Методика выполнения работы

Цель работы: изучение эффекта Холла в полупроводниках, определение типа и концентрации носителей.

Приборы и принадлежности: магнит; датчик Холла; миллиамперметр; электронный вольтметр; стабилизированный источник питания с регулируемым выходным напряжением.

Описание установки: в качестве датчика Холла в работе применяется миниатюрная германиевая пластинка в виде правильного параллелепипеда толщиной (вдоль направления магнитного поля) b = 0,2 мм. На грани пластинки нанесены две пары электродов.

Рис. 1.16 Электроды 1-2, нанесенные на торцевые грани пластинки, служат для подключения к источнику тока. Электрод 1 подсоединен к (+) полюсу источника проводником коричневого цвета. Электроды 3-4, нанесенные на верхнюю и нижнюю грани, служат для измерения поперечной току разности потенциалов. Электрод 3 соединяется с сигнальной клеммой электронного вольтметра проводником зеленого цвета.

Рис. 1.17. Положение датчика Холла (ДХ) на держателе (Д):

символом (´) показано рекомендуемое направление вектора

При выполнении эксперимента необходимо учесть, что поперечная то­ку разность потенциалов может появиться из-за неоднородности материала пластинки и при отсутствии магнитного поля. Для исключения указанного фактора рекомендуется снять показания датчика Холла U₀без магнитного поля, а затем снять показания датчика (при том же токе в цепи) в магнит­ном поле (магнитная индукция между полюсами магнита равна 0.4 Тл) и определить ЭДС Холла по формуле

Э_х = U - U₀. (1.23)

Применение дифференциальной методики измерений позволяет также ис­ключить возможную систематическую погрешность вольтметра.

Порядок выполнения работы

Предупреждение! Перед началом работы с магнитом снимите наруч­ные часы во избежание порчи их механизма.

1. Проверьте правильность собранной схемы. Перед включением ис­точника питания установите ручки регулировки выходного напряжения в крайнее левое положение. Включите приборы и после их прогре­ва начните измерения.

2. Отодвиньте магнит от датчика Холла на достаточное расстояние (не менее 0,5 м). Плавно изменяя выходное напряжение источника питания, проведите измерения поперечной разности потенциалов U₀при 5 различ­ных значениях силы тока в цепи (по указанию преподавателя).

Внимание! Сила тока в датчике Холла не должна превышать 10 мА.

3. Поместите датчик Холла в магнитное поле параллельно плоскости полюсного наконечника магнита, установите одно из значений тока в цепи датчика, малыми перемещениями датчика и магнита добейтесь наиболь­шего показания вольтметра. При тех же значениях тока, что и в пункте 2, измерьте поперечную разность потенциалов U_хдатчика.

4. По формуле (1.23) рассчитайте Э_хдля каждого значения тока в цепи. Данные измерений и расчетов внесите в табл. 1.2.

5. С помощью формулы (1.21) рассчитайте постоянную Холла для каждого опыта, определите ее среднее значение и случайную погрешность.

6. Определите по знаку Э_х тип носителей в исследуемом образце. С помощью формулы (1.22) рассчитайте концентрацию носителей.

Таблица 1.2

№	I (мА)	U0	Uх	Эх	Rx		n (p)

Контрольные вопросы

1. Собственные полупроводники; виды носителей тока; энергетические зоны; расчет концентрации носителей; зависимость концентрации носителей от температуры.

2. Примесные полупроводники. Донорные примеси; электронные (n-тип проводимости) полупроводники. Акцепторные примеси; дырочные (p-тип проводимости) полупроводники.

3. Дрейфовая скорость носителей в электрическом поле; расчет силы тока в полупроводниках.

4. Действие магнитного поля на носители тока; сила Лоренца.

5. Механизмы возникновения эффекта Холла в электронных и дырочных полупроводниках. Определение типа носителей с помощью эффекта Холла.

6. Зависимость Э_х от индукции магнитного поля, силы тока, концентрации носителей и толщины пластинки полупроводника.

7. Расчет концентрации носителей по значению постоянной Холла.

8. Объясните причину частичной компенсации эффекта Холла в собственных полупроводниках; какой характер (электронный или дырочный) имеет ЭДС Холла в собственных полупроводниках?

9. Почему в металлах эффект Холла менее выражен по сравнению с полупроводниками?

Список литературы

1. Спиридонов О. П. Физические основы твердотельной электроники: Учеб. пособие. – М.: Высш. шк. 2008. С. 30-37, 62-68.

2. Савельев И. В. Курс общей физики: В 5 кн.: Кн. 2: Электричество и магнетизм: Учеб. пособие. – М.: Астрель, 2003. С. 276-279.

3. Киреев П. С. Физика полупроводников: Учеб. пособие. – М.: Высш. шк. 1975. С. 256-268.