200%。该研究为室温磁传感器件,尤其是低磁场下的半导体磁传感器件提供了新的思路。