IMG77

200

Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki

Rys. 25.2. Kształt próbki do pomiarów napięcia Halin

Próbka do pomiaru napięcia Halla powinna mieć specjalne kontakty, aby wyeliminować niekorzystne efekty utrudniające pomiar (wstrzykiwanie nośników, zwieranie próbki, rekombinację nośników). Przykładowy kształt próbki do pomiaru napięcia Halla jest przedstawiony na rysunku 25.2. Prąd płynie między kontaktami (1) i (2), natomiast napięcie Halla jest mierzone między kontaktami (3-4) lub (5-6). Napięcie V przyłożone do próbki mierzymy pomiędzy kontaktami (3) i (5) w celu wyeliminowania dodatkowego spadku napięcia na kontaktach. Przez kontakty (3) i (5) w odróżnieniu od (1) i (2) nie płynie prąd elektryczny.

Zjawisku Halla towarzyszy szereg efektów utrudniających prawidłowy pomiar napięcia. Są to:

a) zjawisko Ettingshauscna - powoduje ono powstanie poprzecznego względem kierunku przepływu prądu, gradientu temperatury spowodowanego odchylaniem przez pole magnetyczne w przeciwne strony „gorących"

(o prędkości większej od v_jr) i „zimnych” (o prędkości mniejszej od v_jr) nośników ładunku. Poprzeczny gradient temperatury powoduje powstanie napięcia termoelektrycznego na kontaktach (3) i (4), które dodaje się do napięcia Halla (stanowi ono około 5% napięcia U_H).

b) zjawisko Nernsta - powoduje ono powstanie gradientu temperatury wzdłuż kierunku przepływu prądu na skutek różnego rozpraszania „gorących” i „zimnych” elektronów. Podłużny gradient temperatury powoduje powstanie poprzecznego poła elektrycznego w wyniku przepływu strumienia ciepła w polu magnetycznym. Powstałe napięcie dodaje się do napięcia Halla.

c)    zjawisko Righiego-Leduca - przepływ strumienia ciepła powoduje powstanie również poprzecznego gradientu temperatury. Efektowi temu towarzyszy napięcie termoelektryczne dodające się do napięcia Halla.

d)    napięcie asymetrii - napięcie powstające pomiędzy elektrodami (3) i (4) oraz (5) i (6) przy przepływie prądu na skutek ich niesymetrycznego położenia.

Wartość napięcia Halla można jednak określić, jeżeli wykona się cztery niezależne pomiary napięć przy dwu przeciwnych kierunkach przepływu prądu I i przy dwu

Ćwiczenie 25

zui

przeciwnych zwrotach indukcji B, czyli odpowiednio: C/,.(+7,+B). Uj(—I,+B), U)(—l,—B), U,_t(+I,—B). Wówczas:

Wyprowadzając równanie (25.7), założono, że w warunkach równowagi siła Lorentza kompensuje siłę wywołaną hallowskim polem elektrycznym E_H, czyli w kierunku poprzecznym w płytce nic płynie prąd elektryczny. Zatem pomiar napięcia Halla należy przeprowadzić bez przepływu prądu w tym kierunku. W tym celu do pomiaru napięcia Halla zazwyczaj stosuje się kompensacyjne metody pomiaru małych napięć, woltomierze lampowe i cyfrowe o dużej rezystancji wejściowej lub elektrometry.

25.2. Opis układu pomiarowego

Układ pomiarowy do wyznaczenia napięcia Halla składa się z pulpitu pomiarowego, do którego przymocowany jest magnes stały, pomiędzy biegunami magnesu wytwarzane jest pole magnetyczne o indukcji równej 0,36 T, zasilacza prądu stałego, amperomierza, woltomierza cyfrowego i badanych próbek półprzewodnikowych.

Na pulpicie umieszczone jest gniazdo, do którego dołącza się końcówkę przewodów badanej próbki półprzewodnikowej oraz znajdują się gniazda, poprzez które przyłącza się do układu zasilacz prądu stałego, amperomierz i woltomierz cyfrowy oraz są dwa przełączniki. Gdy przełącznik W, znajduje się w pozycji 1, przy pomocy woltomierza cyfrowego mierzone jest napięcie Halla. pomiędzy kontaktami (3) i (4) badanej próbki (rys. 25.2), w pozycji 2 przełącznika W, mierzone jest napięcie l/,_₅ pomiędzy kontaktami (3) i (5), w kierunku zgodnym z kierunkiem przepływu prądu przez próbkę. Przełącznik W₂ służy do zmiany na przeciwny kierunku przepływu prądu wzdłuż próbki.

Badane w ćwiczeniu próbki półprzewodnikowe z kontaktami omowymi i z dołączonymi przewodami są na stałe zamocowane do specjalnych płytek. Końcówkę przewodów próbki dołącza się do układu pomiarowego poprzez gniazdo w pulpicie.

25.3. Przeprowadzenie pomiarów

1.    Na zasilaczu prądu stałego pokrętło ustalające napięcie należy ustawić w położeniu zerowym (lewe skrajne położenie).

2.    Podłączyć badaną próbkę półprzewodnika do gniazda pomiarowego w pulpicie.

3.    Za pomocą pokrętła zasilacza prądu stałego ustawić wartość natężenia prądu płynącego przez próbkę z zakresu 3-5 mA.