Устройство и работа автоматизированного стенда

Работа реализована на стенде, который состоит из компьютера и измерительного блока. Измерительный блок (рис.4) состоит из магнитной системы с образцом и электронной части. Блок реализует классическую схему измерений для исследования эффекта Холла. Компьютер (совместно с программным обеспечением) является управляющим и индицирующим элементом стенда. Во время измерений стенд работает как в режиме цифрового осциллографа, так и в режиме измерений отдельных величин по приборам измерительной схемы.

 

Рис. 4. Измерительный блок

 

 

Схема измерения

Схем измерений, которые реализованы в реальном измерительном блоке, можно выбрать три – либо при помощи команд меню, либо при помощи панели инструментов окна (рис. 15). На каждой схеме присутствует свой набор управляющих и регистрирующих инструментов.

Схема измерений № 3 (рис. 18) предназначена для проведения однократных измерений с последующим изменением установок источников воздействия или однократных измерений при изменении температуры в результате нагрева или охлаждения. То есть, схема реализует измерение характеристик "по точкам" (например, зависимость э.д.с. Холла от индукции магнитного поля). Эта схема аналогична схеме № 1. Отличие состоит в том, что специальный вольтметр Vs2 и измеритель индукции B, измеряют положительные и отрицательные значения и определяют среднее. Такая возможность позволяет исключить из результатов измерений остаточную э.д.с. Холла, которая присутствует при нулевой индукции магнитного поля.

· Измеритель температуры.

· Нагреватель. Предназначен для включения (выключения) нагрева.

· Образец. Можно просмотреть данные об образце.

· Вольтметр V1. Предназначен для измерения напряжения вдоль линии тока.

· Управляемый источник тока. Предназначен для изменения тока через образец.

· Амперметр (А). Предназначен для измерения силы тока.

· Вольтметр специальный Vs2. Предназначен для измерения средней э.д.с. Холла.

Рис. 5 Схема измерений № 3

· Измеритель индукции (B). Предназначен для измерения средней величины индукции магнитного поля.

· Функциональный генератор. Предназначен для изменения тока через катушку, создающую магнитное поле в образце. Генератор задает положительные и отрицательные значения тока одинаковой амплитуды.

На схеме присутствуют следующие элементы:

Управляющие инструменты: Нагревательпредназначен для включения (выключения) нагрева, Управляемый источник тока 1 предназначен для изменения тока через образец, управляемый источник тока 2 предназначен для изменения тока через катушку, создающую магнитное поле в образце, функциональный генератор схемы № 3предназначен для изменения тока через катушку, создающую магнитное поле в образце. Генератор задает положительные и отрицательные значения тока одинаковой амплитуды. По такому же закону будет изменяться и магнитная индукция.

Регистрирующие инструменты:

Измеритель температурыпредназначен для измерения температуры.

 

Ход работы:

 

1. Результаты измерений заносим в таблицу 1

 

Таблица 1. Измеренные и рассчитанные величины

Temp	Tok	B	U	EDS		, 1/Ом*м	1/Т, 1/К	n
28,09	1,02	0,0441	2,18	0,002638	0,02743	1,559	0,0356	3,552E20
	1,02	0,04399	2,304	0,00265	0,02615	1,476	0,02778	3,527E20
40,05	1,02	0,04402	2,358	0,002658	0,02561	1,442	0,02497	3,519E20
45,27	1,02	0,04402	2,447	0,002691	0,02498	1,389	0,02209	3,475E20
50,25	1,019	0,04403	2,525	0,002699	0,02428	1,346	0,0199	3,464E20
55,17	1,019	0,04394	2,594	0,002695	0,02364	1,31	0,01813	3,463E20
60,28	1,019	0,04412	2,674	0,002715	0,02302	1,271	0,01659	3,451E20
65,94	1,017	0,04414	2,791	0,002719	0,02208	1,215	0,01516	3,44E20
69,7	1,019	0,04394	2,845	0,002728	0,02183	1,194	0,01435	3,419E20
76,53	1,019	0,04411	2,958	0,002741	0,021	1,148	0,01307	3,416E20
80,63	1,019	0,04398	3,023	0,002732	0,02055	1,124	0,0124	3,417E20
85,19	1,017	0,04408	3,106	0,002752	0,0201	1,091	0,01174	3,393E20
90,07	1,019	0,04405	3,178	0,002761	0,01972	1,069	0,0111	3,389E20

 

Порядок расчетов

1. Определяем температурную зависимость концентрации свободных носителей заряда, используя уравнение:

 

= ,

где: Rx = - коэффициент Холла,

q, Кл – величина заряда,

I, А – сила тока,

В, Тл – магнитная индукция,

Ux, V – ЭДС Холла,

b,мм – ширина образца.

 

2. Рассчитать значение .

3. Рассчитать электропроводность исследуемого образца соответственно по уравнениям:

R = U/I - закон Ома,

r = R*a*b/l - удельное сопротивление,

s = 1/r - электропроводности исследуемого образца

s = ,

где a, b – ширина и толщина образца, l - длина

4. Рассчитать подвижности свободных носителей заряда по уравнению (14):

=

 

3. построение графиков:

 

Рис. 1 График температурной зависимости концентрации свободных носителей заряда в координатах: .

 

Рис. 2 График температурной зависимости подвижности носителей заряда m.

 

а)

б)

Рис. 3 График температурной зависимости электропроводности исследуемых образцов в координатах: а) и б) .

5. Путем графического дифференцирования зависимостей и определить энергию ширины запрещенной зоны полупроводника, используя следующее уравнение , где k – постоянная Больцмана.

6. Результаты занести в таблицу 1

 

Вывод: Мы научились исследовать электрофизические характеристики полупроводников методом эффекта Холла. Благодаря эффекту Холла мы поняли суть процессов проводимости в полупроводниках.

Это обусловлено тем, что измерение ЭДС (разности потенциалов) Холла, дает возможность непосредственно определить концентрацию и знак носителей заряда. Последнее позволяет определить принадлежность материала к тому или иному типу полупроводников (p или n –типа). Наличие эффекта Холла в проводниках и полупроводниках свидетельствует об электронном характере проводимости. С помощью эффекта Холла возможно получить данные и о подвижности носителей заряда. Таким образом, эффект Холла – один из наиболее эффективных методов исследования электрических свойств полупроводниковых материалов.