Лабораторная работа 6. Изучение эффекта холла

Цель работы: определить постоянную Холла для исследуемого полупроводника, концентрацию носителей тока в нем, установить тип его проводимости.

Приборы и принадлежности: селеновая полупроводниковая пластина в оправе, электромагнит, источник питания электромагнита (выпрямитель), источник питания датчика Холла (выпрямитель), микроамперметр, миллиамперметр, резистор с регулируемым сопротивлением, ключ.

Изучите теоретический материал по одному из учебных пособий: [1, гл. ХI§ 79; 2, гл. ХVIII§ 18.2; 3, гл.VIII§ 36].

Эффект Холла – это явление возникновения разности потенциалов между гранями пластины, помещенной в магнитное поле, если через пластину проходит электрический ток.

Важно понять, что поперечная разность потенциалов возникает только между гранями пластины, которые параллельны линиям индукции магнитного поля и току (на рис. 6.1 точки1 и 2).

Ток I, проходящий через пластину, есть совокупность направленного движения зарядов, поэтому на каждый заряд величиной е действует сила Лоренца , которая отклоняет положительные заряды к одной стороне пластинки, а отрицательные – к противоположной стороне пластинки (направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки).

Следует четко представлять, что полярность холловской разности потенциалов зависит от типа проводимости вещества пластины. В самом деле, если бы носителями тока были положительные частицы, то при направлении тока, указанном на рис. 6.1, они двигались бы вправо и сила Лоренца отклоняла бы их вниз. Нижняя сторона пластины заряжалась бы положительно, а верхняя – отрицательно, т.е. ₂ – ₁>0.

Если носителями тока являются отрицательные частицы, то при направлении тока, указанном на рис. 6.1, они будут перемещаться влево. Сила Лоренца будет отклонять такие частицы также вниз. Теперь нижняя сторона пластины зарядится отрицательно, а верхняя – положительно, и разность потенциалов ₂–₁<0.

Рис. 6.1.

Обратите внимание на то, что величина поперечной разности потенциалов Холла прямо зависит от индукции магнитного поля В и силы тока I и обратно от толщины пластины a. Для этого учтите, что появление противоположных зарядов на верхней и нижней гранях приводит к возникновению электрического поля напряженностью , которое начнет препятствовать отклонению зарядов. Когда электрическая сила, действующая на заряд носителя токае, уравновесится силой Лоренца , т.е. выполнится условие

еЕ_у = еB, (6.1)

накопление зарядов на верхней и нижней гранях пластины прекратится. При этом между точками 1 и 2 (см. рис. 6.1) установится разность потенциалов

₂ – ₁ =Е_уd

или с учетом формулы (6.1)

₂ – ₁ = Bb. (6.2)

Средняя скорость v упорядоченного движения носителей тока может быть найдена из формулы

I=enS=enbd,

где n – концентрация носителей тока;

S=bd – площадь поперечного сечения пластины.

Тогда выражение (6.2) примет следующий вид:

₂ – ₁=

или

₂ – ₁=, (6.3)

. (6.4)

Величина R_н называется постоянной Холла.

Разность потенциалов ₂ – ₁ представляет собой электродвижущую силу, возникающую на участке между точками 1 и 2 пластины. Эту ЭДС называют холловской:

ε_н = ₂ – ₁.

Эффект Холла используется в двигателях внутреннего сгорания для бесконтактной электронной системы зажигания (БСЗ). Стабильная работа БСЗ обеспечивается тем, что у нее нет механического контактного узла, как в классической системе, а его роль играет магнитоэлектрический датчик Холла. Кроме этого эффект Холла используется в научно-технических приложениях физики твердого тела для определения типа проводимости полупроводников. Определение типа проводимости позволяет судить о физических свойствах веществ, и, следовательно, о возможности их применения в различных областях техники.