Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физика твердого тела»




Скачать 463.94 Kb.
НазваниеМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физика твердого тела»
страница1/3
Дата публикации13.12.2013
Размер463.94 Kb.
ТипМетодические указания
zadocs.ru > Физика > Методические указания
  1   2   3


Министерство науки и образования Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Северо-Кавказский государственный технический университет»

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Физика твердого тела»

для студентов специальности 210104 «Материалы электронной техники»

ЧАСТЬ 1

Ставрополь

2010




М


етодические указания составлены c учетом требований Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования, в соответствии с рабочими учебными планами, рабочими программами дисциплины «Физика твердого тела» для студентов специальности 210104 «Материалы электронной техники».

Методические указания включают в себя описание физических явлений, используемых при разработке измерительной техники, принципов работы лабораторных установок, их устройство, правила работы с ними, указания по технике безопасности, методику и порядок выполнения лабораторной работы, контрольные вопросы, рекомендуемую литературу.


Составитель: Лисицын С. В.


Рецензент: Валюхов Д. П.
Лабораторная работа 1

^ ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ: исследование зависимости ЭДС Холла в полупроводнике от индукции магнитного поля; определение чувствительности датчика Холла.
^ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Эффект Холла заключается в появлении поперечной разности потенциалов в образце с током, помещенном в магнитном поле.

Рассмотрим полупроводниковый образец толщиной d, шириной l с электронным типом проводимости (рис. 1.1).

Предположим, что по пластине образца течет ток плотностью j в направлении, указанном на рисунке, направление скорости электронов υ будет противоположно. Если образец поместить в магнитное поле B, то под действием силы Лоренца электроны будут отклоняться к боковой грани образца, на которой скапливается отрицательный заряд, на противоположной грани остается нескомпенсированный положительный заряд ионов кристаллической решетки. Возникает поперечное электрическое поле напряженностью EH , и поперечная разность потенциалов UH – ЭДС Холла.

Разделение зарядов в образце будет продолжаться до тех пор, пока сила Кулона F и сила Лоренца FЛ не уравновесят друг друга, т. е.
e υx Bze EH x = 0. (1.1)

Отсюда EH х = υx Bz = = RH jx B, (1.2)

где RH = – постоянная Холла, ne – концентрация электронов.

Для электрона RH = – . (1.3)
Очевидно, постоянная Холла в материале р-типа проводимости, где носителями заряда являются дырки, равна
RH = , (1.4)
где nр ‑ концентрация дырок.

Знак постоянной Холла RH, и следовательно, знак ЭДС Холла UH будут зависеть от знака носителей заряда в полупроводнике. Если перейти от напряженности EH поля Холла к ЭДС Холла UH и от плотности тока j к полному току через образец I, то выражение (1.2) примет вид:
UH = , (1.5)
где d – размер образца в направлении В.

Из анализа выражений (1.3 ‑ 1.5) видно, что знание постоянной Холла позволяет найти концентрацию и знак носителей заряда.

Если, помимо ЭДС Холла, измерить электропроводность σ = enμn образца, то можно найти подвижность μn носителей заряда:
μn = RH σ. (1.6)
^ АППАРАТУРА И МАТЕРИАЛЫ

Для исследования зависимости ЭДС Холла в полупроводнике от индукции магнитного поля; определения знака, концентрации и подвижности основных носителей в полупроводнике используется установка, принципиальная схема и передняя панель которой приведены на рис. 1.2 и рис. 1.3.

Образец 1 находится в магнитном поле, силовые линии которого перпендикулярны плоскости рисунка. Схема создания магнитного поля включается переключателем 7, величину и направление магнитного поля можно изменять переключателями 9 и 8 соответственно (схема создания и регулирования величины магнитного поля на рис. 1.2 не показана).

Через образец течет электрический ток, величину и направление которого можно изменять потенциометром 5 и переключателем 6, падение напряжения на образце регистрируется вольтметром 3.

При протекании тока через образец, находящийся в магнитном поле, возникает ЭДС Холла, регистрируемая милливольтметром 2.
^ УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

При выполнении лабораторных работ необходимо выполнять основные правила внутреннего распорядка и техники безопасности при работе в лабораториях.

К работе на приборах допускаются студенты только после изучения настоящих методических указаний и получения допуска у преподавателя.
^ МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Для определения зависимости ЭДС Холла от индукции магнитного поля необходимо, поддерживая постоянной силу тока в образце, измерять ЭДС Холла при различных значениях магнитной индукции и направлениях магнитного поля. По полученным экспериментальным данным необходимо построить график зависимости ЭДС Холла от величины магнитной индукции UH = f (B). По графику зависимости ЭДС Холла от величины магнитной индукции UH = f (B) определить чувствительность датчика Холла.

Для нахождения концентрации носителей заряда можно использовать ранее полученные результаты, определив постоянную Холла:
RH = .
Из уравнений (1.3) (1.5) получим:
n = .
Для определения подвижности свободных носителей заряда необходимо измерить падение напряжения U на образце между точками c и f и определить проводимость полупроводникового образца:

σ = = = ,

где ^ Е – напряженность электрического поля между точками с и f, L – расстояние между точками с и f , S – площадь сечения образца.

Зная постоянную Холла RH и проводимость образца σ можно определить подвижность свободных носителей заряда:

μ = RH σ.

Численные значения магнитной индукции В1 – В6 и геометрические размеры образца приведены на экспериментальной установке.
Содержание отчета и его форма

Отчет по лабораторной работе оформляется в соответствии c формой, приведенной в приложении А.
^ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Каковы условия возникновения ЭДС Холла, от чего она зависит?

Как с помощью эффекта Холла определить основной тип носителя в полупроводнике?

Почему при изготовлении датчиков Холла применяют полупроводниковые материалы, а не металлы?
^ СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Список основной литературы

1. Гуревич А. Г. Физика твердого тела. СПб. : БХВ-Петербург, 2004.

2. Павлов П. В., Хохлов А. Ф. Физика твердого тела. М. : Высшая школа, 2000.

Список дополнительной литературы

1. Гаркуша Ж. М. Основы физики полупроводников. М.: Высшая школа, 1982.

2. Голубин М. А., Хабибулин И. М., Шестопалова В. И. Введение в лабораторный практикум. Элиста: Джангар, 1997.

3. Епифанов Г. И. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1977.

4. Шалимова К. В. Введение в физику полупроводников. М.: Высшая школа, 1986.

5. Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1977.

6. Киселев В. Ф., Козлов С. Н., Зотеев А. В. Основы физики поверхности твердого тела. М.: МГУ, 1999.

Лабораторная работа 2

^ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МЕТАЛЛОВ И ПРОВОДНИКОВ
ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ: измерение температурной зависимости электропроводности меди и германия в диапазоне температур ~ 300–400 К, определение чувствительности температурных датчиков.
^ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

В изолированном атоме значения энергии электрона дискретны и определяются силами притяжения к ядру и силами отталкивания от других электронов. При образовании твердого тела атомы настолько сближаются друг с другом, что между ними возникают новые силы взаимодействия: силы отталкивания между ядрами и между электронами соседних атомов и силы притяжения между всеми ядрами и всеми электронами. Под действием этих сил энергетические состояния электронов в атомах изменяются: энергия одних электронов несколько увеличивается, других – уменьшается. Кроме того, при сближении атомов происходит перекрытие внешних электронных оболочек, что приводит к изменению характера движения электронов.

Электроны, находящиеся на внешнем энергетическом уровне одного атома, переходят без затраты энергии на такой же уровень другого атома и перемещаться по всему кристаллу, т. е. нельзя говорить о принадлежности электрона определенному атому – электрон принадлежит всем атомам решетки, при перекрытии электронных оболочек происходит обобществление электронов.

На энергетической шкале вместо отдельных уровней у изолированного атома в кристалле образуются энергетические зоны (рис. 2.1) (a – расстояние равное постоянной решетки кристалла, b >> a – расстояние между изолированными атомами). Число уровней в энергетических зонах равно числу атомов в твердом теле. Следовательно, процесс образования твердого тела сопровождается расщеплением энергетических уровней в энергетические зоны.

Расщеплению в зоны подвергаются и стационарные, и возбужденные уровни. Разным энергетическим уровням соответствуют различные значения кинетической и потенциальной энергий электронов. Ширина энергетических зон определяется природой атомов, из которых состоит кристалл и структурой кристалла.

Уровни в разрешенной зоне расположены близко друг к другу, и их заполнение подчиняется запрету Паули. Экспериментальные значения энергий, полученные для ширины зон, не превышают единиц электрон-вольт, поэтому в кристалле объемом в один кубический сантиметр, содержащем 1022 – 1023 атомов, количество уровней в разрешенных зонах равно 1022 – 1023, а отличие в энергии между соседними уровнями составляет, примерно,
10-23 – 10-22 эВ.

Ширина запрещенных зон зависит также от степени перекрытия электронных оболочек. Степень перекрытия внешних оболочек больше, чем внутренних, следовательно, расщепление энергетических уровней, соответствующих внешним оболочкам, больше и также больше ширина разрешенных зон. Для самых внутренних оболочек взаимодействия не существует, поэтому энергетические уровни электронов остаются нерасщепленными, как в изолированных атомах.

Порядок расположения зон на энергетической шкале может не соответствовать порядку расположения энергетических уровней в изолированном атоме. Зона, образовавшаяся от расщепления более низкого уровня, может оказаться в спектре значений энергии твердого тела более высокой. Подобно энергетическим уровням в изолированных атомах энергетические зоны могут быть полностью заполненными, частично заполненными и свободными. Так как внутренние оболочки в изолированных атомах заполнены, то и соответствующие им зоны также оказываются заполненными.

Разрешенные зоны отделены друг от друга областями значений энергии, которыми не могут обладать электроны – запрещенными зонами. Ширина разрешенных зон при перемещении вверх по энергетической шкале возрастает, а ширина запрещенных зон соответственно уменьшается.

Электроны могут переходить из нижней разрешенной зоны в верхнюю, но для этого, так же как и в изолированном атоме, требуется дополнительная энергия, равная ширине запрещенной зоны ∆Eg, а в верхней зоне должны быть свободные уровни. Электроны могут переходить с уровня на уровень внутри зоны.

По характеру заполнения зон все тела можно разделить на две группы.

К первой группе относятся вещества, у которых над целиком заполненными зонами располагается зона, заполненная лишь частично
(рис. 2.2а). Такая зона возникает в том случае, когда атомный уровень, из которого она образуется, заполнен в атоме не полностью, например, у щелочных металлов. Частично заполненная зона может образоваться также и вследствие наложения заполненных зон на пустые или частично заполненные, как это имеет место у бериллия и щелочноземельных элементов (рис. 2.2б). Наличие зоны, заполненной лишь частично, присуще металлам.

Ко второй группе относятся вещества, у которых над целиком заполненными зонами располагаются пустые зоны (рис. 2.2в, г). Типичным примером таких веществ являются химические элементы IV группы таблицы Д. И. Менделеева – углерод в модификации алмаза, кремний, германий и серое олово, имеющее структуру алмаза. К этой же группе веществ относятся многие химические соединения – окислы металлов, нитриды, карбиды и т. п.

Согласно зонной теории твердых тел, электроны внешних энергетических зон имеют практически одинаковую свободу движения во всех телах независимо от того, являются они металлами или диэлектриками. Движение осуществляется путем туннельного перехода электронов от атома к атому. Несмотря на это, электрические свойства этих тел, в частности, удельная электропроводность, различается у них на много порядков: у металлов σ = 107 Ом–1 м–1, у хороших диэлектриков σ < 10–11 Ом–1 м–1.

Таким образом, наличие свободных электронов, способных перемещаться по кристаллу, является лишь необходимым, но не достаточным условием появления у тел проводимости.

Достаточным условием появления у тел высокой проводимости является наличие в их энергетическом спектре энергетических зон, укомплектованных электронами лишь частично, как у типичных металлов (рис. 2.2а, б). Отсутствие же таких зон в энергетическом спектре твердых тел второй группы делает их непроводниками, несмотря на наличие в них свободных электронов, способных двигаться по всему кристаллу.

По ширине запрещенной зоны вещества второй группы условно делятся на диэлектрики и полупроводники.

К диэлектрикам относятся вещества, имеющие относительно широкую запрещенную зону. У типичных диэлектриков ∆^ Eg > 3 эВ.

К полупроводникам относят тела, имеющие сравнительно узкую запрещенную зону (рис. 2.2г). У типичных полупроводников ∆Eg 1 эВ.

  1   2   3

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физика твердого тела» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ
...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физика твердого тела» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работы по дисциплине «Гидравлика»
Методические указания к выполнению лабораторных работы по дисциплине «Гидравлика» /Салова Т. Ю., Гнездилова Е. Н. Сп.: Изд-во спбгау,...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физика твердого тела» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине: «Операционные системы»
Методические указания предназначены для приобретения у студентов навыков объектно-ориентированного программирования при разработке...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физика твердого тела» iconМетодические указания к циклу лабораторных работ по дисциплине «Цифровые эвм»
Синтез управляющих автоматов с программируемой логикой: Методические указания к циклу лабораторных работ по дисциплине «Цифровые...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физика твердого тела» iconМетодические указания по выполнению лабораторных работ для студентов...
Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов Октябрьского нефтяного колледжа

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физика твердого тела» iconИсследование электрических машин методические указания к выполнению...
Электротехника и основы электроники. Исследование электрических машин: методические указания к выполнению лабораторных работ для...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физика твердого тела» iconМетодические указания к выполнению практических и лабораторных работ...
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физика твердого тела» iconМетодические указания к комплексу лабораторных работ по физике для...
Физика. Методические указания к комплексу лабораторных работ по физике для студентов-заочников (механика, молекулярная физика, электричество...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физика твердого тела» iconМетодические указания к выполнению контрольных работ по дисциплине «Информатика»
Задания и методические указания к выполнению контрольных работ по дисциплине «Информатика». Екатеринбург, фгаоу впо «Российский государственный...

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Физика твердого тела» iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Теплопередача»
«Теплопередача» для студентов специальности 1-43 01 06 Энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов