22830

ВИЗНАЧЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ НОСІЇВ ЗАРЯДУ В НАПІВПРОВІДНИКАХ З ЕФЕКТУ ХОЛЛА

Лабораторная работа

Физика

ВИЗНАЧЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ НОСІЇВ ЗАРЯДУ В НАПІВПРОВІДНИКАХ З ЕФЕКТУ ХОЛЛА В основу вимірювання концентрації електронів покладено явище Холла яке полягає у виникненні поперечної різниці потенціалів при проходженні струму по провіднику напівпровіднику який знаходиться в магнітному полі перпендикулярному до лінії струму. Ефект Холла в електронній теорії пояснюється так. Введемо сталу Холла 7 Тоді 8 Отже згідно з формулою 8 вимірявши силу струму I у...

Украинкский

2013-08-04

71.5 KB

1 чел.

Робота 12. ВИЗНАЧЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ НОСІЇВ ЗАРЯДУ В НАПІВПРОВІДНИКАХ З ЕФЕКТУ ХОЛЛА

В основу вимірювання концентрації електронів покладено явище Холла, яке полягає у виникненні поперечної різниці потенціалів при проходженні струму по провіднику /напівпровіднику/, який знаходиться в магнітному полі, перпендикулярному до лінії струму.

Ефект Холла в електронній теорії пояснюється так. Якщо по провіднику /напівпровіднику/ іде струм і зовнішнє магнітне поле   відсутнє, то еквіпотенціальні поверхні електричного поля створюють систему перпендикулярних до площин, в одній з яких бажано розмістити холлівські електроди /мал.29/.

Потенціал в усіх точках кожної поверхні , отже і в точках А  і С , однаковий. При наявності магнітного поля, спрямованого до читача нормально до площини мал.29, на кожній носій заряду буде діяти сила Лоренца. Припустимо, що ми має мо напівпровідник, в якому є носій

заряду тільки одного знака, наприклад, додатнього, тобто дірки. У цьому випадку сила Лоренца дорівнює      /1/

і спрямована перпендикулярно до верхньої грані пластини. Під її дією у дірок з"явиться складова руху в напрямку верхньої грані. Біля цієї грані утвориться лишок додатніх зарядів, а біля нижньої лишок від"ємних. Отже, виникне додаткове поперечне електричне поле, яке буде урівноважувати дію сили Лоренца. Внаслідок цього  носії заряду будуть рухатися у тому ж напрямку  , що і  у відсутності магнітного поля.Точки А і С , які у відсутності магнітного поля були на одній і тій же еквіпотенціальній поверхні, тепер матимуть різні потенціали. Різниця цих потенціалів називається холлівською різницею потенціалів. Визначимо її, виходячи з електронної теорії. Стаціонарний розподіл зарядів буде тоді, коли

/2/
Різниця потенціалів дорівнює

                                                                                 /3/

/   b   - ширина пластинки/. .                

Сила струму через напівпровідник    /4/

/  d  - товщина пластинки/,     звідки                        /5/

Підставимо /5/ в /3/, тоді

                        /6/  

Це і є формула холлівської різниці потенціалів. Введемо сталу Холла  

 

                                          /7/

Тоді                                              /8/

Отже, згідно з формулою /8/, вимірявши силу струму I у провіднику, різницю потенціалів Ux. , магнітну Індукцію B  і товщину пластинки d , можна обчислити сталу Холла, а потім за формулою /7/ визначити концентрацію носіїв  заряду.

При урахуванні закону розподілу електронів за швидкостями і застосуванні класичної статистики стала Холла має вигляд     

                                                                                                                                                 /9/

Застосування статистики Фермі-Дірака дає вираз /7/.    У напівпровідниках концентрація носіїв заряду значно менша, ніж в металах, тому доцільно користуватися формулою /9/. В одному і тому ж напівпровіднику може бути або електронна,або діркова провідність залежно від характеру домішок. За знаком сталої Холла  можна визначити тип провідності напівпровідника.

При зміні напряму магнітного поля або струму поперечна різниця потенціалів змінює знак. Це дозволяє легко відрізнити ефект
Холла від побічних ефектів /градієнт температури, нерівномірний розподіл домішок, нееквіпотенціальність електродів тощо/. Для
виключення можливих помилок досліди завжди треба виконувати при двох протилежних напрямах магнітного поля. При одному напрямі
магнітного поля різниця потенціалів  , де
Ux - е.р.с. Холла, Un, - всі Інші побічні е.р.с. При протилежному напрямі поля U2=-Ux+Un. Звідси  ,тобто вплив побічних ефектів ліквідовано.

Мета роботи: визначити тип та концентрацію носіїв електричних зарядів у напівпровіднику.

Необхідні прилади: досліджуваний зразок, електромагніт, мілі-веберметр, подвійні перемикачі, амперметр, випрямляч, цифровий вольтметр, мікроамперметр, джерело струму.

Різницю потенціалів слід вимірювати компенсаційним методом, скориставшись, наприклад, цифровим вольтметром Щ-43ІЗ. Принципова схема установки для вимірів подана на мал.ЗО. Магнітне поле  створюється  між полюсами електромагніта і залежить від сили струму, який проходить через котушки електромагніта. Магнітну Індукцію  B  між  полюсами електромагніта визначають з вимірів магнітного потоку Ф за допомогою мілівеберметра.

Завдання та обробка результатів вимірювань

І. Скласти схему згідно мал.ЗО.

2. Визначити величини індукції магнітного поля між полюсами єлектромагн1ту.

3. Для зменшення помилки у визначенні потенціалів Холла вимірювання слід проводити, змінюючи кожного разу напрям  магнітного  поля.

      4. За знаком різниці потенціалів Холла визначати знак носіїв заряду в досліджуваному напівпровіднику. Напрям  Ф визначити за  допомогою                              

       компаса.

5. З вимірів холлівської різниці потенціалів обчислити середнє значення сталої Холла, а за нею концентрацію носіїв заряду для даного зразка.

6.Обчислити похибку, з якою визначена концентрація носіїв заряду.

Контрольні питання

І. Механізм виникнення е.р.с. Холла.      

2. Вплив заряду носіїв електрики на  знак  е.р.с. Холла.

3. Метод вимірювання концентрації носі.їв заряду.

4. Усунення впливу побічних факторів при дослідженні холлівської   е.р.с.

5. Принцип дії мілівеберметра.

6. Чи одна і та ж швидкість V  у формулах  /2/ і /4/?

Список літератури

І. Сивухин Д.В. Общий курс физики. -М., 1983. -С.438-443. 2. Физический практикум: Злектричество й оптика /Под ред. В.И.Ивероновой. -М., 1968. -С.140-145, з. 90.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

417. Установка приложения на персональный компьютер на примере Matlab 687.38 KB
  Для того, чтобы установить Matlab на компьютер, запускаем установочный файл пакета Matlab. Автоматически запустится мастер установки данного продукта.
418. Проект цеха по ремонту автотракторной техники 96 KB
  Значительная часть промышленных зданий и сооружений возводится по типовым проектам. Сегодня промышленная архитектура является областью творчества, обладающей своими средствами выразительности. Типовые столбчатые монолитные железобетонные фундаменты под колонны промышленных зданий.
419. Проектирование и исследование механизма шагового конвейера 686.5 KB
  Кинематическое исследование рычажного механизма, план механизма при рабочем и холостом ходах. План скоростей для начального звена. Погрешности кинематического расчета. Общие положения и определения инерциальных нагрузок. Силовой расчет ведущего звена при рабочем ходе.
420. Станция локальной вычислительной сети с маркерным способом доступа 591.5 KB
  Разработка структурной и принципиальной схемы станции локальной вычислительной сети (ЛВС). Разработка блок-схемы алгоритма работы станции в режиме ликвидации логического соединения. Написание программы в командах микропроцессорного комплекта серии PIC16C64.
421. Построение с помощью компьютерной графики 767.5 KB
  Построение третьего вида по двум данным. Построение трех видов с простыми разрезами. Местные виды, сечения, выносные элементы, местные разрезы (на примере вала) в среде AutoCAD 2011.
422. Построение эмпирических формул методом наименьших квадратов 575.5 KB
  Нахождение эмпирических формул методом наименьших квадратов (МНК) посредством возможностей пакета Microsoft Excel, Mathcad, MATLAB. Уравнения различных видов с помощью аппроксимации линейной, квадратичной и экспоненциальной зависимостей.
423. Привод к роликовому конвейеру 4.24 MB
  Выбор электродвигателя и кинематический расчет привода. Предварительный расчет валов редуктора и выбор подшипников. Проверка прочности шпоночных соединений. Конструирование корпуса редуктора.
424. Философское учение о ценностях (аксиология) 164.5 KB
  В качестве философской категории ценность — то, что чувства людей диктуют признать стоящим над всем и к чему можно стремиться, созерцать, относиться с уважением, признанием, почтением. Жизненные ценности: их роль в воспитательной деятельности. Типы ценностного сознания в истории культуры.
425. Использование стекла в архитектуре 79 KB
  Сырьем для производства обычного стекла служит главным образом оксид кремния (71-73%), или, иначе говоря, обычный песок. Оксиды магния и алюминия выполняют стабилизирующую функцию, повышая прочность стекла.