24 - Sprawozdanie z Halotronu


Data ćwiczeń 18.11.2004

0x01 graphic

Fizyka Eksperymentalna

ćw. 24 - Badanie efektu Halla

Zespół numer 20

  1. Konopska Małgorzata

  2. Mamaj Wojciech

  3. Rybka Paweł

R.A 2004/05

Grupa 4

Semestr III

Politechnika Warszawska

Wydział Inżynierii Lądowej

Semestr III Grupa 4

1. Podstawy fizyczne

Aby poprawnie wykonać dane ćwiczenie, należy zapoznać się z podstawowymi pojęciami i zjawiskami fizycznymi, bez zrozumienia których, nie będziemy w stanie poprawnie wykonać i zrozumieć wykonywanego ćwiczenia.

W doświadczeniu zajmiemy się badaniem zjawiska Halla, które zaobserwujemy przy użyciu przyrządu, którego nazwa wzięła się od nazwiska konstruktora. Hallotron, jest to warstwa półprzewodnika naparowana na nieprzewodzące podłoże o bardzo niewielkiej grubości d = (100±1)μmi zaopatrzona w cztery elektrody. Prąd sterujący I halotronu przepływa wzdłuż naparowanej warstwy o długości l, a więc przez przekrój dc gdzie c = (2,5±0,1)μm - szerokość naparowanej warstwy.

Półprzewodniki charakteryzują się tym, że ich Eg = 0,1eV…5eV. Poniżej dolej granicy są to już przewodniki, a powyżej górnej - izolatory. Półprzewodniki mogą posiadać nośniki prądu, którymi mogą być swobodne elektrony lub dziury. Elektrony są to nośniki prądu obdarzone ładunkiem ujemnym, natomiast dziury są to nośniki o znaku dodatnim. Półprzewodniki, np. krzem, german mogą być samoistne bądź domieszkowane. Półprzewodniki samoistne w niskiej temp. są izolatorami, ponieważ pasmo przewodnictwa jest puste, ale wzrost temperatury może spowodować wzrost energii wystarczającej do przeskoku elektronów przez pasmo wzbronione. Domieszkowanie natomiast polega na wprowadzeniu do sieci krystalicznej półprzewodnika atomów obcego pierwiastka.

Na nośniki prądu w halotronie, działa prostopadła do kierunku przepływu prądu sterującego IS, oraz indukcji B, siła Lorentza FL. Pod jej wpływem w czasie przepływu prądu przez płytkę (wykonaną z przewodnika lub półprzewodnika) zmienia się tor nośników prądu:

F= q v x B

gromadzą się one, na powierzchni bocznego przekroju warstwy tak długo dopóki działanie ich pola elektrycznego nie skompensuje siły Lorentza. Obecność zgromadzonych ładunków można wykryć mierząc różnicę potencjałów Uh, która to właśnie jest napięciem Halla, między bocznymi powierzchniami naparowanej warstwy halotronu. Na jednej z tych powierzchni gromadzą się właśnie ładunki spychane tam siłą Lorentza, co jest widoczne na poniższym rysunku:

0x08 graphic

Zgromadzone przy ściankach bocznych ładunki wytwarzają pole elektryczne (zakładamy, że jednorodne) o natężeniu Uh/c, które działa na ładunki nośników prądu sterującego q siłą F=q Uh/c. W warunkach równowagi F=FL, a więc q Uh/c = q v B, gdy kierunek prądu sterującego jest prostopadły do wektora indukcji B. Stąd otrzymujemy

0x01 graphic

Prędkość nośników prądu jest tym większa im większe jest natężenie prądu sterującego Is płynącego przez halotron i im mniejsza jest koncentracja n nośników prądu w półprzewodniku. Z definicji natężenia prądu jako strumienia ładunków mamy

0x01 graphic

e - ładunek elementarny (ładunek nośnika prądu)

Podstawiając v z powyższego wzoru do wzory na napięcie Halla, mamy:

0x01 graphic

Pomiar napięcia Halla pozwala wyznaczyć koncentrację nośników w próbce pod warunkiem, ze poruszają się w niej tylko nośniki jednego znaku. W dalszych rozważaniach przyjmiemy, że w naszym halotronie dominują nośniki jednego znaku tak silnie, że możemy pominąć wpływ pozostałych na wartość napięcia Halla i na rezystancję Rh próbki.

Z prawa Ohma i z definicji natężenia prądu Is, mamy:

0x01 graphic

µ - ruchliwość nośników prądu

U - spadek napięcia wzdłuż halotronu.

U/l - jest to natężenie pola elektrycznego w warstwie w kierunku prądu sterującego

µ∙U/l - jest to średnia prędkość ruchu nośników tego prądu w kierunku pola

Z dwóch powyższych wzorów możemy wyznaczyć koncentrację n i ruchliwość µ przez łatwo mierzalne wielkości; wzory te przyjmują następującą postać:

0x01 graphic
0x01 graphic

Zatem ze wzorów na koncentrację n i ruchliwość µ wynika, że napięcie Halla Uh jest wprost proporcjonalna do iloczynu natężenia prądu sterującego Is lub napięcia U przyłożonego do warstwy i indukcji magnetycznej B.

Z tych wzorów wynika także to, iż iloczyn koncentracji n i ruchliwości µ jest odwrotnie proporcjonalny do rezystancji warstwy Rh. Podstawiając, bowiem U = RhIs (z prawa Ohma) do wzoru na ruchliwość µ otrzymujemy:

0x01 graphic

- iloczyn ne∙µ nazywamy przewodnictwem właściwym warstwy

- iloraz 1/n•e - stałą Halla

2. Cele ćwiczenia

a) Badanie proporcjonalności napięcia Halla Uh do natężenia prądu sterującego Is i spadku napięcia U na halotronie. Wyznaczenie koncentracji nośników n i ich ruchliwości m.

Budujemy układ według schematu:0x08 graphic

Przeprowadziliśmy badanie, które miało na celu wykazanie, jak zmienia się napięcie Halla Uh w zależności od prądu sterującego Is oraz od wartości pola magnetycznego B. Zmieniające się wraz z Is napięcia Uh i U przedstawione zostały w tabelach i na wykresach Uh od Is oraz Uh od U:

Tabele z wynikami przeprowadzonych badań:

Dla IB = 0 Dla IB = 1,4 B = 112[mT]

Lp.

I [mA]

U [V]

UH [V]

1

3,2

-0,541

0

2

3,4

-0,581

0

3

3,7

-0,628

0

4

4,0

-0,683

0

5

4,4

-0,748

0

6

4,9

-0,828

0

7

5,5

-0,927

0

8

6,3

-1,052

0

9

7,3

-1,217

0

10

8,7

-1,444

0

11

10,4

-1,713

0

Lp.

I [mA]

U [V]

UH [V]

1

3,2

-0,543

-21,5

2

3,4

-0,584

-23,2

3

3,7

-0,631

-25,1

4

4,0

-0,686

-27,3

5

4,4

-0,752

-29,9

6

4,9

-0,832

-33,0

7

5,5

-0,930

-37,1

8

6,3

-1,057

-42,0

9

7,3

-1,222

-48,5

10

8,7

-1,450

-57,8

11

10,4

-1,723

-68,4


Dla IB = 1,7 B =134[mT] Dla IB = 2 B = 154[mT]

Lp.

I [mA]

U [V]

UH [V]

1

3,2

-0,550

-25,4

2

3,4

-0,591

-27,4

3

3,7

-0,639

-29,6

4

4,0

-0,695

-32,2

5

4,4

-0,761

-35,3

6

4,9

-0,842

-39,0

7

5,5

-0,942

-43,6

8

6,3

-1,065

-49,6

9

7,3

-1,231

-57,3

10

8,7

-1,459

-67,9

11

10,4

-1,728

-80,8

Lp.

I [mA]

U [V]

UH [V]

1

3,2

-0,547

-29,5

2

3,4

-0,588

-31,7

3

3,7

-0,636

-34,3

4

4,0

-0,691

-37,3

5

4,4

-0,758

-40,9

6

4,9

-0,838

-45,3

7

5,5

-0,937

-50,6

8

6,3

-1,064

-57,4

9

7,3

-1,231

-66,5

10

8,7

-1,459

-78,7

11

10,4

-1,747

-93,5

Dla IB = 2,3 B = 172[mT]

Lp.

I [mA]

U [V]

UH [V]

1

3,2

-0,549

-33,7

2

3,4

-0,590

-36,2

3

3,7

-0,638

-39,1

4

4,0

-0,693

-42,5

5

4,4

-0,760

-46,6

6

4,9

-0,840

-51,6

7

5,5

-0,940

-57,7

8

6,3

-1,067

-65,6

9

7,3

-1,233

-75,8

10

8,7

-1,462

-80,0

11

10,4

-1,737

-106,9

W doświadczeniu zostały wykorzystane następujące mierniki prądu i napięcia:

Nazwa

Zakres

Błąd pomiaru

Miliamperomierz

200mA

±1,2%rdg+1dgt

Woltomierz

2V

±0,5%+1dgt

Woltomierz (na halotronie)

200mV

±0,5%+1dgt

rdg- wartość pomiaru

1dgt- wartość ostatniej cyfry odczytu

Prostokąty niepewności na wykresach zostały obliczone w następujący sposób:

ΔUh = zakres • klasa = 200mV • 0,5% = ± 1mV

ΔIs = zakres • klasa = 200mA • 0,5% = ± 0,1mA

ΔU = zakres • klasa = 2V • 0,5% = ± 0,01V

b) pomiar rezystancji halotronu

Budujemy układ jak na rysunku:

0x08 graphic

Powstał w ten sposób dzielnik napięć utworzony przez halotron H i opornicę R. Napięcia na tych elementach dzielnika mierzone są przez dwa identyczne woltomierze V. Dobieramy rezystancję opornicy R (około 250 W) tak by oba woltomierze V wskazywały to samo napięcie. Wówczas rezystancja opornicy równa jest rezystancji halotronu.

Możemy również obliczyć rezystancję halotronu ze wzoru:

0x01 graphic

0x08 graphic
0x08 graphic
podstawiając do powyższego wzoru koncentrację n oraz ruchliwość µ:

c) Badanie zależności koncentracji n i ruchliwości µ oraz rezystancji halotronu Rh od temperatury T:

Halotron umieszczony w polu magnetycznym elektromagnesu i ustalamy wielkość natężenia prądu elektromagnesu IE (B = const.).

Umieszczamy termoparę w górnym otworze miedzianej obudowy halotronu i łączymy z miernikiem temperatury T. Regulujemy miernik tak by wskazywał temperaturę pokojową. W dolnym otworze obudowy miedzianej umieszczamy grzałkę i łączymy ją z zasilaniem. Nastawiamy regulator temperatury na wybraną temperaturę i rozpoczynamy grzania.

Po ustaleniu się temperatury mierzymy rezystancję halotronu Rh, natężenie prądu sterującego Is oraz napięcie Uh i spadek napięcia U na halotronie. Przedstawiamy zmierzone i obliczone wartości Rh i n wartości µ w funkcji temperatury T przedstawiamy w logarytmicznym układzie współrzędnych.

Jeżeli punkty leżą na prostych to wyznaczamy ich współczynniki kierunkowe i obliczamy przerwę energetyczną ∆E półprzewodnika oraz wykładnik potęgi m opierając się na teoretycznych zależnościach:

0x01 graphic
0x01 graphic
0x01 graphic

k - stała Boltzmana

d) obliczamy n oraz ∆n

Do obliczenia wartości koncentracji nośników zastosowaliśmy wzór:

0x01 graphic
gdzie: 0x01 graphic

Jednostka jest następująca:

0x08 graphic

Dane potrzebne do obliczeń:

grubość hallotronu: d = (100 ± 1) μm

szerokość: c = (2,5 ± 0,1) mm

długość: l = (10,0 ± 0,1) mm

ładunek elektronu: e = 1,6•10-19 [C]

Zależności 0x01 graphic
przedstawione na załączonych wcześniej wykresach pozwoliły nam obliczyć współczynnik kierunkowy a:

0x01 graphic

Wykorzystując otrzymane wartości możemy obliczyć koncentrację nośników:

0x01 graphic

Podstawiając dane do powyższego wzoru otrzymujemy wynik:

dla B = 112mT , a = 6,72 , n = 1,04•1021

dla B = 134mT , a = 7,93 , n = 1,05•1021

dla B = 154mT , a = 9,19 , n = 1,04•1021

dla B = 172mT , a = 10,38 , n = 1,03•1021

Błąd koncentracji Δn policzyliśmy ze wzoru:

0x01 graphic

ΔB = 0,13 [mT]

Δn = 0,01•10210x01 graphic
0x01 graphic

a więc błąd względny obliczony ze wzoru:

0x01 graphic

wyniósł:

Δnwzg = 1,0%

Otrzymaliśmy wynik końcowy:

n = (1,04±0,01)•10210x01 graphic

e) badanie dodatkowe

Przy okazji obliczania wartości koncentracji wykazaliśmy, że mimo różnych indukcji magnetycznych B, rozkład natężenia prądu sterującego Is oraz napięcia Halla Uh był taki, że koncentracja n dla danej temperatury pokojowej (około 200C) była niezmienna.

3. Dyskusja niepewności pomiarowej

Niepewności pomiarowe:

Błędy pomiarowe:

Niepewność pomiarowa Δn to połowa szerokości przedziału, w którym mieści się rzeczywista wartość wielkości mierzonej.

0x08 graphic
Niepewność bezwzględna: 0x01 graphic

Niepewność względna:

Niepewności pomiarowe mogą być:

Szacownie niepewności pomiarowej:

- mała ilość pomiarów (do 3)

Szacujemy, że Δx wynosi połowę wartości najmniejszej podziałki przyrządu pomiarowego, lub Δx obliczamy z klasy przyrządu ze wzoru:

0x01 graphic

- wielokrotny pomiar (powyżej 3)

Stosujemy rozkład Gaussa:

0x01 graphic

∆xi - odchylenie i-tego pomiaru od wartości średniej

n - liczba pomiarów

- niepewność pomiarowa wielkości złożonej

Jeżeli wynik pomiaru y jest przedstawiony za pomocą wzoru:

y = f (x1, x1), to niepewność Δy wyniku pomiaru jest równa:

0x01 graphic

  1. Wnioski i spostrzeżenia własne

Podczas wykonywania ćwiczenia zauważyliśmy, że napięcie Halla zależy wprost proporcjonalnie od natężenia prądu sterującego Is oraz od indukcji pola magnetycznego B, w którym znajdował się halotron. Podczas stopniowej zmiany na mniejszy oporu za pomocą opornicy dekadowej, natężenie prądu sterującego Is rosło, co jednocześnie powodowało wzrost napięcia Halla. Dzięki zaobserwowanym zjawiskom możemy stwierdzić, że teoretyczne założenia dotyczące hallotronu, mianowicie gromadzenia się ładunków przeciwnych znaków po przeciwnych stronach półprzewodnika znalazły oparcie w praktyce, Nasze badanie potwierdziło istnienie napięcia Halla oraz pozwoliło na wyznaczenie koncentracji n nośników w badanej próbce.

Zjawisko pojawiania się napięcia Halla zostało doskonale wykorzystane w technice, dzięki temu zjawisku powstało wiele pożytecznych przyrządów m.in. teslomierze halotronowe, czyli mierniki indukcji magnetycznej lub bezstykowe przełączniki sygnałów elektrycznych bądź wyspecjalizowane sondy halotronowe.

7

0x01 graphic

0x01 graphic



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
24 Sprawozdanie z Halotronu poprawione
24 - Sprawozdanie z Halotronu poprawione, Studia, II rok, Fizyka Eksperymentalna
24 - Sprawozdanie z Halotronu, Studia, II rok, Fizyka Eksperymentalna
24 sprawozdanie
lampa Browna, studia, studia, sprawozdania, Ćw 24, ćw24 zaliczone
sprawo 24, PW Transport, Gadżety i pomoce PW CD2, płytki, ChujWieCo, fizyka, fizyka, od Marka, Fizyk
Sprawozdanie nr 24, m.szpaner, Semestr IV, Fizyka, Sprawozdania Fizyka
M24 - sprawozdanie, WAT, fizyka, semestr 2, Laborki, sprawka, ćw 24
fizy2 sprawozdanie15 wersja2, MIBM WIP PW, fizyka 2, laborki fiza(2), 24-Wyznaczanie długości fali ś
Sprawozdanie nr 24, 1 STUDIA - Informatyka Politechnika Koszalińska, Labki, sprawozdania fiza
Wyznaczanie ładunku właściwego elektronów, studia, studia, sprawozdania, Ćw 24, ćw24 zaliczone
Sprawozdanie 24, POLITECHNIKA
Sprawozdanie 208 - Wyznaczanie pętli histerezy ferromagnetyków za pomocą halotronu, Fizyka
Sprawozdanie 24, studia, studia, sprawozdania, Ćw 24
sprawozdanie 24- oddane, studia, studia, sprawozdania, Ćw 24, ćw24 zaliczone

więcej podobnych podstron