CW 7211, 1 STUDIA - Informatyka Politechnika Koszalińska, finish, fizyka1, fiza, Fizyka 2, 72(dodatkowa)


Rok akademicki 1998.1999

Laboratorium z fizyki

Nr ćwiczenia:

72

Temat:

Zjawisko Halla

Wydział: Elektronika

Kierunek: E-nika i Telekom.

Grupa: E01

Imię i nazwisko:

Bartlomiej Bujko

Data wykonania

Ocena

Data zaliczenia

Podpis

T

S

1. Zasada pomiaru.

Do najważniejszych zjawisk związanych z transportem ładunku elektrycznego w metalach i półprzewodnikach należy zjawisko Halla. Zjawisko to przejawia się pod wpływem pola magnetycznego o induckji B w elemencie przewodzącym prąd elektryczny o gęstości j i polega na powstaniu pola elektrycznego E . Określa to zależność:

           gdzie: RH - współczynnik Halla

     W przypadku gdy Bj to wartość wektora E jest równa: .

Zwrot pola elektrycznego E zależy nie tylko od zwrotów wektorów indukcji magnetycznej B i gęstości prądy j , ale także od rodzaju nośników ładunku, a więc współczynnik Halla przyjmuje zarówno wartości dodatnie lub ujemne. Najczęściej, za rodzaj nośników ładunku, przyjmuje się jednak elektrony, stąd zależność na współczynnik Halla wygląda następująco:

           gdzie: n - koncentracja elektronów

Wyznaczenie stałej Halla pozwala na obliczenie koncentracji n elektronów swobodnych w metalu lub elektronów półprzewodnictwa w półprzewodniku zdegenerowanym oraz ich ruchliwość μH , zwaną ruchliwością holowską:

            gdzie: ρ - opór właściwy materiału próbki

σ - przewodność właściwa materiału próbki

Element, którego zasada działania jest oparta na zjawisku Halla, nosi nazwę hallotronu.

Ma on zazwyczaj postać płaskiej płytki prostopadłościennej wykonanej z materiału półprzewodnikowego o grubości małej w stosunku do pozostałych wymiarów, to jest szerokości i długości. Elektrody umieszczone na całej powierzchni przekroju krótszych boków płytki, są nazywane elektrodami wejściowymi, sterującymi lub prądowymi, gdyż przez nie płynie prąd sterujący I . Natomiast elektrody umieszczone symetrycznie w środku obu dłuższych boków płytki nazywa się elektrodami Halla, wyjściowymi lub napięciowymi, gdyż na nich wytwarza się różnica potencjałów nazywana napięciem Halla:

            gdzie: V - średnia prędkość elektronów

a - odległość między elektrodami napięciowymi

Celem ćwiczenia było dokonanie pomiaru współczynnika Halla dla próbki półprzewodni-ka, wyznaczenie koncentracji i ruchliwości nośników.

2. Schemat układu pomiarowego.

3. Ocena dokładności pojedynczych pomiarów.

     Parametry próbki i warunki pomiarów efektu Halla

Lp.

Wielkość

Wartość

Błąd maks.

Jednostka

1

l

0,5

0,1

mm

2

a

3

0,1

mm

3

b

2

0,1

μm

4

ρ

1,5⋅10-3

-

Ωm

5

B

160

7,5

mT

      gdzie: l - długość próbki

a - szerokość próbki

b - grubość próbki

ρ - oporność właściwa

     Dokładność pomiarowa przyrządów użytych w ćwiczeniu:

       a) amperomierz analogowy:

       b) woltomierz cyfrowy:

4. Tabele pomiarowe.

Tabela 1. Wyniki pomiarów i obliczeń.

Lp.

I

-UH

UH

UHśr

Uhśr ⋅I

mA

mV

mV

mV

mV⋅mA

1

2

0,17

0,17

0,17

0,34

2

3

0,24

0,24

0,24

0,72

3

4

0,31

0,32

0,315

1,26

4

5

0,39

0,40

0,395

1,98

5

6

0,47

0,47

0,47

2,82

6

7

0,54

0,55

0,545

3,82

7

8

0,62

0,63

0,625

5,00

8

9

0,71

0,71

0,71

6,39

9

10

0,77

0,79

0,78

7,80

10

11

0,83

0,86

0,845

9,30

11

12

0,91

0,93

0,92

11,04

12

13

0,99

1,01

1,00

13,00

13

14

1,07

1,09

1,08

15,12

14

15

1,13

1,17

1,15

17,25

Δ

0,08

0,05% Ui

0,05% Ui

-

-

Σ

119

-

-

9,25

95,83

Tabela 2. Wyniki pomiarów i obliczeń (cz. 2).

Lp.

I2

Uhśr⋅ΔI

I⋅ΔUHśr

I⋅ΔI

mA2

mV⋅mA

mA⋅mV

mA2

1

4

0,01

0,17⋅10-3

0,15

2

9

0,02

0,36⋅10-3

0,23

3

16

0,02

0,63⋅10-3

0,30

4

25

0,03

0,99⋅10-3

0,38

5

36

0,04

1,41⋅10-3

0,45

6

49

0,04

1,91⋅10-3

0,53

7

64

0,05

2,50⋅10-3

0,60

8

81

0,05

3,20⋅10-3

0,68

9

100

0,06

3,90⋅10-3

0,75

10

121

0,06

4,65⋅10-3

0,83

11

144

0,07

5,52⋅10-3

0,90

12

169

0,08

6,50⋅10-3

0,98

13

196

0,08

7,56⋅10-3

1,05

14

225

0,09

8,63⋅10-3

1,13

Σ

1239

0,69

47,9⋅10-3

8,93

Tabela 3. Wyznaczanie napięcia Halla metodą regresji liniowej. Współczynniki.

N

∑ I

∑ Uhśr

∑ I⋅ UHśr

∑ I2

( ∑ I )2

-

mA

mV

mA mV

mA2

mA2

14

119

9,25

95,83

1239

14169

5. Przykładowe obliczenia wyników pomiarów wielkości złożonej.

       a) współczynnik kierunkowy prostej został wyliczony metodą regresji liniowej, wg

wzoru:

stąd:

     

       b) napięcie Halla (teoretyczne) obliczone metodą regresji liniowej wg wzoru:

współczynnik α obliczono w podpunkcie (a), natomiast wyraz wolny β został obliczony

ze wzoru:

stąd:

     

Na podstawie obliczonych powyżej czynników wzór na napięcie Halla wynosi:

np.

     

       c) stała Halla obliczona wg wzoru: :

     

       d) koncentracja nośników wyznaczona ze wzoru: :

       e) ruchliwość nośników wyznaczona ze wzoru: :

6. Rachunek błędów.

       a) błąd względny pomiaru współczynnika kierunkowego prostej został obliczony wg wzoru:

stąd:

     

       b) błąd maksymalny pomiaru stałej Halla został wyznaczony metodą różniczki logarytmicznej:

ostatecznie błąd wynosi:

       c) błąd maksymalny koncentracji nośników został obliczony metodą różniczki logarytmicznej,

analogicznie jak w podpunkcie (b):

       d) błąd maksymalny ruchliwości nośników wyznaczony metodą różniczki logarytmicznej:

7. Zestawienie wyników pomiarów.

       a) napięcie Halla wyznaczone metodą regresji liniowej

I

UH (teor.)

I

UH (teor.)

mA

mV

mA

mV

2

0,17

9

0,70

3

0,24

10

0,77

4

0,32

11

0,85

5

0,40

12

0,93

6

0,47

13

1,00

7

0,55

14

1,08

8

0,62

15

1,15

       b) stała Halla badanej próbki:

RH = ( 0,95 ± 0,11 ) ⋅10-6

       c) koncentracja nośników badanej próbki:

n = ( 6,60 ± 0,79 ) ⋅1024

       d) ruchliwość nośników badanej próbki:

μ H = ( 6,32 ± 0,75 ) ⋅10-4

          Pozostałe wyniki znajdują się w punkcie 4 sprawozdania.

8. Uwagi i wnioski.

W przeprowadzonym ćwiczeniu pomiary efektu Halla odbywały się z dość dużą dokładnością. Wpływ na to miały: dokładny amperomierz analogowy o  klasie 0,5 oraz bardzo dokładny miliwoltomierz cyfrowy. Błąd pomiarowy mógł natomiast wprowadzać fakt, że sondę holowską należało wprowadzać między bieguny magnesu odwracając ją o 180° podczas każdego pomiaru i w związku z tym jej koniec nigdy nie znajdował się idealnie na tym samym miejscu w centrum szczeliny. Ponadto zbyt czułe pokrętło regulacji prądu uniemożliwiało szybkie ustawienie ściśle żądanej wielkości, a pomiary zgodnie z zaleceniem musiały być wykonane w jak najkrótszym czasie.

Wyniki pomiarów okazały się być dokładne. Napięcie Halla wyliczone metodą regresji liniowej niewiele odbiegało od uśrednionych wartości napięć pomiarowych, w większości przypadków było niemal identyczne. Stan ten obrazuje dołączony do sprawozdania wykres zależności UH = f (I). Praktycznie wszystkie punkty pomiarowe leżą na wykreślonej na ich podstawie prostej. Obliczona wartość stałej Halla wyniosła ok. 0,95 , przy czym błąd jej wyznaczenia niewiele przekracza 10%. Koncentracja nośników badanej próbki wyniosła 6,6⋅1024 na metr sześcienny, natomiast ich ruchliwość ok. 6,3⋅10-4 .

- 7 -



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Cw.1 Wirownica, 1 STUDIA - Informatyka Politechnika Koszalińska, finish, Fizyka, sprawka od Mateusza
Cw.2 Wahadło, 1 STUDIA - Informatyka Politechnika Koszalińska, finish, Fizyka, sprawka od Mateusza,
Cw.5 Rzut ukośny, 1 STUDIA - Informatyka Politechnika Koszalińska, finish, Fizyka, sprawka od Mateus
LABO43, 1 STUDIA - Informatyka Politechnika Koszalińska, finish, Fizyka, sprawka od Mateusza, Fizyka
laborka nr 23 a, 1 STUDIA - Informatyka Politechnika Koszalińska, finish, fizyka1, fiza, Fizyka 2, 2
lab fiza 23, 1 STUDIA - Informatyka Politechnika Koszalińska, finish, fizyka1, fiza, Fizyka 2, 23
02.Rozszerzalność termiczna metali, 1 STUDIA - Informatyka Politechnika Koszalińska, finish, fizyka1
63, 1 STUDIA - Informatyka Politechnika Koszalińska, finish, Fizyka, fiza, Fiza, Fiza
FIZA W68 MOJE, 1 STUDIA - Informatyka Politechnika Koszalińska, finish, Fizyka, fiza, spr, fizyka,
sprawozdanie fiza 6 (cw. 50), 1 STUDIA - Informatyka Politechnika Koszalińska, Labki, fizyka1, fiza,
ĆWICZE~3, 1 STUDIA - Informatyka Politechnika Koszalińska, finish, fizyka1, fiza, Fizyka 2, 73

więcej podobnych podstron