ВИМІР КОНЦЕНТРАЦІЇ І РУХЛИВОСТІ НОСІЇВ СТРУМУ МЕТОДОМ ЕФЕКТУ Холл
Методичні вказівки до лабораторної роботи № 34
Метою цієї роботи є визначення методом ефекту Холла в напівпровіднику n- типу Німеччини найважливіших електричних характеристик - концентрації і рухливості носіїв струму. Дано визначення основних характеристик електричного струму. Розглянуто дію сили Лоренца в магнітному полі на рухомі електричні заряди. Показано, в чому полягає ефект Холла і як його можна використовувати для визначення електричних властивостей матеріалів або для вимірювання індукції і дослідження конфігурації магнітних полів. Наведено опис електричної схеми експериментальної установки. Описано порядок виконання роботи. Дано правила техніки безпеки і наведені контрольні питання.
Для студентів усіх спеціальностей з дисципліни «Фізика».
Іл.2. Табл. 2. Бібліогр. 2 назв.
Мета роботи. Визначення методом ефекту Холла в напівпровіднику n- типу Німеччини найважливіших електричних характеристик - концентрації і рухливості носіїв струму.
Прилади й приналежності. 1.Датчік Холла - пластинка германієвого напівпровідника з чотирма мідними електродами. 2. Постійний магніт. 3. Джерело постійного струму. 4. Вимірювальні прилади: вольтметр, ампетметр, мілівольтметр. 5. Перемикач.
Електричний струм можна характеризувати вектором щільності струму, модуль якого чисельно дорівнює силі струму I, що проходить через одиницю площі S поперечного перерізу провідника, перпендикулярного напрямку струму:
Сила струму I - скалярна фізична величина, яка визначається електричним зарядом, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу:
Щільність струму - вектор, орієнтований у напрямку струму, т. Е. Напрям вектора збігається з напрямком впорядкованого руху позитивних зарядів.
Якщо концентрація носіїв струму дорівнює n і кожен носій має елементарний заряд е. А середня швидкість упорядкованого руху носіїв v. то за час dt через поперечний переріз S провідника переноситься заряд
Відповідно до (1) і (2) сила струму дорівнює
I, (3) а щільність струму
Закон Ома в диференціальній формі пов'язує щільність струму з напруженістю електричного поля, що викликали появу цього струму:
З (4) і (5) слід:
де величина називається рухливістю носіїв струму і чисельно дорівнює середній швидкості упорядкованого руху носіїв заряду в електричному полі з одиничною напруженістю.
Таким чином, як видно з (6), електричні властивості матеріалів визначаються концентрацією n і рухливістю носіїв струму.
У даній роботі електричні характеристики напівпровідника визначаються методом ефекту Холла. Ефектом Холла називається виникнення в провіднику з струмом, вміщеному в магнітне поле, електричного поля в напрямку, перпендикулярному як току, так і магнітного поля.
Пояснюється ефект Холла дією сили Лоренца на рухомі в магнітному полі електричні заряди. В металах і напівпровідниках n-типу, наприклад в Німеччині, з якого виготовлений датчик Холла, застосовуваний в цій роботі, носіями струму є електрони. При проходженні струму щільністю уздовж осі X в прямокутної пластині датчика (рис. 1) швидкість електронів буде направлена справа наліво. У магнітному полі з індукцією, спрямованої уздовж осі Z. на рухомі електрони діє сила Лоренца:
де - кут між векторами і, рівний в даному випадку (рис. 1).
Під дією сили Лоренца електрони відповідно до правила лівої руки відхиляються вгору. На верхній грані пластинки виникне підвищена концентрація електронів (вона зарядиться негативно), а на нижній межі - їх недолік (зарядиться позитивно). В результаті з'являється електричне поле, спрямоване вздовж осі Y, і між електродами 2 і 4 з'явиться різниця потенціалів U. звана холлівської. Якщо носії струму мають позитивний заряд, наприклад, «дірки» в напівпровідниках р-типу, то при направленні струму, зазначеного на рис.1, електричне поле буде направлено в протилежну сторону осі Y.
Відхилення зарядів в магнітному полі відбувається до тих пір, поки кулоновская сила, обумовлена дією поля, не врівноважить силу Лоренца. Кулонівська сила, що діє на електрон дорівнює:
де b - відстань між електродами 2 і 4.
Прирівнюючи (7) і (8), отримаємо вираз для холлівської різниці потенціалів:
· Встановлення включається в мережу 220 в.
· Будьте обережні при роботі. Уникайте контактів в місцях торкань. струмоведучих проводів з елементами схеми.
· У випадку несправностей викликайте лаборанта.
· Не залишати після виконання роботи установку під напругою.
бібліографічний список
Підписано в печать.07.02. Формат 60x84 / 16
Папір офсетний. Гарнітура «Таймс»
Ум. печ. л. 0.65. Уч.-изд. л. 0,7. Тираж 100 прим. замовлення
Волгоградська державна архітектурно-будівельна академія
Сектор оперативної поліграфії ЦІТ