Исследование_эффекта_ эффекта_холла. Лабораторная работа ИсследованиеэффектаХоллав полупроводнике
 Скачать 96.89 Kb.
|
|
ЗАО «Санкт-Петербургские инструменты» Лабораторная работа «ИсследованиеэффектаХоллав полупроводнике » Описаниеиметодическиеуказания. 2009 г. г . Санкт-Петербург 2 Лабораторная работа «ИсследованиеэффектаХоллав полупроводнике » Цельработы: изучение действия магнитного поля на движущиеся заряды в полупроводнике, с электронным типом проводимости, определение постоянной Холла, концентрации и подвижности носителей заряда. Приборы и принадлежности: специальная измерительная установка с источником магнитного поля (электромагнит - ЭМ) и датчиком Холла. Установка для исследования эффекта Холла, электрическая схема которой представлена на рис. 1, состоит из датчика Холла ДХ, выполненного в виде пленки, напыленной на подложку из диэлектрика с четырьмя электродами для подведения электрического тока и съема разности потенциалов Холла; электромагнита ЭМ − состоящего из соосной системы двух круговых катушек с током, расположенных на сердечнике из магнитомягкого материала; источников питания Е1иЕ2; переменных резисторов R1 «ТокДХ» и R2 «ТокЭМ»; миллиамперметра mA «ТокДХ», амперметра A «ТокЭМ», вольтметра V «U х » и операционного усилителя ОУ. ЭМ создают магнитное поле, возбуждаемое током от источника Е2. Ток I 2 , создающий магнитное поле В в зазоре между катушками ЭМ, изменяется с помощью потенциометра R2 и измеряется амперметром А. Выключение тока катушек производится выключателем SW. Ток через датчик Холла устанавливается потенциометром «ТокДХ» и измеряется миллиамперметром mА. Разность потенциалов Холла U x усиливается ОУ и измеряется вольтметром V. 3 рис.1 Исследуемыезакономерности ЭффектХолла. Если вдоль пластины полупроводника, помещенной поперек магнитных силовых линий В, протекает электрический ток силой I, то на заряженную частицу, движущуюся со скоростью v , будет действовать сила Лоренца B v e F × = в направлении, перпендикулярном к полю и току. В результате между гранями с электродами 1 и 2 появится поперечное электрическое поле B v e F E x = (1) (эффект Холла). Между электродами 1,2 создается разность потенциалов Холла. b E V x x = (2) При этом знак разности потенциалов определяет тип носителей тока в материале полупроводника. В используемом датчике Холла носителями тока являются электроны. Замечая, что сила тока db v ne I = (3) n − концентрация носителей тока в полупроводнике, и решая совместно mA V A R1 R2 E1 E2 SW ОУ ЭМ ЭМ ДХ 1 2 4 (1), (2) и (3), получим d IB R d IB ne U x = = 1 где константа ne R 1 = (5) называется постоянная Холла. Измеряя величину R, можно с помощью (5) найти концентрацию носителей тока n, а по знаку U x установить тип проводимости полупроводника − электронный или дырочный. Зная удельную электропроводность полупроводника σ, можно найти подвижность носителей тока, действительно, плотность тока пр η E ne v ne j = = где Е пр − продольная составляющая электрического поля. Таким образом, η σ пр ne E j = = , следовательно σ η R = (6) Магнитное полеЭМв центре симметрии определяется по формуле ср r NI B B 4 10 6 , 14 7 0 × × + = − (7) где , В 0 - начальная индукция магнитного поля сердечника ЭМ, I 2 − сила тока (А), N- число витков в катушке ЭМ, r ср - средний радиус катушки ЭМ и В − индукция магнитного поля (Тл). Параметрыустановки Круговые катушки: N = 250 витков r ср = 35 мм Коэффициент усиления операционного усилителя k = 55 Размер d (толщина)полупроводника d = 0,5 мкм Удельная электропроводность полупроводника σ=3,4 10 -1 Ом -1 5 Заданиепоподготовкекработе При подготовке к работе учащийся должен 1) изучить описание работы и продумать ответы на контрольные вопросы; 2) подготовить общую часть отчета по лабораторной работе, содержащую титульный лист, краткое описание исследуемых закономерностей, задачи эксперимента, описание (схема или эскиз) лабораторной установки и методики проведения эксперимента; 3) подготовить протокол наблюдений с соответствующими таблицами. Указанияпопроведениюнаблюдений 1. На мультиметрах установите следующие пределы измерений: «U х » - «20V DC»; «Ток ДХ» - «200 mA DC»; «Ток ЭМ» - «20V DC». 2. Потенциометр «ТокДХ» выведите в крайнее левое положение. 3. Потенциометр «ТокЭМ» выведите в крайнее левое положение до щелчка. 4. Включите установку. При этом включаются источники питания Е1 и Е2. 5. Потенциометр «ТокЭМ» установите в крайнее правое положение. 6. Установите ток I 1 через ДХ равным 7,5 мА 7. Прогрейте установку в течении 15 минут. 8. Потенциометр «ТокЭМ» выведите в крайнее левое положение до щелчка. 9. Снимите показания U вольтметра «U х ». Это значение U будет пропорционально значению U x при значении B=B 0. При этом Ux=U/K, где K – коэффициент усиления операционного усилителя. 10.Поворотом ручки потенциометра «ТокЭМ» до щелчка вправо подключите источник питания Е2 к катушкамЭМ. При этом появятся показания на амперметре «ТокЭМ». Изменяя силу тока I 2 через катушки ЭМ снимите зависимость ( ) B f U x = , фиксируя не менее 7 значений тока I 2 11.Измерения по п. п. 7, 8 и 9 проведите для 5 значений тока I 1 через ДХв диапазонеот 2 мАдо 10 мА. 6 Заданиепообработкерезультатов 1. Постройте семейство зависимостей ( ) B f U x = для разных I 1 , откладывая по оси x U разность потенциалов в вольтах, а по оси В − индукцию магнитного поля в Теслах, вычисленную по формуле 7. Значение Ux рассчитайте по формуле: Ux=U/K. 2. По величине углового коэффициента полученных прямых рассчитайте среднее значение и доверительную погрешность постоянной Холла R. 3. Вычислите концентрацию пносителей тока в полупроводнике и их подвижность η |