3.3 Результаты выполнения лабораторных работ

Представленные в третьем разделе лабораторные работы были выполнены. Приведем отчеты о проделанных работах и полученных в ходе их выполнения данных.

Лабораторная работа №1. Изучение физических принципов эффекта Холла.

Ход работы.

Перед началом работы для предотвращения сгорания полупроводникового элемента необходимо вывести регуляторы R₁ и R₂ в минимальное значение (крайнее левое положение) Ключи К₁ и К₂ должны быть разомкнуты. К клеммам 1-1 и 2-2 подключить миллиамперметр и милливольтметр соответственно, после этого включить стенд в сеть и опустить тумблер «Вкл».

При замыкании ключей К₁ и К₂ ток подается на ячейку Холла и электромагнит. Значение силы тока через ячейку Холла контролируется миллиамперметр и устанавливается равным 3 мА. Сила тока в электромагните регулируется ручкой R₂ по шкале на передней панели стенда и лежит в пределах от 0,25 А до 1,25 А. Первое значение силы тока в электромагните устанавливается равным 0,25 мА, значение холловской разности потенциалов снимается с милливольтметра. Аналогично проводятся измерения при значениях силы тока в электромагните равных 0,5; 0,75; 1 А.

Затем изменяется значение силы тока в ячейке Холла, его устанавливают равным 6 мА и проводятся аналогичные измерения при изменении значения силы тока в электромагните.

По градуировочному графику определяется значение индукции магнитного поля , создаваемого электромагнитом при различных значения силы тока в нем. Получив значения индукции можно рассчитать значение концентрации носителей тока n по следующей формуле

Истинным значением концентрации носителей тока считать среднее значение .

Все результаты измерений заносят в таблицу 4 вида:

Таблица 4

№ измерения	I, мA	I1 ,A	B, Тл	, мВ	n, м-3	, м-3
1	3	0,25	60	180	3,13∙1020	2,44∙1021
2		0,5	115	278	3,88∙1020
3		0,75	175	395	4,15∙1020
4		1	235	460	4,79∙1020
5	6	0,25	60	330	3,41∙1021
6		0,5	115	435	4,56∙1021
7		0,75	175	700	4,69∙1021
8		1	235	800	5,51∙1021

Лабораторная работа №2. Эффект Холла.

Ход работы.

Упражнение 1. Измерение удельного сопротивления.

Перед выполнением упражнения 1 необходимо разомкнуть ключи К₁ и К₂, вывести регуляторы R₁ и R₂ в минимальное значение(крайнее левое положение). Затем включить прибор в сеть и нажать тумблер «Вкл». К клеммам 1-1 и 3-3 подключить миллиамперметр и милливольтметр соответственно, замкнуть ключ К₁ и установить силу тока в образце равной 0,5 мА (сила тока контролируется миллиамперметром). Затем снять значение напряжения с милливольтметра.

Отметим, что при выполнении данного упражнения ключ К₂ разомкнут, т.е. ток на электромагнит не подается.

Увеличить силу тока I через ячейку Холла, установить ее равной 1 мА и повторно снять значение .Аналогично измерить при силе тока через исследуемый образец I = 1; 2 мА.

По окончании выполнения упражнения 1 постепенно уменьшить силу тока в образце плавно выводя ручку R₁ в минимум.

Вычислить величину удельного сопротивления по следующей формуле:

Численное значение определить как среднее из четырех измерений. Результаты измерений занести вида:

Таблица 5

№ измерения	I, мА	, мВ	, Ом	, Ом
1	0,5	336	0,46	0,43
2	1	600	0,44
3	2	1093	0,41
4	3	1610	0,41

Упражнение 2. Измерение эффект Холла.

Милливольтметр отключить от клемм 3-3 и подключить его к клеммам 2-2. Включить питание электромагнита замкнув ключ К₂. Установить ток через образец величиной I=0,5 мА, а в обмотке электромагнита установить ток равный I₁ =0,25А. После чего измерить ЭДС Холла с помощью милливольтметра, затем увеличить силу тока через электромагнит до I₁= 0,5А и повторно измерить ЭДС Холла. Аналогично произвести измерения ЭДС Холла при I₁ =0,75 и 1 А.

Затем регулятор R₂ поставить в минимальное значение, установить ток в образце I = 1 мА и произвести измерения ЭДС Холла при силе тока в электромагните I₁ = 0,25; 0,5; 0,75 и 1А. Аналогично произвести измерения при силе тока в образце I = 2 и 3 мА.

Вычислить удельную ЭДС Холла по формуле

Построить зависимость от индукции магнитного поля B (значение индукции магнитного поля определить по градуировочному графику, представленному на рисунке 8) и определить постоянную Холла R по крутизне наклона прямой (B). Представим полученные графики.

Рисунок 3.3 – График зависимости удельной ЭДС Холла от индукции магнитного поля B при силе тока в образце I=0,5 мА

Рисунок 3.4 – График зависимости удельной ЭДС Холла от индукции магнитного поля B при силе тока в образце I=1 мА

Рисунок 3.5 – График зависимости удельной ЭДС Холла от индукции магнитного поля B при силе тока в образце I=2 мА

Рисунок 3.6 – График зависимости удельной ЭДС Холла от индукции магнитного поля B при силе тока в образце I=3 мА

По найденным значениям удельного сопротивления и постоянной Холла R вычислить концентрацию носителей тока n в изучаемом полупроводнике и их подвижность , используя формулы:

Результаты измерений занести в таблицу следующего вида:

Таблица 6

№ измере ния	I, мА	I1, А	, мВ	, мВ	R,	n, м-3	,	В, Тл
1	0,5	0,25	317	0,1268	0,008	9,25∙1017	0,15	60
2		0,5	319	0,1276				115
3		0,75	325	1,3				175
4		1	327	1,308				235
5	1	0,25	628	0,1256	0,00026	2,85∙1019	0,051	60
6		0,5	633	0,1266				115
7		0,75	646	0,1292				175
8		1	649	0,1298				235
9	2	0,25	1200	0,12	0,00026	2,85∙1019	0,0055	60
10		0,5	1215	0,1215				115
11		0,75	1243	0,1243				175
12		1	1245	0,1245				235
13	3	0,25	1643	0,1095	0,0004	1,85∙1019	0,0085	60
14		0,5	1675	0,1117				115
15		0,75	1735	0,1157				175
16		1	1740	0,1160				235

В ходе апробации методики проведения разработанных лабораторных работ и тестирования лабораторного стенда были получены результаты, которые соответствуют табличным значениям изучаемых параметров материала.

Заключение

В ходе выполнения дипломной работы изучены физические основы гальваномагнитных преобразователей, средств и методов их работы. Измерительные преобразователи на основе эффекта Холла широко используются для измерения индукции постоянных или изменяющихся во времени по произвольному закону магнитных полей в широком диапазоне значений. Разнообразие практических задач, связанных с измерением индукции, определяет множество существующих и вновь разрабатываемых приборов, общность или различие которых может быть усмотрена в их структуре.

Проведена разработка и постановка лабораторных работ по курсам «Измерительная техника и проектирование измерительных устройств» и «Физические основы электроники».

На основе теоретического поиска и анализа литературных источников разработан и изготовлен лабораторный стенд для изучения физических принципов эффекта Холла и определения некоторых параметров полупроводниковых материалов.

Лабораторный стенд включает в себя в едином конструкционном блоке гальваномагнитный преобразователь (датчик Холла), электромагнит, блоки питания для подачи тока электромагнита и датчика Холла, средства регулировки электрических параметров при работе схемы, цифровые измерительные приборы (вольтметр, амперметр). Стенд позволяет проводить лабораторные работы, объясняющие физические принципы эффекта Холла. В частности, представляется возможным проводить изучение зависимости ЭДС Холла в полупроводниковом образце от напряженности магнитного поля, определять удельное сопротивление образца (полупроводникового элемента датчика Холла), концентрацию носителей тока в полупроводнике и их подвижность.

В ходе апробации методики проведения разработанных лабораторных работ и тестирования лабораторного стенда были получены результаты, которые соответствуют табличным значениям изучаемых параметров материала.

Разработанные лабораторные работы и стенд для их выполнения рекомендованы и внедрены в учебный процесс кафедры оптики учреждения образования «ГГУ им. Ф. Скорины».