Sprawozdanie z ćwiczenia B-14
Wydział |
Dzień/godz. czwartek 11-14 |
Nr zespołu |
|||
Elektryczny |
Data -04-1996 |
15 |
|||
Nazwisko i Imię 1. Dariusz Boczkowski |
Ocena z przygotowania |
Ocena z sprawozdania |
Ocena |
||
2. Michał Kołakowski |
|
|
|
||
3. Tomasz Kopacz |
|
|
|
||
Prowadzący: |
Podpis |
||||
Imię i Nazwisko |
prowadzącego |
||||
BADANIE EFEKTU HALLA.
1.Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia jest zaobserwowanie i pomiar efektów powstających w wyniku działania pola magnetycznego na nośniki prądu w ciele stałym.
2.Opis teoretyczny:
Halotron jest to cienka płytka półprzewodnikowa (grubość ok. 0,1mm) umieszczona na nie przewodzącym podłożu. Jest ona zaopatrzona w cztery elektrody (czasami w pięć do wyeliminowania zjawiska asymetrii). Przez dwie przepływa prąd sterujący, a pozostałe (prostopadle umieszczone) służą do odczytu powstałego napięcia Halla. Zjawisko odkryte przez Halla polega na pojawieniu się mierzalnej różnicy potencjałów zwanej napięciem Halla, (prostopadłym do wektora natężenia prądu), na przeciwległych bokach płytki, pod wpływem pola magnetycznego, którego wektor indukcji B jest prostopadły do płytki i do kierunku prądu elektrycznego. Zjawisko to tłumaczy się faktem działania siły Lorentza na poruszające się w polu magnetycznym elektrony. Kierunek tej siły wyznacza reguła lewej dłoni (siła jest prostopadła do wektora indukcji i wektora prędkości elektronów w półprzewodniku):
Siła Lorentza powoduje spychanie poruszających się elektronów, czyli gromadzenie ich na jednej powierzchni płytki (powodując niedomiar na przeciwległej powierzchni). Proces odchylania trwa do momentu, kiedy powstające poprzeczne pole elektryczne zrównoważy swą siłą przeciwnie skierowaną siłę Lorentza.
Znak występującego napięcia Halla zależy od rodzaju nośnika w danym półprzewodniku. Mogą nim być zarówno elektrony (typu n), jak i dziury (typu p).
3.Opis układu eksperymentalnego:
W układach pomiarowych zastosowano: halotron, źródło prądu stałego, elektromagnes, zasilacz uzwojenia elektromagnesu, opornicę dekadową, mierniki prądu i napięcia:
woltomierze cyfrowe: VC - 107, V544;
mierniki uniwersalne UM - 3a
Przy doborze mierników i rezystancji ograniczającej prąd sterowania, należy zwrócić uwagę na parametry znamionowe elementów. Otóż max. prąd sterowania halotronu wynosi Imax=15mA, natomiast max. prąd cewki elektromagnesu Imax c=1A. (Uwaga! ażeby nie zniszczyć halotronu, baterię należy włączać po zmontowaniu układu przy maksymalnej wartości rezystancji dekady). Dokładność użytych woltomierzy jest duża, natomiast dokładność amperomierzy średnia. Jednakże są one wystarczające dla właściwego zbadania zjawiska Halla.
4.Pomiar:
Pomiar Uh=f(B) przy Js=const
dla ustalonej wartości prądu sterującego przeprowadzamy serię pomiarów napięcia U dla kolejnych wartości prądu elektromagnesu Jm . Pomiary powtarzamy dla czterech możliwych kombinacji kierunku przepływu prądu przez próbkę i kierunku linii sił pola magnetycznego.
Wartość napięcia Halla obliczamy ze wzoru:
a wartość indukcji magnetycznej B wyznaczamy z krzywej cechowania elektromagnesem dla wielkości pomiarowych Jm
Pomiar Uh=f(J) przy B=const
pomiar powtarzamy jak w p. 2 zmieniając wartość prądu sterującego J przy ustalonej wartości indukcji magnetycznej B
5.Wyniki pomiarów:
Js = 9,5 [mA] |
B=1,22 [T] |
|||||||||
|
+J +B |
-J +B |
-J -B |
+J -B |
B [T] |
|
+J +B |
-J +B |
-J -B |
+J -B |
U1 |
+1444 |
-1447 |
+1363 |
-1364 |
|
U1 |
+863 |
-813 |
+814 |
-841 |
Jm |
2,4 [A] |
2,4 [A] |
2,4 [A] |
2,4 [A] |
1,75 |
Js |
9,5 [mA] |
9,5 [mA] |
9,5 [mA] |
9,5 [mA] |
U2 |
+970 |
-965 |
+879 |
-882 |
|
U2 |
+587 |
-563 |
+563 |
-589 |
Jm |
1,6 [A] |
1,6 [A] |
1,6 [A] |
1,6 [A] |
1,3 |
Js |
6,5 [mA] |
6,5 [mA] |
6,5 [mA] |
6,5 [mA] |
U3 |
+1193 |
-1199 |
+1124 |
-1123 |
|
U3 |
+514 |
-490 |
+491 |
-511 |
Jm |
2,05 [A] |
2,05 [A] |
2,05 [A] |
2,05 [A] |
1,55 |
Js |
5 [mA] |
5 [mA] |
5 [mA] |
5 [mA] |
U4 |
+1597 |
-1589 |
+1515 |
-1521 |
|
U4 |
+453 |
-431 |
+424 |
-445 |
Jm |
2,7 [A] |
2,7 [A] |
2,7 [A] |
2,7 [A] |
1,9 |
Js |
4 [mA] |
4 [mA] |
4 [mA] |
4 [mA] |
U5 |
+852 |
-853 |
-796 |
-797 |
|
U5 |
+308 |
-293 |
+291 |
-307 |
Jm |
1,4 [A] |
1,4 [A] |
1,4 [A] |
1,4 [A] |
1,15 |
Js |
3 [mA] |
3 [mA] |
3 [mA] |
3 [mA] |
6.Obliczenia , analiza błędów:
Wymiary halotronu:
d = 0,1 mm - grubość Δd = ± 0,001
e = 1,6 ⋅ 10-19 C - ładunek elektronu
Szacujemy: ΔU = ± 0,005 V ΔIs = ± 0,1 mA ΔB = ± 0,01 T ΔUH = ± 0,05 mV
a) Koncentracja
przy Js= const
przy B= const
Błąd wyznaczenia koncentracji (wyliczony różniczką logarytmiczną)
przy Js= const
przy B= const
7.Wyniki, wykresy:
Uh przy Js = 9,5 [mA] |
Uh przy B= 1,5 [T] |
1404,5 |
832,75 |
924 |
575,5 |
1159,75 |
501,5 |
1556,25 |
438,25 |
824,5 |
299,75 |
Źródłem występujących błędów są:
mierniki o określonych klasach dokładności, niedokładności wymiarowe płytki. Ponadto nigdy nie mamy możliwości zaobserwowania czystego efektu Halla, ze względu na efekty towarzyszące (np: natury termoelektrycznej i
termomagnetycznej) powodujące poprzeczne spadki napięć; asymetrię. Jednakże zasadniczym błędem jest stosowanie woltomierza (zamiast kompensatora) do pomiaru napięcia Halla. Nieprawidłowość ta jest spowodowana umożliwieniem poprzecznego przepływu ładunków przez próbkę.
8.Wnioski:
Zależności UH = f (IS), UH = f (U) są liniowe (co odzwierciedlają wykresy).
Wraz ze wzrostem indukcji B rośnie napięcie Halla.
Wyszukiwarka