Классический метод измерения величины эффекта Холла

В данной лабораторной работе производятся измерения параметров эффекта Холла в постоянных электрическом и магнитном полях. При этом измерения проводятся по методу классического эффекта Холла на образцах в виде тонких пластин (см. рис. 1). При наблюдении классического эффекта Холла необходимо иметь отношение длины образца к ширине не менее пяти (). В данной работе используется контактный способ определения параметров эффекта Холла, поэтому необходимо следить за качеством изготовления потенциальных контактов к образцу. Контакты должны быть «омическими» с малой величиной переходного (контактного сопротивления).

4. Описание установки для определения напряжения Холла и принципов её функционирования

Эффект Холла в данной лабораторной работе изучается с помощью электромагнита, который питается от стандартного блока питания постоянного тока. На передней панели этого блока питания находятся ручки управления выходным напряжением (верхняя пара ручек с надписями «Грубо» и «Точно»), ручки управления режимом стабилизации тока (нижняя пара ручек с надписями «Грубо» и «Точно»). Кроме того, на передней панели этого блока находятся вольтметр и амперметр, по которым можно контролировать выходное напряжение блока питания и силу тока, протекающего через обмотку электромагнита. Если не изменять полярность тока, протекающего через обмотку электромагнита (и при этом не учитывать величину гистерезиса), то можно откалибровать магнитное поле в зазоре электромагнита – построить зависимость индукции магнитного поля в зазоре электромагнита от силы тока, протекающего через обмотку электромагнита. Эта процедура выполняется путем изменения тока, протекающего через электромагнит, с одновременным измерением индукции поля в зазоре электромагнита. Для построения части петли гистерезиса в одном квадранте необходимо измерения величины поля в зазоре провести от нулевого значения тока обмотки электромагнита до максимально возможного и от максимально возможного – до нулевого. Функциональная схема для калибровки индукции поля в зазоре представлена на рис. 2. В качестве магнитометра применяется измеритель магнитной индукции компенсационного типа, в котором датчик Холла включен в одно из плеч моста, в другое плечо включен многоступенчатый резистор. Питание на этот мост подается на одну диагональ, а к другой диагонали подключается микроамперметр, выполняющий функции индикатора нуля. Величина поля в зазоре электромагнита отсчитывается по цифрам в четырех окошках. Эти цифры можно изменять поворотом рукояток, связанных со ступенчатым изменением номинала многоступенчатого резистора, включенного в плечо измерительного моста.

Рис. 2.Функциональная схема для калибровки электромагнита

Функциональная схема установки измерения коэффициента Холла и удельного электросопротивления пластин полупроводников представлена на рис. 3. Напряжение Холла измеряется цифровым вольтметром, имеющим входное сопротивление много больше сопротивления образца, в котором проводится наблюдение эффекта Холла. Ток, текущий через образец измеряется стрелочным миллиамперметром. В состав этой схемы входит коммутационная плата. На коммутационной плате расположены потенциометры и , которые предназначены для симметрирования () и для регулирования величины тока через образец (). Кроме того, на этой плате расположены ключи - тумблеры и . С помощью тумблера можно изменять направление тока через образец на противоположное, а тумблером можно подключать к вольтметру контакты 1, 2 и 3 образца для определения «холловского» напряжения или контакты 3 и 4 для определения величины падения напряжения на длине части образца (в отсутствие магнитного поля) для определения величины удельной электропроводности. При наличии магнитного поля в зазоре электромагнита между «холловскими» электродами образца образуется разность потенциалов, которая регистрируется цифровым вольтметром. Если бы «холловские» - потенциальные электроды на образце были строго симметричны, т.е. пары контактов находились бы на одной эквипотенциальной поверхности, то при протекании тока через образец (в отсутствие магнитного поля) между ними не обнаруживалось бы никакой разности потенциалов. Однако расположить эти электроды строго симметрично невозможно, вследствие технологических трудностей и неоднородности образцов. Для подавления возможной асимметрии при создании контактов часто используют схемотехническое симметрирование контактов к образцу. Хотя теоретически для определения напряжения Холла достаточно одной пары потенциальных контактов, практически к образцу обычно подводятся три пары проводников. Одна пара - токовые проводники - (красная оболочка проводов) - контактная пара 5 и 6. Потенциальные контакты 1 - 4 имеют соответствующие цвета оболочек проводников: белый, зеленый, голубой, бесцветный. Для проведения схемотехнического симметрирования контакт 3 специально располагают на эквипотенциальной плоскости, которая заключена между эквипотенциальными плоскостями контактов 1 и 2. Симметрирование проводят следующим образом. Ключ (тумблер) устанавливают в положение, при котором вольтметр подключается к движку потенциометра и контакту 3. Это положение ключа соответствует надписи . При наличии тока через образец, в отсутствие магнитного поля, изменяют положение движка потенциометра до тех пор, пока показания вольтметра не будут вблизи нуля. После этого, при подаче тока в обмотки электромагнита и нахождении образца в зазоре электромагнита, вольтметр покажет напряжение Холла. Зная толщину образца и измеряя силу тока и напряжение Холла , можно определить в соответствии с соотношением (1) величину коэффициента Холла.

Для определения величины удельного электросопротивления ключ устанавливают в положение . При этом образец будет подключен к вольтметру контактами 3 и 4., а к блоку питания образца контактами 5 и 6. Образец вынимают из зазора электромагнита. При пропускании тока через образец вольтметр покажет падение напряжения на образце. Убедившись в выполнении закона Ома (т.е. независимости сопротивления образца от величины и направления протекающего через него тока):

,

фиксируют величину сопротивления образца R. Удельное электросопротивление после этого можно определить из соотношения:

.

Рис. 3. Функциональная схема установки для определения напряжения Холла и удельного электросопротивления