Эффект Холла

Описание лабораторной установки и практические задания

Устройство установки

В состав лабораторной установки для исследования эффекта Холла входят (рис. 1): 1 – источник питания образца, 2 – милливольтметр, 3 – согласующий модуль, 4 – исследуемый образец, 5 – электромагнит, 6 – источник питания электромагнита, 7 – соединительные провода.



Рис. 1.

1. Источник питания образца
Для питания образца используется источник питания GPS-3030D, включённый в режиме стабилизации напряжения. Инструкция по эксплуатации GPS-3030D здесь.

2. Милливольтметр Для измерения ЭДС Холла и балансировки схемы применён мультиметр APPA201N, работающий в режиме измерения постоянного напряжения на пределе 200 мВ. Как пользоваться прибором, читаем здесь.

3. Согласующий модуль
Согласующий модуль обеспечивает соединение исследуемого образца, измерительных и питающих приборов в единую схему, согласование характеристик образца с параметрами источника питания, балансировку измерительной схемы.
На лицевой панели согласующего модуля (рис. 2 а) расположены: миллиамперметр, измеряющий ток образца, клеммы для подсоединения источника питания образца, переключатель пределов измерения миллиамперметра, переключатель направления тока образца.
На правой боковой панели модуля (рис. 2 б) установлен регулятор балансировки схемы, клеммы для подключения милливольтметра, измеряющего ЭДС Холла и разъём для подсоединения образца.



Рис. 2 а и 2 б.

4. Исследуемый образец
Исследуемый образец (рис. 3 а, 3 б) – полупроводниковая пластина, помещённая в диамагнитный бокс, который обеспечивает её экранировку, размещение в центре электромагнита, защиту от механических повреждений. Размеры пластины: длина 22,0 мм, ширина 1,9 мм, толщина 0,33 мм.
     

Рис. 3 а и 3 б.

5. Электромагнит
Электромагнит создаёт постоянное магнитное поле. Конструктивно выполнен в виде катушки с обмоткой из медного провода, размещённой на Ш-образном ферромагнитном сердечнике. В центральном стержне сердечника выполнен зазор высотой 12 мм для размещения в нём образца. Максимальная напряжённость магнитного поля около 0,25 Тл. Величина магнитного поля зависит от тока, проходящего через обмотку. Расчётный коэффициент написан на верхней поверхности сердечника электромагнита. При онлайн-измрениях этот коэффициент равен 773 Гс/А.

6. Источник питания электромагнита
Для питания электромагнита используется источник питания GPS-3030D, включённый в режим стабилизации тока. Инструкция по эксплуатации GPS-3030D здесь.

7. Схема лабораторной установки
Принципиальная схема лабораторной установки изображена на рис. 4.


Рис. 3.4.

Напряжение с источника питания GPS-3030D, работающего в режиме стабилизации напряжения, подаётся на образец через ограничительный резистор R1. Измерение тока образца производится стрелочным миллиамперметром, находящимся на передней панели согласующего модуля. Переключение пределов измерения миллиамперметра (10 мА – 3 мА) позволяет увеличить точность измерения тока образца. Сопротивление миллиамперметра при работе на пределе «3 мА» – 171 Ом, на пределе «10 мА» – 51 Ом. Для изменения направления тока через образец служит переключатель «Направление тока», имеющий среднее положение, в котором образец отключён от источника питания.
Для измерения ЭДС Холла используется мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения на пределе 200 мВ. Один из выводов мультиметра подсоединяется к контакту 3 образца, другой – к резистору R2 «Балансировка». Необходимость балансировки обусловлена тем, что при подсоединении измерительных контактов к образцу невозможно их расположить абсолютно точно друг напротив друга, в результате чего между этими выводами появится паразитная разность потенциалов, обусловленная током образца, которая будет давать систематическую аддитивную ошибку измерения ЭДС Холла. Чтобы её уменьшить, с одной из сторон делаются два контакта (4 и 5), к которым подсоединяются крайние выводы переменного резистора R2. Изменяя положение движка резистора R2, можно найти точку с потенциалом, равным потенциалу контакта 3. При этом показания мультиметра в идеале должны быть равны нулю, а в реальной жизни будут минимальны.
Для создания магнитного поля используется электромагнит, ток через который обеспечивается источником питания GPS-3030D, работающим в режиме стабилизации тока. Диод, включённый во встречном направлении параллельно обмотке электромагнита, предназначен для уменьшения ЭДС самоиндукции, которая может возникнуть при резких скачках тока электромагнита (например, при разрыве цепи или выключении источника питания). Величина этой ЭДС в зависимости от скорости изменения тока может на несколько порядков превышать напряжение на обмотке в стационарном режиме, что представляет опасность для оператора и оборудования.

Практические задания

1. Измерение вольтамперной характеристики образца
Проведите измерение вольтамперной характеристики образца в диапазоне токов 0...10 мА.

2. Балансировка и измерение паразитного напряжения

В описании схемы лабораторной установки рассказано о причинах возникновения паразитного напряжения, складывающегося с ЭДС Холла. Для повышения точности измерения следует снять зависимость паразитного напряжения от тока образца, чтобы потом учесть это напряжение при определении ЭДС Холла.
Для этого установите ток образца 5...7 мА, регулировкой «Балансировка» добейтесь минимального значения паразитного напряжения между измерительными контактами образца. Его величина должна быть не более 500 мкВ (балансировка производится только при реальной работе на установке). Измерьте зависимость паразитного напряжения от тока образца.
В заданиях 4 и 5 нужно будет устанавливать значения тока образца, использованные при выполнении этого задания, а из полученных результатов измерений ЭДС Холла вычитать соответствующие паразитные напряжения.

3. Определите тип основных носителей в образце, если магнитное поле направлено перпендикулярно к плоскости образца сверху вниз (рис. 3 б).

4. Измерьте зависимость ЭДС Холла от магнитного поля при токе образца 1...1,3 мА, 2...2,5 мА, 3,5...4,5 мА и 7...8 мА.

5. Измерьте зависимость ЭДС Холла от тока образца при магнитном поле 400...500 Гс, 700...800 Гс, 1300...1500 Гс, 1800...2000 Гс.

6. Постройте графики измеренных зависимостей. ЭДС Холла нужно вычислять, учитывая паразитное напряжение, измеренное в задании 2.

7. Вычислите для любых 10 точек: постоянную Холла, концентрацию основных носителей и их подвижность.

Техника безопасности

1. В цепи питания электромагнита возможно возникновение мощных импульсов напряжения до нескольких тысяч вольт. Это связано с большой индуктивностью катушки электромагнита и может произойти при резких изменениях тока, протекающего через электромагнит. Эти напряжения опасны для человека и могут привести к выходу из строя лабораторной установки. Для предотвращения опасной ситуации:

2. Сборку, разборку и любые изменения в схеме следует производить только при выключенном питании.
3. После сборки схемы перед её включением следует пригласить заведующего лабораторией. Он проверит правильность сборки схемы и проведёт инструктаж по технике безопасности на рабочем месте.