Жартылай өткізгіштегі Холл эфектісін зерттеу. Жартылай ткізгіштегі Холл эффектісін зерттеу
 Скачать 104.87 Kb.
|
|
Жартылай өткізгіштегі Холл эффектісін зерттеу
Қысқаша теория Жартылай өткізгіштер туралы мәліметтер. Меншікті кедергісі қалыпты температурада өткізгіштерге қарағанда жоғары, ал диэлектриктерге қарағанда аз электрондық электрөткізгіштті заттар жартылай өткізгіштерге жатады. Жартылай өткізгіштердің электр өткізгіштігі сыртқы энергетикалық әсерлерге, сонымен қатар әртүрлі қоспаларға, кейде дененің өзінде аз да болса да, кездесетін меншікті жартылай өткізгіштің болуына байланысты. Жартылай өткізгіштерде электрондық (п) және кемтіктік (р) екі типтің болуы р-п ауысуы бар жартылай өткізгішті заттарды алуға үмкіндік береді. Көптеген жартылай өткізгішті аспаптар үшін қоспалы жартылай өткізгіштер пайдаланылады. Сондықтан тәжірибеде мүмкін болатын жоғары температурада меншікті заряд тасымалдаушылардың концентрациясын байқауға болатын жартылай өткізгішті материалдар, тыйым салу аймағы жеткілікті кең болатын жартылай өткізгіштердің мәні зор. Температураның жұмыстық режимінде еркін заряд тасымалдаушылар қоспалар болып табылады. Қарапайым жартылай өткізгіштерде қоспа ретінде бейтаныс атомдар болады. Сонымен бірге қоспа қызметін кристалдық торлардың мүмкін болатын дефектілері; бос түйіндер, атомдар немесе иондар, дислокациялар немесе ығысулар атқара алады. Егер қоспа атомдары кристалдық тордың түйінінде орналасқан болса, алмастыру қоспалары, егер түйіндердің арасында орналасқан болса – енгізу қоспалары деп аталады. Донорлар мен акцепторлар. Донорлар. Сыртқы әсерлер (жылу, жарық) болмаған кезде толтырылған қоспа деңгейлер тыйым салынған зонада өткізгіштік зона түбінің маңайында орналасады. Осы кездегі қоспа атомдарының энергиясы өткізгіштік зона түбінің маңайындағы тыйым салынған зонаның енінен аз болады. Бір-бірінен алшақ орналасқан қоспа атомдарының жанында пайда болған оң зарядтар жекеленген болады, яғни кристал ішінде еркін жүрмейді және электр өткізгіштікке қатыса алмайды. Осындай қоспасы бар жартылай өткізгіш электрондардың валенттік зонадан өткізгіштік зонаға көшуінен пайда болған кемтіктердің концентрациясынан көп болатын электрондардың концентрациясына ие болады, және оны п-типті жартылай өткізгіш деп атайды, ал электрондарды өткізгіштік зонаға жеткізіп тұратын қоспаны донорлар деп атайды. Акцепторлар. Басқа қоспалар «валенттік зонаның төбесінің» маңайындағы негізгі жартылай өткізгіштің тыйым салынған зонасында орналасқан толтырылмаған деңгейлерді енгізуі мүмкін. Жылулық қоздыру ең алдымен электрондарды валенттік зонадан осы бос қоспа деңгейлеріне лақтырады. Қоспа деңгейіне лақтырылған электрондар электр тогына қатыспайды. Осындай жартылай өткізгіш концентрациясы валенттік зонадан өткізгіштік зонаға өткен электрондардың концентарциясынан көп болатын кемтіктерге ие болады, және оны p-типті жартылай өткізгіш деп атайды. Жартылай өткізгіштің валенттік зонасынан электронды қармап алатын қоспалар акцепторлар деп аталады. Х  олл эффектісі.Затқа бір уақытта электрлік және магниттік өрістердің әсер етуі кезінде пайда болатын физикалық құбылыс гальваномагниттік деп аталады. Гальваномагниттік құбылыс электрондық өткізгіштігі бар электрондық жартылай өткізгіштерде, металдарда, жартылай өткізгіштерде, диэектриктерде байқалады. Ионды жартылай өткізгіштерде гальваномагниттік құбылыс пайда болмайды. Гальваномагниттік құбылыстарды бір түрі – Холл эффектісі. Оның мағынасы мынада: токтың бағытына перпендикуляр магнит өрісінің әсерінен үлгіге көлденең ток пен магнит өрісіне перпендикуляр бағытта қандай да бір потенциалдар айырымы пайда болады, яғни Холл ЭҚК. Жпртылай өткізгіштердің электр өткізгіштігінің екі типі де нақты физикалық құбылыс болып табылады, бұған тәжірибелердің көмегімен көз жеткізуге болады. Көлденең Холл ЭҚК таңбасының өзгеруіне байланысты зерттелетін жартылай өткізгіштің электр өткізгіштігінің типін (p немесе n) анықтау әдісінің мағынасы 1а-суретте түсіндіріледі. Егер жартылай өткізгіштен жасалынған пластинаны Н сыртқы магнит өрісіне орналастырып, оның ұзындығының бағытында Е электр өрісін тудыратын потенциалдар айырымын беретін болсақ, онда қозғалатын заряд тасушылардың пластинканың бір жақ бетіне ығысуы нәтижесінде көлденең ЭҚК пайда болады. Оны вольтметрдің өмегімен өлшейді. Зарядтардың ығысу бағыты токтың техникалық бағытына жататын «сол қол» ережесі бойынша анықтауға болады. 1а-суретінен электр өткізгіштіктің типі өзгерген кезде вольтметрдің тілшесінің бағыты да өзгеретіндігі көрінеді. Басқа әдіс: 1-суретте көрсетілгендей зерттелетін жартылай өткізгіштің бір ұшының қыздырылуы. Осы кезде егер p-типті жартылай өткізгішзерттелетін болса, қыздырылған ұшында жылулық энергияның шығындалуына байланысты электрондардың көп бөлігі толтырылған зонадан қоспаның акцепторлық деңгейлеріне лақтырылады. Ыстық ұшынан суық ұшына қарай кемтіктердің диффузиясы басталады, және ол суық ұшымен салыстырғанда теріс зарядталған болады. n-типті жартылай өткізгішті зерттеген кезде қыздырылған ұшында жылулық энергияның шығындалуына байланысты электрондар суық ұшына қарағанда көбірек босай бастайды да, олардың еркін күйде аз болатын суық ұшына қарай диффузиясы басталады.Электрондардың кетуіне байланысты ыстық ұшы оң, ал суық жағы – теріс зарядталады. Заряд тасушылардың бір ғана (п немесе р) типті жартылай өткізгіштер үшін келесі теңдік дұрыс болады  (1)Заряд тасушылардың концентрациясы мен олардың қозғалғыштығы жартылай өткізгіштің сипаттамалық параметрлері болып табылады. Жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігін өлшеу осы параметрлердің көбейтіндісін ғана анықтауға мүмкіндік береді. Оларды бөлу үшін Холл эфектісін пайдалануға болады. Заряд тасымалдаушылардың көлденең бағытта ығысуы Лоренц күші ығысқан зарядтардың көлденең электр өрісінің пайда болған күшімен теңгерілгенде тоқтатылады:   (2)(2) өрнекті пайдалана отырып, мынаны аламыз:  (3)х көлденең ЭҚК, B магнит индукциясы, I ток және жартылай өткізгішті пластинаныңd қалыңдығын өлшеуге болады, бұл Холл коэффициентінің мәнін есептеуге мүмкіндік береді. БХЖ жүйесінде Холл коэффициенті  өлшенеді. Формула арқылы алынатын коэфициенттің мәні белсенділік энергиясы нөлге тең болатын, қоспаның концентрациясы ең жоғары болатын таза (вырожденный) жартылай өткізгішке тән. Қоспаның әртүрлі концентрациясындағы жартылай өткізгіштің Холл коэффициентінің анағұрлым нақтырақ мәні формула бойынша алынатын мәннен А көбейткішіне ерекше болады. Әр түрлі жартылай өткізгіштер (атомдық, иондық торлармен) үшін А сандық мән бірден екіге дейін әр түрлі температурада тасушылардың механизміне байланысты өзгереді (мысалы, германий үшін А ≈ 1,18). n-типті жартылай өткізгіштер үшін (4)Кемтіктік жартылай өткізгіштер үшін таңбасымен ерекшеленетін және р тасушылардың концентрациясынан тұратын осындай өрнекті алу жеңіл. (1) мен (4) теңдеулерді қолдана отырып, концентрацияның және заряд тасымалдаушылардың қозғалғыштығын сандық мәнін табуға болады. Жоғарыда келтірілген формулалар ашық көрінген n- немесе р-типті жартылай өткізгіштерге қатысты, осы жартылай өткізгіштердің негізгі емес тасымалдаушылар негізгі тасымалдаушылардың концентрациясына қарағанда аз. Егер негізгі емес тасымалдаушылар магнит өрісінде орналасқан жартылай өткізгіштегі бөлшектердің қозғалысына әсер ете бастағаса, тасымалдаушылардың екі типін де ескеру қажет. Тасымалдаушылардың екі типін ескергендегі Холл коэффициентін есептеу күрделі болады.  (5)Германий мен кремнийде электрондардың қоғалғыштығы кемтіктердікінен асып түседі. Қоспа концентрациясы көп болатын осы екі материалдан жасалынған р-типті үлгіде төмен температурада Холл коэффициенті оң болады (n0 ≈ 0 болғанда). Алмастыру күйіне (p0up2 = n0un2) дейін температураны жоғарылатқан сайын, Холл коэффициенті де электрондардың қоғалғыштығының жоғары болуына байланысты теріс болады, бірақ кемтіктердің концентрациясы электрондардың концентрациясынан әлі де асып түсуде. Холл эффектісі жартылай өткізгішті материалдардың сипаттамаларын анықтау әдісінің негізі ретінде ғана қызықты емес, сонымен қатар мысалы магнит өрісінің кернеулігін өлшеу үшін, екі шаманы бір-біріне көбейту үшін және басқа да мақсаттар үшін қолданылатын жартылай өткізгішті аспаптардың жұмыс істеу принципі ретінде де қызықты. Осы құбылысты пайдаланатын кең көлемді аспаптарды жасауда қолданылады. Осындай аспаптар ретінде тұрақты және магниттік өрістерді өлшегіштер, қуатты өлшегіштер, көбейткіштер алынады. Жұмысты орындау тәртібі  Қондырғының сұлбасы РА1 1. Желіге түзеткіштерді, қоректенетін электромагнитті, үлгінің ток тізбегін және милливольтметрді жарықтандырғышты (бір штепсельді вилка) қосу керек. 2. Iкері тогының кейбір мәнін ток тізбегінде үлгі арқылы орнату керек. Iкері мәнін кестеге енгізіңіз. Кезекті эксперименттік мәндерді және есептеу нәтижелерін кестеге енгізіңіз. 3. Электромагнит тізбегінде Iэм тогының қандай да бір мәнін (0,1-0,3)А интервалында орнатыңыз. 4. Милливольтметрдің көрсеткіші бойынша 1 ЭҚК мәнін өлшеу. 5. SA кілті арқылы магнит өрісінің бағытын өзгертіңіз. 6. 2 ЭҚК өлшеңіз. 7. Екі рет Iкері немесе Iэм өзгертіңіз және 1 мен 2 сәйкес мәндерін өлшеңіз. 8. Iкері мен Iэм реостаттардың көмегімен минимумға дейін төмендетіп, түзеткіш пен милливольтметрді жарықтандырғышты желіден айырыңыз. 9. Iэм мәндері арқылы градуирленген график көмегімен В индукцияның сәйке келетін мәндерін анықтаңыз. 10. Әр үш өлшеу үшін Холл ЭҚК х есептеңіз:  11. Холл тұрақтысының сәйкес келетін мәндерін анықтаңыз:  ,мұнда d – үлгінің қалыңдығы, 2,710-3 м тең. 12.   13. Үлгідегі еркін заряд тасымалдаушылардың концентрациясын анықтаңыз  ,мұнда е=1,610-19 Кл және заряд тасымалдаушылардың концентрациясын анықтаудағы абсолют қателікті анықтаңыз:  Кесте
Бақылау сұрақтары. Қандай құбылыстар гальваномагниттік деп аталады? Холл эффектісінің физикалық мағынасы неде? Әр түрлі қосуларда электрондық және кемтіктік жартылай өткізгіштер үшін Холл ЭҚК таңбасын қалай анықтауға болады? Заряд тасымалдаушылардың бір немесе екі типті жартылай өткізгіштердің айырмашалығы қандай? Холл эффектісі арқылы жартылай өткізгіштерді заряд тасымалдаушылардың концентрациясы мен қозғалғыштығы қалайша анқыталынады? |
,
,