2. Експериментальна частина

2.1. Опис експериментальної установки

Установка для дослідження ефекту Холла в провідних середо-вищах складається з компактного вимірювального пристрою та ви-носного блоку з електромагнітом та об’єктом дослідження (напів-провідниковим зразком). Схематичне зображення з’єднання вузлів установки наведено на рис. 2.

Досліджуваний напівпровідниковий зразок виготовлений у вигляді паралелепіпеда (див. рис. 1) зі сторонами: a = 1,2 мм, b = 1,2 мм, d = 0,35 мм та має вхідний опір 1,8-3,3 кОм в залежності від температури.

Вектор електромагнітної індукції постійного магнітного поля, створюваного електромагнітом, є перпендикулярним до поверхні зразка, утворюваної сторонами ab.

Рис. 2. Схематичне зображення основних з’єднань установки для вивчення ефекту Холла в напівпровідниках

Коефіцієнт пропорційності між силою струму в котушці електромагніта й індукцією магнітного поля B = kI_м в щілині між його полюсами, де розміщується досліджуваний зразок відповідно рівний k = 2,7 Тл/А. Відносна магнітна проникність напівпровідни-кового зразка є приблизно рівною одиниці.

На передній панелі вимірювального пристрою розміщені нас-тупні органи керування й індикації:

• межі встановлення струму через зразок  – не більше 3 мА

• кнопки “СТРУМ +”, “СТРУМ –”, “НАПРЯМ СТРУМУ”, які задають величину та напрям струму через зразок або котушку електромагніту в залежності від вибраного режиму роботи;

Примітка: Після натискання кнопки “НАПРЯМ СТРУМУ” вели-чина струму набирає нульового значення, а напрям струму змінюється на протилежний.

• кнопка “ЕЛ. МАГНІТ – ЗРАЗОК” перемикає індикацію стру-му, що протікає через котушку електромагніту, чи досліджува-ний зразок, що відображається відповідними світлодіодами на табло індикації;

• межі встановлення струму через котушку електромагніта – 0-10 мА

• табло мА і мВ відображають величину струму через зразок/ко-тушку електромагніта та ерс Холла відповідно.

На задній панелі пристрою вимірювального розташований ме-режевий вимикач “МЕРЕЖА”.

2.2. Завдання та порядок виконання роботи

Завдання 1. Перевірити залежність величини ерс Холла U_X від ве-личини сили струму через зразок I_зраз при фіксованих значеннях електромагнітної індукції у зразку. Перевірити лінійність залежнос-ті U_X = f (I_зраз).

1. Ввімкнути установку.

2. Задати струм I_м через котушку електромагніту рівним 1 мА.

3. Кнопкою “ЕЛ. МАГНІТ – ЗРАЗОК” перевести установку в ре-жим вимірювання струму через зразок.

4. Виміряти величину ерс Холла в залежності від сили струму, що проходить через зразок, при дискретній зміні його величини че-рез кожні 0,3 мА у межах 0,0–2,4 мА. Збільшення (зменшення) величини струму через зразок здійснюється натисканням на кнопку “СТРУМ +” (“СТРУМ –”).

5. Натиснувши на кнопку “НАПРЯМ СТРУМУ” змінити напрям струму через зразок на протилежний й провести вимірювання аналогічно п.4.

6. Згідно п.4 та п.5 повторити вимірювання ерс Холла при струмах через електромагніт рівних 4 мА та 8 мА.

7. Побудувати залежність ерс Хола від величини струму через зра-зок за отриманими результатами ( U_X = f (I_зраз) ) та на графіках привести значення величин електромагнітної індукції, при яких вони отримані, а написи до залежностей подати у вигляді вели-чини індукції магнітного поля. Необхідно пам’ятати, що B = kI_магн , де k=2,7 Тл/А.

Завдання 2. Перевірити залежність ерс Холла від величини сили струму через котушку електромагніту при фіксованих значеннях сили струму через зразок. Перевірити лінійність залежності U_X = f (В).

1. Встановити значення струму через зразок рівним 1,0 мА.

2. Кнопкою “ЕЛ. МАГНІТ – ЗРАЗОК” перевести установку в ре-жим вимірювання струму через котушку електромагніту.

3. Виміряти величину ерс Холла в залежності від величини індукції магнітного поля у зразку. Силу струму, що проходить через електромагніт змінювати в межах 0–8 мА через кожен 1 мА. Збільшення (зменшення) величини струму через електромагніт здійснюється натисканням на кнопку “СТРУМ +” (“СТРУМ –”).

4. Натиснувши на кнопку “НАПРЯМ СТРУМУ” змінити напрям струму через котушку електромагніту на протилежний й провести виміри аналогічно п.3.

5. Згідно п.3 та п.4 повторити вимірювання ерс Холла при струмах через зразок рівних 1,6 мА та 2,0 мА.

6. Відобразити отримані дані U_X = f(B) на графіку, де B = kI_магн , k=2,7 Тл/А.

7. Використовуючи експериментальні результати і розглянувши ви-раз для ерс Холла (15) визначити за формулою (23) сталу Холла R_X

(23)

Знаючи R_X, обчислити концентрацію носіїв заряду у напівпро-віднику за формулою (24)

(24)

та побудуйте залежності R_X = f (U_X)