ВУЗ:
Рубрика:
Цель работы:
исследование электрофизических характеристик полупровод-
ников методом эффекта Холла.
Теоретическое введение
Если поместить полупроводник, через который протекает электрический или
тепловой поток в магнитное поле, то в нём возникают гальваномагнитные и тер-
момагнитные явления.
Гальваномагнитные явления возникают в полупроводниках при одновремен-
ном воздействии электрического и магнитного полей, а термомагнитные явления
– при одновременном воздействии магнитного и теплового полей. К гальваномаг-
нитным явлениям относятся
эффекты Холла, Эттингсгаузена, а к термомагнитным
– эффекты Риги-Ледюка, Нернста-Эттингсгаузена.
В настоящей работе рассматривается
эффект Холла, который используется
для исследования электрофизических свойств полупроводников. Данный эффект
носит имя американского физика Эдвина Холла, кото
р
ый впервые наблюдал его в
1879 году в тонких пластинах золота.
Суть эффекта Холла заключается в следующем. При пропускании электриче-
ского тока вдоль полупроводника, помещённого в магнитное поле, силовые линии
которого направлены перпендикулярно направлению электрического тока, возни-
кает поперечная разность потенциалов, называемая ЭДС Холла.
Рассмотрим полупроводник, например,
n–типа электропроводности, имеющий
форму параллелепипеда. Пусть электрический ток движется вдоль оси
OX. Пер-
пендикулярно направлению электрического тока вдоль оси
OZ направлено маг-
нитное поле. Под действием силы, действующей со стороны магнитного поля,
электроны будут отклоняться на боковую грань полупроводника. Таким образом,
на одной из граней полупроводника будут накапливаться электроны, в результате
чего она зарядится отрицательно, а на противоположной грани возникает неском-
пенсированный положительный заряд. Это приведёт к образованию поперечного
электрического
поля напряжённостью
y
E
, направленного вдоль оси OY (рис. 1).
Если электрический ток переносится дырками, то поперечное электрическое поле
будет противоположно направлению полю Холла для полупроводника
n-типа
электропроводности.
На заряд
q, который движется в магнитном поле с индукцией B
r
, действует
сила Лоренца
л
F
r
, равная
[
]
BvqF
x
r
r
r
×=
л
, где
x
v
r
– скорость движения носителей
заряда, направленных вдоль оси
OX. Так как угол между векторами
x
v
r
и B
r
р
авен
90°, то согласно правилу векторного произведения, уравнение для силы Лоренца
преобразуется к виду
BqvF
x
=
л
.
(схема измерения №3).
1.
Запустить программное обеспечение стенда для исследования эффекта
Холла, при этом на экране монитора появится первая схема измерения
2.
Для проведения измерений необходимо создать базу данных, для чего в
«Рабочей тетради» нажать кнопку «Новая».
3.
В «Области управления» «Рабочей тетради» появится окно «Изме
р
ение»,
где указывается название измеряемой зависимости, дата и время.
4.
Задание названия измеряемой зависимости осуществляется путем нажа-
тия кнопки «Редактирование».
5.
На схеме измерения активизировать управляющие и регистрирующие ин-
струменты, необходимые для измерения зависимостей:
),( BIfEDS
=
Σ
,
)(1 IfV = .
6.
Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав
кнопку «Записать».
7.
При помощи управляющего инструмента «Ток в образце» установить си-
лу тока, протекающего через исследуемый образец, например 1 мА, (по указанию
преподавателя) значения которого фиксируются «Амперметром».
8.
Посредством управляющего инструмента «Ток в катушке» установить
амплитудное значение силы тока, протекающего через катушку электромагнита
(по указанию преподавателя). Значения силы тока, протекающего через катушку,
при помощи калибровочной зависимости в рамках программного обеспечения
пересчитываются в значения индукции магнитного поля В, которое регистрирует-
ся инструментом «Индукция».
9.
Измерить ЭДС Холла EDS при помощи вольтметра Vs2.
10.
Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав
кнопку «Записать».
11.
Включить нагреватель, для чего щелкнуть на выключателе «Нагревателя»
левой кнопкой "мыши". Светодиод индицирует состояние включения (выключе-
ния) термостата. В окне «Температура» отражается текущее значение температу-
ры исследуемого образца. Максимальная температура нагрева 120º С.
12.
Измерять значения напряжения на исследуемом образце вольтметром V1,
ЭДС Холла при помощи вольтметра
Vs2 в диапазоне температур 20...120º С. Ко-
личество измеряемых точек должно быть 7…10.
13.
Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав
кнопку «Записать».
Порядок расчетов и построение графиков
1. Для осуществления расчетов необходимо открыть окно «построитель
выражений», нажать кнопку «Новое».
2.
Определить температурную зависимость постоянной Холла
x
R по
уравнению (5).
3.
Определить температурную зависимость концентрации свободных носи-
телей заряда, используя уравнение (6).
3 34
(схема измерения №3).
1. Запустить программное обеспечение стенда для исследования эффекта
Холла, при этом на экране монитора появится первая схема измерения
2. Для проведения измерений необходимо создать базу данных, для чего в Цель работы: исследование электрофизических характеристик полупровод-
«Рабочей тетради» нажать кнопку «Новая».
ников методом эффекта Холла.
3. В «Области управления» «Рабочей тетради» появится окно «Измерение»,
где указывается название измеряемой зависимости, дата и время.
4. Задание названия измеряемой зависимости осуществляется путем нажа- Теоретическое введение
тия кнопки «Редактирование».
5. На схеме измерения активизировать управляющие и регистрирующие ин- Если поместить полупроводник, через который протекает электрический или
струменты, необходимые для измерения зависимостей: EDS Σ = f ( I , B ) , тепловой поток в магнитное поле, то в нём возникают гальваномагнитные и тер-
момагнитные явления.
V1 = f (I ) .
Гальваномагнитные явления возникают в полупроводниках при одновремен-
6. Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав ном воздействии электрического и магнитного полей, а термомагнитные явления
кнопку «Записать». – при одновременном воздействии магнитного и теплового полей. К гальваномаг-
7. При помощи управляющего инструмента «Ток в образце» установить си- нитным явлениям относятся эффекты Холла, Эттингсгаузена, а к термомагнитным
лу тока, протекающего через исследуемый образец, например 1 мА, (по указанию – эффекты Риги-Ледюка, Нернста-Эттингсгаузена.
преподавателя) значения которого фиксируются «Амперметром».
8. Посредством управляющего инструмента «Ток в катушке» установить В настоящей работе рассматривается эффект Холла, который используется
амплитудное значение силы тока, протекающего через катушку электромагнита для исследования электрофизических свойств полупроводников. Данный эффект
(по указанию преподавателя). Значения силы тока, протекающего через катушку, носит имя американского физика Эдвина Холла, который впервые наблюдал его в
при помощи калибровочной зависимости в рамках программного обеспечения 1879 году в тонких пластинах золота.
пересчитываются в значения индукции магнитного поля В, которое регистрирует- Суть эффекта Холла заключается в следующем. При пропускании электриче-
ся инструментом «Индукция». ского тока вдоль полупроводника, помещённого в магнитное поле, силовые линии
9. Измерить ЭДС Холла EDS при помощи вольтметра Vs2. которого направлены перпендикулярно направлению электрического тока, возни-
10. Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав кает поперечная разность потенциалов, называемая ЭДС Холла.
кнопку «Записать». Рассмотрим полупроводник, например, n–типа электропроводности, имеющий
11. Включить нагреватель, для чего щелкнуть на выключателе «Нагревателя» форму параллелепипеда. Пусть электрический ток движется вдоль оси OX. Пер-
левой кнопкой "мыши". Светодиод индицирует состояние включения (выключе- пендикулярно направлению электрического тока вдоль оси OZ направлено маг-
ния) термостата. В окне «Температура» отражается текущее значение температу- нитное поле. Под действием силы, действующей со стороны магнитного поля,
ры исследуемого образца. Максимальная температура нагрева 120º С. электроны будут отклоняться на боковую грань полупроводника. Таким образом,
12. Измерять значения напряжения на исследуемом образце вольтметром V1, на одной из граней полупроводника будут накапливаться электроны, в результате
ЭДС Холла при помощи вольтметра Vs2 в диапазоне температур 20...120º С. Ко- чего она зарядится отрицательно, а на противоположной грани возникает неском-
личество измеряемых точек должно быть 7…10. пенсированный положительный заряд. Это приведёт к образованию поперечного
13. Записать результаты измерения в таблицу «Рабочей тетради», нажав электрического поля напряжённостью E y , направленного вдоль оси OY (рис. 1).
кнопку «Записать».
Если электрический ток переносится дырками, то поперечное электрическое поле
Порядок расчетов и построение графиков будет противоположно направлению полю Холла для полупроводника n-типа
электропроводности.
1. Для осуществления расчетов необходимо открыть окно «построитель r
На заряд q, который движется в магнитном поле с индукцией B , действует
выражений», нажать кнопку «Новое».
2. Определить температурную зависимость постоянной Холла R x по
r r
[ r
]
r r
сила Лоренца Fл , равная Fл = q v x × B , где v x – скорость движения носителей
r
r
уравнению (5). заряда, направленных вдоль оси OX. Так как угол между векторами v x и B равен
3. Определить температурную зависимость концентрации свободных носи- 90°, то согласно правилу векторного произведения, уравнение для силы Лоренца
телей заряда, используя уравнение (6). преобразуется к виду Fл = qv x B .
34 3
