Бекітемін Физика кафедрасының меңгерушісі Косов В. Н. 2019 ж. «Атом, атом ядросы және қатты дене физикасы»
ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕГІ ХОЛЛ ЭФФЕКТІСІН ЗЕРТТЕУ
жүктеу/скачать 5,44 Mb.
|
5 АТОМНАЯ ФИЗИКА КАЗ лаб 2019 дайын
- Бұл бет үшін навигация:
- Қажетті құрал-жабдықтар
| ЖАРТЫЛАЙ ӨТКІЗГІШТЕГІ ХОЛЛ ЭФФЕКТІСІН ЗЕРТТЕУ
Жұмыстың мақсаты: Холл тұрақтысы мен ток тасушылардың концентрациясын өлшеу. Жартылай өткізгіштегі ток тасушылардың электр өткізгіштігін және қозғалғыштығын анықтау. Қажетті құрал-жабдықтар: Жартылай өткізгіштегі Холл эффектісін зерттеуге арналған қондырғы ФПК-08. Қысқа теориялық мағлұмат Холл эффектісі – тұрақты токты өткізгішті магнит өрісіне орналастырған кезде көлденең қимада потенциялдар (холдық кернеу) айырымының пайда болу құбылысын 1979 жылы жұқа алтыннан жасалған пластинкада Эдвин Холл ашқан болатын. Көптеген қатты денелердің өткізгіштігі олардың құрамындағы электрондардың қозғалысына байланысты. Бұл электрондар барлық денелердегі атом құрамына кіреді, бірақ денелердің кейбіреулері электрлік токты өткізбейді, ал басқалары жақсы өткізгіш болып табылады. Мұндай айырмашылықтың себебі осы денелердегі сыртқы электрондардың энергетикалық күйлерінің ерекшеліктерінде. Атомдарды қатты денелерге (кристалға) біріктірген кезде сыртқы электрондардың қозғалыс сипаты айтарлықтай өзгереді. Бұл электрондар «өздерінің» атомдарымен байланстарын жоғалтады және бүтіндей кристалдың құрамына кіреді. Бірлік атомдағы электронның әр деңгейінің энергиясына кристалдағы энергия деңгейлері жақын топ – зона сәйкес келеді. Зонадағы деңгейлер саны сәйкес атомдық деңгейдегі орындар санын кристалдардағы атомдар санына көбейткенге тең. Бұл сан нақты кристалдарда өте үлкен, ал зона ені бірнеше электровольттан аспайды. Сонда жақын деңгейлердің энергияларында айырмашылық өте аз болып келеді. Деңгейлер толтырылған аумақтарда – рұқсат етілген зонада жекеленген деңгейлерді ажырату мүмкін еместей болып электрондар энергиясының жекеленген деңгейлері тұтасып кетеді. Бірақ зонаға біріккен деңгейлер саны, тұтасу кезінде өзгермейді. Ол зонаға «орналасатын» электрондардың (Паули принципі бойынша, әр электронның өз орны бар) максимум санын анықтайды. Рұқсат етілген зона деңгейлері жоқ аумақ – рұқсат етілмеген зонаға бөлінеді. Бұл деген кристалдағы қоғамдастырылған эдектрондар кез-келген энергияны емес, сол рұқсат етілген зонаға сәйкес келетін энергияны иемденетінін білдіреді. Зонадағы энергияның әрбір деңгейі кристалдағы электрон қозғалысының күйіне сай келеді. Бұл қозғалыс атомдағы секілді орбитальды емес, ол ілгерілемелі болып келеді. Әрине, электронның бір бағыттағы қозғалысына сай келетін кристалдың әрбір деңгейіне дәл сондай энергиясы бар, электронның қозғалысына дәл сондай импульспен қарама-қарсы бағытта қозғалатын деңгей жалғасады. Сонымен сыртқы электр өрісі болмаған кезде электр тоғы нөлге тең. Өріс болған кезде жағдай өзгереді. Электр өрісінің әсерінен өрістің бір жағындағы қозғалыс күйі басқа жағына қарағанда энергетикалық тиімді болады. Бұл кезде екі жағдайды айырып қарастыру керек. Егер энергетикалық зоналардың біреуі толығымен электрондармен толтырылса, ал келесі зона мүлдем бос болса, онда сыртқы электрлік өріс электрон қозғалысын өзгерте алмайды. Зонасы осылай толтырылған затты диэлектрик деп атайды. Толтырылған зоналардың жоғарғысы валентті зона деп аталады.. Егерде кристалда электрондармен жартылай толтырылған зона болса, жағдай өзгереді. Бұл кезде сыртқы электр өрісі – энергия деңгейлері бойынша электрондардың таралуын өзгертіп, электр зарядтарының реттелген қозғалысын жасай алады. Жартылай толтырылған зона өткізгіштік зонасы деп аталады. Электрондармен жартылай толтырылған зона барлық электр тоғын өткізгіштерде болады. Оның ішінде, барлық металдарда да мұндай зоналар бар. Жартылай өткізгіштердің диэлектриктерден өзгешелігі олардың рұқсат етілмеген зонасының ені валенттік зонаның үстіне орналасқан және жылулық энергиядан айтарлықтай көп. Жылулық қозғалыс электрондардың бір бөлігін валенттік зонадан бос зонаға – өткізгіштік зонасына лақтырады. Осы кезде бос зонада электрондар, ал толтырылған зонада – бос орындар «кемтіктер» пайда болады. Бұл жағдайда екі зонаның электрондары да зарядтарды тасымалдауға қатысады. Жартылай өткізгіштердегі ток тасымалдаушылар санының температураға тәуелділігі күшті, ол температура артқан сайын экспоненциалды өсіп отырады. Төмен температураларда – абсолюттік нөлге жақындағанда – жартылай өткізгіштер диэлектрик қасиеттерін иемдене бастайды. Металдардың электрлік қасиеттерін зерттегенде өткізгіштік зона болмашы немесе керісінше соңына дейін толтырылған жағдайларды бөліп қарастыру маңызды. Аз ғана толтырылған зонада электрондар энергетикалық деңгейлердің түбіндегі төменгі деңгейлерде орналасады. Бұл электрондардың қозғалысы еркін электрондардың қозғалысынан аз ғана ерекшеленеді. Мұндай жағдайда металлдың өткізгіштігі элетрондық типке жатады дейді. Өткізгіштік зонасындағы электрондар саны өскен сайын, олардың қозғалысы болмашы еркін электрондар қозғалысын еске түсіреді. Осы қозғалысты зерттеу барысында мынаны ескеру маңызды: өткізгіштік қасиеті кристалдағы барлық қоғамдастырылған электрондардың қозғалыс нәтижесі болып табылады. Бұл қозғалыс жекеленген электрондардың қозғалысынан ерекшеленеді. Өткізгіштік зонасы түгелге жуық толтырылған металда немесе валенттік зонасы түгелге жуық толтырылған жартылай өткізгіште жүретін құбылыстарды қарастырған кезде токты өткізетіндер шынайы электрондар емес, оң зарядталған кемтіктер деп елестеткен ыңғайлы. Мұндай жағдайда өткізгіштіктің кемтік типі туралы айтады. Өткізгіштіктің электрондық типіне көбінесе таза металдар ие болады. Бірақ, кейбір металдарда (бериллий, кадмий, алюминий және басқа да) электр тоғының негізгі тасымалдаушылар кемтіктер болып табылады. Өткізгіштің меншікті электрлік өткізгіштігі концентрациясы және ток тасымалдаушылардың қозғалғыштығына тәуелді. Қозғалғыштық деп – тасымалдаушылардың орташа реттелген жылдамдығының сыртқы электрлік өрістің кернеулігіне қатынасын айтады: . (1) Өткізгіштегі ток тығыздығы әлбетте мынаған тең: , мұндағы ток тасымалдайтын заряд. Демек, меншікті электрлік өткізгіштігі мына формула арқылы анықталады: . (2) Химиялық жағынан таза жартылай өткізгіштер өткізгіштік зонасында азғантай электрондар санымен, валенттік зонада сондай мөлшердегі кемтік санымен байланысқан өткізгіштікке ие болады. Мұндай өткізгіштікті меншікті деп атайды және ол қоспалармен байланысты емес. Жартылай өткізгішке азғантай қоспа қоссақ, олардың электрлік қасиеттері кәдімгідей өзгереді. Кейбір қоспалар өткізгіштік зонасындағы электрондар концентрациясын валенттік зонадағы кемтіктер концентрациясына қарағанда шұғыл көбейтеді, ал басқалары, керісінше, кемтіктер санын көбейтеді. Бұл жағдайда үлгі өзінің электрнейтралдығын сақтайды (үлгінің жалпы заряды 0-ге тең). Жартылай өткізгіштің алғашқысы электронды ( -типті жартылай өткізгіштер), ал екіншісі кемтікті ( -типті жартылай өткізгіштер) деп аталады. Жалпы жағдайда электрлік өткізгіштік процесінде электрондар да, кемтіктер де әрекет етеді. Бұл жағдайда жартылай өткізгіштің меншікті өткізгіштігі мынаған тең болады: , (3) мұндағы: және – электрондар мен кемтіктердің концентрациясы, және – олардың қозғалғыштығы. Қоспалы өткізгіштік жағдайында тасымалдаушыларының бір типі екінші типтен басым болады да және (3)-формуладағы бір қосындыны ескермеуге болады. (2)-формула өткізгіштің электр өткізгіштігін зерттеу көбейтіндісін анықтауға мүмкіндік беретінін көрсетеді. Төменде көретініміздей, Холл эффектісін зерттеу тасымалдаушылардның тығыздығын табуға мүмкіндік береді, содан кейін оның қозғалғыштығын анықтауға болады. Демек, электр өткізгіштік пен Холл эффектісін бір мезетте зерттеу металдар мен жартылай өткізгіштердегі электрондардың күйлерін анықтайтын маңызды параметрлерді эксперимент жүзінде табуға мүмкіндік береді. Холл эффектісі басым болатын өткізгіштік типін де анықтайды (не ол кемтіктік не электрондық болуы мүмкін). Бұл зерттеулер осы жұмыстың мақсатын құрайды. 1-сурет. Холл эффектісін түсіндіретін схема Біртекті металл пластина арқылы өсі бойымен ток өтсін (1-сурет). Егер, бұл пластинаны осі бойынша бағытталған магнит өрісіне қоятын болсақ, онда және қырларының арасында потенциалдар айырымы пайда болады. Негізінен, жылдамдықпен қозғалып келе жатқан электронға Лоренц күші әсер етеді: (4) мұндағы магнит өрісінің индукциясы, электрон заряды. Біздің жағдайымызда бұл күш өсі бойынша бағытталған: (5) Біз деп электронның орташа дрейфтік жылдамдығын түсінеміз. Ол сыртқы электр өрісін салғаннан кейін пайда болған. Лоренц күші арқылы электрондар қырына қарай аутқиды және оны теріс зарядтайды. қырында компенсацияланбаған оң зарядтар жиналады. Бұл -дан -ға бағытталған электр өрісінің туындауына және және қырларының арасында потенциалдар айырымының пайда болуына алып келеді. (6) өрісі электронға Лоренц күшіне кері бағытталған күші арқылы әсер етеді. Орныққан күйде күші Лоренц күшін теңгереді, және пластинаның бүйір қырларында электрлік зарядтардың жинақталуы тоқталады. тепе-теңдік шартынан табатынымыз: (7) ток күші (8) тең екенін ескере отырып, (7) мен (8)-ді (6)-ға қойып Холлдың ЭҚК-ін табамыз: . (9) константасы Холл тұрақтысы деп аталады. (9)-формуладан көрініп тұрғандай . (10) Холл тұрақтысының таңбасы заряд тасымалдаушылардың таңбасына байланысты. Ол берілген материал үшін оның типін анықтауға мүмкіндік береді. Холл тұрақтысын біле отырып, пластинадағы ток тасушылардың концентрациясын анықтауға болады. жүктеу/скачать 5,44 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|