Лабораторний практикум з фізики. Частина 3 (ядерна фізика, статистична фізика і термодинаміка, фізика твердого тіла)

Предмет:

Фізика

Тип роботи:

Навчальний посібник

К-сть сторінок:

142

Мова:

Українська

Оцінка:

поля вектор напруженості електричного поля направлений вздовж осі X. У цьому випадку різниця потенціалів між точками А і В рівна 0, оскільки точки А і В лежать на одній еквіпотенціальній поверхні. Під дією магнетного поля у напрямку, перпендикулярному до та , вздовж осі У виникає електричне поле, напруженість якого позначимо через Еу. Напруженість результуючого поля визначається вектором . Оскільки еквіпотенціальні поверхні перпендикулярні до силових ліній, тобто до , то еквіпотенціальна поверхня, яка проходить через точку О, повернеться на кут φ, що називається кутом Холла. Точки А і В у даному випадку не лежатимуть на одній еквіпотенціальній поверхні, тому між цими точками виникне різниця потенціалів Uх, яку називають холлівською.

Рис. 8. 2. 1

Рис. 8. 2. 2

Розглянемо зразок напівпровідника у вигляді пластинки, розміри якої подано на рис. 8. 2. 2. Нехай відомо, що провідність напівпровідника монополярна, для прикладу – діркова. При вибраному напрямку струму вздовж додатного напрямку осі Х швидкість дірок при відсутності магнетного поля збігається з цим напрямком. При наявності магнетного поля на дірку діятиме сила Лоренца, в результаті чого дана дірка, а також всі інші дірки, змістяться в сторону верхньої грані напівпровідника. Оскільки напівпрвідник у будь-якому випадку буде електронейтральним, то з протилежної сторони розмістяться від'ємні заряди. У результаті перерозподілу електричних зарядів виникне поперечна різниця потенціалів Ux і поле . Перерозподіл електричних зарядів у напівпровіднику буде здійснюватись до тих пір, доки електрична сила не стане рівною силі Лоренца Fл:

Fл= Fе. (1)

Для напівпровідників із змішаною, тобто електронною і дірковою провідністю, під дією сили Лоренца відхиляються як електрони, так і дірки. Кількісне описування цього явища суттєво ускладнюється. Постійна Холла в цьому випадку залежить від концентрації і рухливості носіїв обох знаків, причому вклади електронів і дірок в сукупний ефект – різного знаку.

Використання ефекту Холла.

1. Вимірюючи знак і значення постійної Холла (11), можна встановити тип носіїв заряду і їх концентрацію. Одночасно вимірюючи питому електропровідність, є можливість визначити цілий ряд фундаментальних характеристик напівпровідників: ступінь чистоти, енергію активації домішок і ширину забороненої зони, відношення рухливості дірок і електронів і їх ефективні маси.

Рис. 8. 2. 3

2. Поява холлівської ЕРС використовується в більшості вимірювальних пристроїв і схем автоматики: в магнетометрах (для вимірювання індукції магнетного поля), струмомірах (для вимірювання сили струму, який протікає в кабелях), ватметрах, для перетворення постійного струму в змінний, генерування, модуляції і демодуляції електромагнетних коливань. Для виготовлення холлівських датчиків успішно використовують Ge і Si, однак найкращі результати одержані при використанні InSb, InAs, InAsxP1-x тощо.

Хід роботи

1. Ознайомтесь з лабораторною установкою і приведіть її в робочий стан, при цьому кремнієвий напівпровідник розміщується між полюсами постійного магнету з індукцією, яка вказується на лабораторній установці. Там же ви знайдете розміри кремнієвого зразка. Електрична схема установки подана на рис. 8. 2. 3

І1. 2, мкА

вимірювання холлівського струму для трьох значень струму через напівпровідник. Ці та інші необхідні параметри, які є на лабораторній установці, занести до таблиці. І1. 2, мА

Обробка експериментальних результатів

1. Для трьох значень струмів через напівпровідник розрахувати відповідні значення холлівської різниці потенціалів між точками (3, 6) напівпровідника, скориставшись законом Ома:

Ux=Іх (r+ r3. 6).

2. Скориставшись співвідношенням (10), обчислити значення сталої Холла. У цьому випадку:

Середнє значення сталої Холла дає можливість визначити концентрацію носіїв струму в напівпровіднику:

де q=l, 610-19 Кл.

Розрахувати значення питомої електропровідності напівпровідника У цьому випадку:

де a, b, d – розміри кремнієвого зразка в м;

r1, 2 – опір зразка між точками 1 і 2.

5. Оцінити величину рухливості носіїв (наш напівпровідник має діркову провідність). Тому

де q – елементарний заряд;

n – концентрація носіїв.

Контрольні запитання

1. Електропровідність металів. Надпровідність, магнетні властивості надпровідників.

2. Енергетичні зони в кристалах, розщеплення енергетичних рівнів. Розподіл електронів по енергетичних зонах.

3. Валентна зона, зона провідності в металах, напівпровідниках і діелектриках.

Лабораторна робота № 8. 3 ВИВЧЕННЯ ФОТОЕЛЕКТРИЧНИХ ЯВИЩ В НАПІВПРОВІДНИКАХ ТА ХАРАКТЕРИСТИК НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ФОТОЕЛЕМЕНТА

Мета роботи: вивчити закони внутрішнього фотоефекту на прикладі одержання вольт-амперної і світлової характеристик напівпровідникового фотоопору та знаходження його питомої чутливості.

Прилади і матеріали: досліджуваний фотоопір, установка для зняття вольт-амперної і світлової характеристик.

Теоретичні відомості

Суттєва різниця електронного спектра металів і напівпровідників, що описана раніше, визначає специфіку поглинання світла напівпровідниками. Розглянемо власний напівпровідник із шириною забороненої зони Eg, енергетична діаграма якого показана на рис. 8. 3. 1.

Рис. 8. 3. 1

Тут Еv – верхній енергетичний рівень заповненої валентної зони. Ев -нижній енергетичний рівень вільної зони або зони провідності. ЕF – рівень Фермі

Очевидно, що Eg=Eв-Ev. При Т0 в зоні провідності є деяка кількість вільних електронів, а у валентній зоні – така ж