LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN LOẠI HẠT TẢI ĐIỆN (ELECTRON, LỖ TRỐNG), MẬT ĐỘ MẶT, NỒNG ĐỘ VÀ ĐỘ LINH ĐỘNG CỦA CÁC HẠT TẢI ĐIỆN CƠ BẢN TRONG BẢN MỎNG BÁN DẪN THEO PHƯƠNG PHÁP VANDER PAUW VÀ HIỆU ỨNG HALL

Việc xác định tính chất điện, từ của vật liệu bán dẫn, cho biết loại hạt tải điện cơ bản, nồng độ và độ linh động trong một mẫu vật liệu bán dẫn, là hết sức cần thiết trong việc chế tạo

Trang 1

MỤC LỤC

A PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Giả thiết khoa học 2

7 Bố cục của đề tài 2

B PHẦN NỘI DUNG 3

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN 3

1.1.Tổng quan về hiệu ứng Hall 3

1.1.1 Hiệu ứng Hall là gì? 3

1.1.2 Bản chất vật lý 3

1.1.3 Hiệu ứng Hall trong chất bán dẫn 9

1.1.4 Ứng dụng của hiệu ứng Hall 10

1.2 Các phương pháp đo hằng số Hall 11

1.2.1 Phương pháp truyền thống 11

1.2.2 Phương pháp Vander Pauw 12

CHƯƠNG II: THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM SAI SỐ 15

2.1 Tìm hiểu thiết bị thí nghiệm 15

2.1.1 Bộ thiết bị tạo từ trường 15

2.1.1.1 Nam châm điện một chiều 15

2.1.1.2 Nguồn điện cấp dòng cho nam châm điện 16

2.1.1.3 Gaussmeter 16

2.1.2 Nguồn điện cấp dòng một chiều cho mẫu đo 16

2.1.3 Dụng cụ đa năng đo dòng và thế: Multimeter Model 2100 17

2.1.3.1 Giới thiệu đặc tính kĩ thuật 17

2.1.3.2 Hướng dẫn sử dụng Multimeter Model 2100 đo dòng và thế 17

2.1.3.3 Phương pháp tính sai số đọc trên Multimeter Model 2100 21

Trang 2

2.2 Các vấn đề liên quan đến sai số và cách khắc phục 22

2.3.1 Các sai số do nguyên nhân có nguồn gốc bên trong 22

2.3.2 Các sai số do nguyên nhân có nguồn gốc bên ngoài 23

2.3 Chuẩn bị mẫu đo 24

CHƯƠNG III: LẮP ĐẶT THIẾT BỊ VÀ TIẾN HÀNH ĐO 26

3.1 Đo hệ số Hall theo phương pháp Vander Pauw 26

3.1.1 Mô tả kĩ thuật đo Vander Pauw 26

3.1.2 Cách thức tiến hành đo đạc 27

3.1.3 Tính toán kết quả 29

3.2 Lắp đặt thiết bị thí nghiệm 31

3.3 Tiến hành đo và xử lý kết quả 33

3.3.1 Cách thức đo đạc 33

3.3.2 Kết quả đo 34

3.3.3 Đánh giá sai số của phép đo hằng số Hall 39

3.3.4 Nhận xét về các kết quả đo 40

CHƯƠNG IV KẾT LUẬN 41

Trang 3

DANH MỤC CÁC BẢNG

1 Bảng 1: Số liệu so sánh nồng độ các hạt tải trong một số vật

liệu, kim loại, bán dẫn tinh khiết và bán dẫn tạp chất 9

2 Bảng 2: Giá trị của hàm f tương ứng với tỉ số MO,PN

NP,MO

R

3 Bảng 3: Đặc tính kĩ thuật - Phạm vi đo, trở kháng vào, sai số 21

4 Bảng4: Các thông số về độ dày d, dòng điện I chạy qua mỗi

5 Bảng 5: Các giá trị hiệu điện thế cần đo với chiều dương và

6 Bảng 6: Số liệu phép đo các giá trị đối với mẫu đo M1 34

7 Bảng 7: Số liệu phép đo các giá trị đối với mẫu đo M2 37

Trang 4

DANH MỤC HÌNH VẼ - HÌNH ẢNH

1

Hình 1: Bản mỏng kim loại khi có dòng điện một chiều đi qua

và được đặt trong từ trường vuông góc với bề mặt bản, làm

xuất hiện hiệu điện thế ngang ở hai mặt bên của bản

3

2 Hình 2: Hai loại hạt tải dưới tác dụng của lực Lorentz cùng

3 Hình 3: Trường hợp hạt tải là các electron 5

5 Hình 5: Đầu đo dòng điện dùng hiệu ứng Hall, có sẵn khuếch

6 Hình 6: Các mẫu đo dạng thanh thường được sử dụng trong

7 Hình 7: Mẫu phẳng có hình dạng bất kì, 4 điểm M, N, P, Q

8 Hình 8: Mặt trước của Multimeter Model 2100 17

14 Hình 14: Mẫu hình vuông có tiếp điểm hình tam giác 24

15 Hình 15: Các hình dạng mẫu thường được sử dụng trong kĩ

16 Hình 16: Bộ giá đỡ mẫu đo có đế thủy tinh 25

Trang 5

23 Hình 23: Sơ đồ khối và cách nối dây vào mạch điện 32

Trang 6

A PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Khoa học kĩ thuật ngày nay phát triển như vũ bão, những thành tựu của vật

lý học ngày càng được ứng dụng rộng rãi vào mọi lĩnh vực của đời sống sản xuất Việc xác định tính chất điện, từ của vật liệu bán dẫn, cho biết loại hạt tải điện cơ bản, nồng độ và độ linh động trong một mẫu vật liệu bán dẫn, là hết sức cần thiết trong việc chế tạo ra các vật liệu có tính chất vật lý mong muốn Trong khuôn khổ của công trình này tôi mong muốn ứng dụng phương pháp Vander Pauw để đo hằng số Hall qua đó xác định được loại hạt tải điện, tính chất vật lý của chất bán dẫn

Phương pháp Vander Pauw là kĩ thuật mới để xác định điện trở suất, nồng

độ hạt tải và hằng số Hall của mẫu vật dẫn bất kì Phương pháp này có nhiều ưu điểm vì cho phép đo điện trở suất và hằng số Hall của mẫu mà không cần quan tâm đến hình dạng của mẫu Hiệu ứng Hall được khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879 Ngày nay được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như chế tạo máy, kĩ thuật đo đạc và hàng không vũ trụ Phương pháp Vander Pauw đã được

sử dụng rộng rãi trên thế giới với hệ thống máy móc thiết bị hiện đại đem lại kết quả có độ chính xác cao Đối với sinh viên ngành kĩ thuật nói chung và sinh viên

sư phạm vật lý nói riêng việc tiến hành thực nghiệm đo hằng số Hall, độ linh động của hạt tải điện trong chất bán dẫn sẽ giúp hiểu rõ tính chất vật lý của vật liệu, góp phần củng cố kĩ năng thực nghiệm Đồng thời đưa sinh viên tiếp cận với thành tựu của vật lý học hiện đại, kích thích những tìm tòi, phát minh mới

Với những lý do trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm: “Xác

định thành phần loại hạt tải điện (electron, lỗ trống), mật độ mặt, nồng độ và

độ linh động của các hạt tải điện cơ bản trong bản mỏng bán dẫn theo phương pháp Vander Pauw và hiệu ứng Hall ”

2 Mục đích nghiên cứu

 Bước đầu tập làm công tác nghiên cứu khoa học

 Làm khóa luận tốt nghiệp khóa học

 Góp phần củng cố và nâng cao kiến thức vật lý, kĩ năng thực hành thí nghiệm cho bản thân

 Sử dụng các thiết bị đo hiện đại và kĩ thuật thực nghiệm tiên tiến để xác định các thông số điện như hằng số Hall, nồng độ và độ linh động của các hạt tải điện trong mẫu bán dẫncó hình dạng bất kì bằng phương pháp Vander Pauw

Trang 7

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng:

 Lý thuyết về hiệu ứng Hall

 Lý thuyết về phương pháp đo Vander Pauw

 Bộ thiết bị thí nghiệm đo hằng số Hall bằng phương pháp Vander Pauw

* Phạm vi nghiên cứu:

Do thời gian và khả năng giới hạn, nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu hiệu ứng Hall trên chất bán dẫn Yêu cầu với mẫu khảo sát: Mẫu dạng màng mỏng; không đo được đối với mẫu dạng lỏng hoặc bột, hoặc mẫu điện môi

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

 Thu thập và xử lý tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu

 Tìm hiểu bộ thiết bị BKS – 040: Xác định thành phần loại hạt tải điện, mật độ mặt, nồng độ và độ linh động của các hạt tải điện cơ bản trong bản mỏng bán dẫn theo phương pháp Vander Pauw và hiệu ứng Hall

 Xây dựng lắp đặt thiết bị thí nghiệm và kiểm tra mẫu đo

 Tiến hành đo, tổng hợp và xử lý kết quả thu được

5 Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu lý thuyết

 Nghiên cứu thiết bị thí nghiệm

 Thực nghiệm đo lường và xử lý kết quả

6 Giả thiết khoa học

Đo hằng số Hall từ đó xác định thành phần loại hạt tải điện, mật độ mặt, nồng độ và độ linh động của hạt tải điện theo phương pháp Vander Pauw sẽ đạt

độ chính xác cao hơn so với dùng phương pháp truyền thống

7 Bố cục của đề tài

Ngoài phần mở đầu, phần kết luận, phần phụ lục, danh mục bảng biểu và tài liệu tham khảo khóa luận còn có 3 chương sau:

Chương 1: Cơ sở lý luận

Chương 2: Thiết bị thí nghiệm Sai số

Chương 3: Lắp đặt thiết bị và tiến hành đo

Trang 8

Y Z

B

B PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN 1.1 Tổng quan về hiệu ứng Hall

1.1.1 Hiệu ứng Hall là gì?

Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý

được thực hiện khi đặt một từ trường

Bvuông góc với bề mặt bản làm bằng

kim loại hay chất bán dẫn (thanh Hall)

đang có dòng điện một chiều cường độ I

chạy qua Lúc đó ta nhận được một hiệu

điện thếVH(hiệu thế Hall) sinh ra tại hai

mặt đối diện của thanh Hall Tỷ số giữa

hiệu điện thế Hall và dòng điện chạy qua

thanh Hall gọi là điện trở Hall Hiệu ứng

này được khám phá bởi Edwin Herbert

Hall vào năm 1879 nên được gọi là hiệu

ứng Hall

Hiệu điện thế VH gọi là hiệu điện thế

Hall, tỷ lệ với cường độ dòng điện I, độ

lớn của cảm ứng từ B và tỷ lệ nghịch với

độ dầy d của bản:

IBd

Trang 9

với tần số cyclotron c và lực Lorentz FL đóng vai trò lực hướng tâm:

- Thời gian chuyển động tự do trung bình đối với chuyển động nhiệt;

- Chu kỳ một vòng quay của hạt tải điện trong từ trường c

c

2

chuyển động dưới tác dụng của từ trường ngoài

Trong tinh thể, vì hạt tải điện tham gia đồng thời hai chuyển động như đã nói ở trên, nên có thể có những trường hợp sau:

- Nếu Tc , thì trong khoảng thời gian chuyển động tự do, hạt tải điện đã kịp thực hiện một số vòng quay Khi đó ta nói từ trường là mạnh

- Nếu Tc , thì quỹ đạo của hạt tải điện trong từ trường sẽ là từng khúc của quỹ đạo tròn ghép lại và trường hợp này ta nói từ trường yếu

Trong giới hạn của đề tài này chúng tôi sẽ nghiên cứu hằng số Hall trong trường hợp từ trường yếu Cụ thể chúng tôi nghiên cứu hằng số Hall trong một mẫu bán dẫn mỏng, có độ dày d, độ rộng a, có dòng điện một chiều I chạy qua dọc theo trục X, đồng thời được đặt trong một từ trường B hướng theo trục Z, vuông góc với mặt bản như hình 2

Do trong mẫu bán dẫn có 2 loại hạt tải điện: electron và lỗ trống nên khi chúng chuyển động dưới tác dụng của điện trường ngoài, chúng sẽ có vận tốc ngược chiều nhau (lỗ trống chuyển động cùng chiều điện trường, electron chuyển động ngược chiều điện trường)

Trang 10

Hình 3: Trường hợp hạt tải

là các electron

Theo Hình 2 ta thấy hai loại hạt tải

điện dưới tác dụng của lực Lorentz đều

cùng lệch về một phía Lúc này sẽ xuất hiện

một quá trình như sau: Khi các hạt tải điện

bị lệch do tác dụng của lực Lorentz FL về

một mặt bên của bản, chúng sẽ dần tích tụ

tại mặt này và tạo ra một điện trường giữa

hai mặt bên đối diện của bản

Điện trường này có phương theo trục

Y và sinh ra một lực điện F tác động lên E

các hạt tải điện Sau khoảng thời gian rất ngắn, một trạng thái cân bằng nhanh chóng được thiết lập (trong thực tế khoảng vài phần trăm giây), trong đó các hạt tải điện chịu tác dụng đồng thời của hai lực cân bằng

Lực Lorentz FL và lực điện trường FE

mới xuất hiện, chúng có cùng độ lớn nhưng

ngược hướng nhau (Hình 3) Khi đó quỹ

đạo của các hạt tải điện sẽ không bị lệch

nữa, tức là chỉ có dòng điện hướng theo

trục X như ban đầu

Đối với các lỗ trống quá trình tương tự

cũng xuất hiện Do cả hai loại hạt electron

và lỗ trống cùng lệch về một mặt bên của

bản mẫu bán dẫn, nên chúng tạo ra hai điện

trường ngược hướng nhau, tức là tạo ra hai

hiệu điện thế ngược nhau Tổng đại số của

hai hiệu điện thế này chính là hiệu điện thế

Hall VH giữa hai mặt bên mẫu bán dẫn đo

được bằng thực nghiệm

 Tính toán cụ thể giá trị hiệu điện thế Hall trong chất bán dẫn:

Khi đặt thanh bán dẫn trong điện trường Etheo phương X (Hình) và một từ trường có cảm ứng từ B theo phương Z, đặt vuông góc với E và vuông góc với

bề mặt thanh bán dẫn Khi đó các hạt mang điện chịu tác dụng đồng thời của lực điện và lực từ

Hình 2: Hai loại hạt tải dưới tác

dụng của lực Lorentz cùng lệch

về một phía

Trang 11

Đối với electron, mật độ dòng điện tử

được xác định:

e e

j nev (e> 0) (I.5) (Trong đó: n là mật độ electron và p

( e: độ linh động của electron)

Thay (I.7) vào (I.5) ta được biểu thức mật độ dòng:

Trang 12

Tương tự như trên mật độ dòng lỗ trống được xác định:

jE

Trang 13

Thay Ex từ (I.18) vào (I.16) ta thu được:

Trong đó: a là bề rộng, d là chiều dài của thanh Hall

Hiệu điện thế Uy chính là hiệu điện thế VH mà ta có thể đo được trực tiếp

Do đó đối với một vật liệu bán dẫn nào đó có thể xảy ra trường hợp ở khoảng nhiệt

độ này thì RH 0, nhưng ở khoảng nhiệt độ khác thì RH 0 Ở vùng nhiệt độ cao

Trang 14

sự dẫn điện tạp chất không đáng kể so với sự dẫn điện riêng, bởi vì lúc này mật độ electron và lỗ trống là rất lớn Khi đó p n , và từ (I.22) ta tính được:

Như vậy ở nhiệt độ cao, dấu của hằng số Hall phụ thuộc sự chênh lệch về

độ linh động của electron và lỗ trống Trong thực tế, hằng số Hall RH của các chất bán dẫn cao hơn nhiều bậc so với kim loại [4] Điều này được giải thích như sau: Nồng độ của các hạt mang điện tự do trong các chất bán dẫn có giá trị thấp hơn so với trong kim loại, và ngược lại, độ linh động của chúng trong các chất bán dẫn lại có giá trị cao hơn so với trong kim loại

- Độ linh động của hạt tải điện là một đại lượng vật lý có giá trị bằng vận tốc trôi của hạt tải điện khi điện trường bằng 1V/m Đơn vị của nó là m2/V.s

1.1.3 Hiệu ứng Hall trong chất bán dẫn

Như ta đã biết hạt tải điện trong chất bán dẫn gồm có electron và lỗ trống Trong chất bán dẫn tinh khiết các electron và lỗ trống xuất hiện chủ yếu do các kích thích nhiệt, có nồng độ bằng nhau và phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ

Hiệu điện thế Hall xuất hiện trong các mẫu bán dẫn tinh khiết chủ yếu chỉ

do sự khác biệt về độ linh động của electron và lỗ trống

Các chất bán dẫn pha tạp chủ yếu được ứng dụng trong công nghệ vật liệu bán dẫn hiện nay Tùy thuộc vào chất pha tạp người ta thu được bán dẫn loại

n (hạt tải điện cơ bản là electron) hoặc bán dẫn loại p (hạt tải điện cơ bản là lỗ trống) Mật độ hạt tải điện phụ thuộc vào nồng độ pha tạp và có thể điều chỉnh tùy ý

Bảng 1: Số liệu so sánh nồng độ các hạt tải trong một số vật liệu, kim loại, bán dẫn tinh khiết và bán dẫn tạp chất

Vật

liệu

Nồng độ hạt tải điện

Vật liệu Nồng độ hạt tải

điện Đồng

(Cu)

22 -38,4.10 cm Ga-As 1,1.10 cm 7 -3

1,4.10 cm Si pha tạp P

(Loại N)

15 -33,0.10 cm

2,1.10 cm

Từ bảng trên ta thấy nồng độ hạt tải điện của kim loại (Đồng) lớn hơn nhiều nồng độ hạt tải điện của bán dẫn tinh khiết (Si, Ge) Với bán dẫn pha tạp

Trang 15

nồng độ hạt tải điện lớn hơn so với bán dẫn tinh khiết nhưng vẫn nhỏ hơn nồng

độ hạt tải điện trong kim loại

Trong bán dẫn loại n, mật độ p của lỗ trống rất nhỏ so với mật độ n của electron: p n Ngược lại, trong bán dẫn loại p, mật độ n của electron rất nhỏ

so với mật độ p của lỗ trống: n p Vì thế, khi khảo sát hiệu ứng Hall trong mẫu bán dẫn tạp chất, người ta bỏ qua sự có mặt của các hạt tải điện không cơ bản (có mật độ khá nhỏ, không đáng kể) và chỉ chú ý đến quá trình chuyển động định hướng của các hạt tải điện cơ bản tham gia vào hiệu ứng Hall

1.1.4 Ứng dụng của hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall được sử dụng chủ yếu trong các thiết bị đo, đầu dò Các thiết

bị này thường phát ra tín hiệu rất yếu và cần được khuếch đại Đầu thế kỷ 20, các máy khuếch đại dùng bóng chân không quá tốn kém, nên các đầu đo kiểu này chỉ được phát triển từ khi có công nghệ vi mạch bán dẫn Ngày nay, nhiều

“đầu dò hiệu ứng Hall” chứa sẵn các máy khuếch đại bên trong

Đo cường độ dòng điện

Hiệu ứng Hall nhạy cảm với từ trường,

mà từ trường được sinh ra từ một dòng điện

bất kỳ, do đó có thể đo cường độ dòng chạy

qua một dây điện khi đưa dây này gần thiết

bị đo Thiết bị có 3 đầu ra: một dây nối đất,

một dây nguồn để tạo dòng chạy trong thanh

Hall, một dây ra cho biết hiệu thế Hall

Phương pháp đo dòng điện này không cần sự

tiếp xúc cơ học trực tiếp với mạch điện, hầu

như không gây thêm điện trở phụ của máy đo

trong mạch điện, và không bị ảnh hưởng bởi

nguồn điện (có thể là cao thế) của mạch điện,

tăng tính an toàn cho phép đo

Đo công suất điện

Công suất tiêu thụ của một mạch điện là tích của cường độ dòng điện và hiệu điện thế trên mạch Vậy có thể đo công suất này bằng cách đo dòng điện (như mô tả ở trên) đồng thời với việc dùng hiệu điện thế của mạch điện để nuôi dòng qua thanh Hall Phương pháp như vậy có thể được cải tiến để đo công suất dòng điện xoay chiều trong sinh hoạt dân dụng Nó thường chính xác hơn các thiết bị truyền thông và ít gây cản trở dòng điện

Hình 4: Đầu đo dòng điện dùng

hiệu ứng Hall, có sẵn khuếch đại (đường kính 8 mm)

Trang 16

Xác định vị trí và chuyển động

Hiệu ứng Hall có thể dùng để xác định vị trí cơ học Các thiết bị kiểu này không có một chi tiết cơ học chuyển động nào và có thể được chế tạo kín, chịu được bụi, chất bẩn, độ ẩm, bùn lầy Điều này giúp các thiết bị này có thể đo

đạc vị trí tiện hơn dụng cụ quang học hay cơ điện

1.2 Các phương pháp đo hằng số Hall

Người ta thường dùng các phương pháp sau để đo hằng số Hall:

 Kiểu đo đạc theo phương pháp truyền thống với các mẫu đo có dạng hình chữ nhật có 4, 6, hay 8 điểm tiếp xúc (hình 6)

 Kiểu đo đạc theo kĩ thuật Vander Pauw với các mẫu đo thường có dạng hình vuông, tròn hay dạng lá

Với mỗi kiểu đo đạc lại có những thuận lợi và khó khăn riêng

1.2.1 Phương pháp truyền thống

Với những ưu điểm như: ít phép đo, dễ tính

toán,…phương pháp truyền thống vẫn được sử

dụng trong các bài thí nghiệm về hiệu ứng Hall

cho sinh viên các trường đại học trên toàn thế

giới Bên cạnh những ưu điểm, cách đo đạc này

cũng có một số mặt hạn chế nhất định [2]:

 Dễ gây sai số lớn, đặc biệt với mẫu

màng mỏng

 Khi muốn đo độ linh động của hạt tải

trong mẫu cần ít nhất 6 điểm tiếp xúc

 Ta không thể chắc chắn rằng hai điểm

tiếp xúc dùng để đo hiệu thế Hall là thật sự thẳng

Hình 5: Các mẫu đo dạng

thanh thường được sử dụng trong phương pháp

đo truyền thống

Trang 17

hàng Nếu chúng không thẳng hàng, giá trị hiệu điện thế Hall đo được sẽ không thật chính xác Khi gặp vấn đề này, ta sẽ thấy rằng ngay cả khi B=0 thì đã có sự chênh lệch điện thế giữa hai điểm tiếp xúc 3 và 6

1.2.2 Phương pháp Vander Pauw

Phương pháp Vander Pauw là một kĩ thuật thường được sử dụng để đo hằng số Hall và điện trở suất của một mẫu vật dẫn Ưu điểm của phương pháp này là có thể xác định chính xác các tính chất điện của mẫu vật dẫn có hình dạng bất kì miễn là có cấu trúc hai chiều (tức là nó mỏng hơn nhiều so với chiều dài

và chiều rộng)

Thực hiện phương pháp Vander Pauw ta có thể đo đạc và tính toán được các tính chất sau của mẫu vật dẫn:

 Điện trở suất của vật dẫn

 Biết được chất pha tạp (bán dẫn loại p hay loại n)

 Mật độ hạt tải điện, loại hạt tải, bao gồm cả các hạt tải điện cơ bản và hạt tải không cơ bản

 Độ linh động của hạt tải điện

Phương pháp này lần đầu tiên được đề xuất bởi Leo J Vander Pauw vào năm 1958

Xét một mẫu phẳng có hình dạng bất

kì (hình 7), không có lỗ hổng trên bề mặt

Giả sử ta cho dòng điện đi vào bản mẫu này

tại tiếp điểm M và đi ra tại tiếp điểm O, ta

kí hiệu dòng điện này là IMO, lúc đó sẽ có

sụt thế VPN giữa P và N Điện trở của mẫu

được định nghĩa theo công thức[2]:

P N MO,PN

Trang 18

Vander Pauw đã chứng minh rằng điện trở suất của mẫu tuân theo phương trình:

MO,PN NP,MO MO,PN

Bảng 2: Giá trị của hàm f tương ứng với tỉ số MO,NP

NP,OM

RR

Khi đo được điện trở của mẫu, từ (I.28) tính được điện trở suất của nó Để tính hằng số Hall, ta sử dụng công thức:

- Các tiếp điểm phải có diện tích rất nhỏ và nằm trên đường biên của mẫu

- Mẫu phải có độ dày đồng đều và không có lỗ hổng trên bề mặt

Trang 19

Kết luận: Theo lý thuyết trên, chúng ta có thể xác định được:

+ Độ biến thiên điện trở trước và sau khi áp một từ trường đều có cảm

ứng từ B vào mẫu Từ đó tính được hằng số Hall RH sau đó suy ra được hiệu

điện thế Hall VH

+ Hoặc ta có thể đo hiệu điện thế Hall bằng thực nghiệm và biết được

dấu của nó Sau đó suy ra hằng số Hall RH

Từ đó xác định được loại hạt tải, mật độ và độ linh động của chúng Trong đề tài này chúng tôi sẽ đi theo hướng thứ nhất tức là xác định hằng

số Hall Trước tiên chúng ta sẽ đi tìm hiểu thiết bị thí nghiệm để đo hằng

số Hall

Trang 20

CHƯƠNG II: THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM SAI SỐ

2.1 Tìm hiểu thiết bị thí nghiệm

Để thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu chúng ta cần chuẩn bị những thiết bị thí nghiệm sau:

 Bộ thiết bị tạo từ trường: - Nam châm điện một chiều

- Nguồn điện một chiều 0 - 22V/5A

- Gaussmeter

 Nguồn điện 0 ÷ 12V/3A cung cấp dòng một chiều cho mẫu đo

 Dụng cụ đo dòng và thế trên mẫu đo

 Mẫu bán dẫn cần đo

 Bộ giá đỡ mẫu đo và bảng chuyển mạch tổ hợp các sơ đồ đo

 Bộ dây nối mạch điện

2.1.1 Bộ thiết bị tạo từ trường

Cho phép tạo ra từ trường đều trong phạm vi không gian cho trước, với cường độ cảm ứng từ B có thể thay đổi tùy ý trong khoảng 0 ÷ 0.25 T, hoạt động

ổn định và chính xác Bộ thiết bị này gồm nam châm điện một chiều, nguồn điện

0 - 5A cung cấp dòng một chiều cho nam châm điện

2.1.1.1 Nam châm điện một chiều

Nam châm điện một chiều gồm cuộn dây có dòng điện một chiều chạy qua, lõi sắt từ mềm tiết diện đều dạng chữ E, có khe không khí rộng L 10mm , tiết diện 50x50mm2dùng để đặt mẫu vật liệu cần đo Hai cuộn dây đồng loại đường kính 1mm, mỗi cuộn có 400 vòng được bố trí ngay trên hai cực từ, các cuộn dây được mắc song song hoặc nối tiếp Trong phần khe không khí có hai chi tiết bằng vật liệu phi từ tính dùng để định vị và gá mẫu đo đảm bảo từ trường B vuông góc với mặt phẳng mẫu đo

Sự phân bố của từ trường B trong khe

từ của nam châm điện được khảo sát thực

nghiệm bằng cách dùng Gaussmeter để đo

cảm ứng từ B theo ba chiều X, Y, Z trong

không gian của khe từ, với gốc tọa độ đặt

tại tâm của tiết diện nằm giữa khe từ Kết

quả kiểm tra cho thấy cảm ứng từ B là

đồng nhất trong không gian của khe từ

Trang 21

2.1.1.2 Nguồn điện cấp dòng cho nam châm điện

Nguồn điện 0 ÷ 22V/5A cung cấp dòng

từ hóa cho nam châm điện Điện áp Hall xuất

hiện trên hai mặt bên màng mỏng có giá trị

rất nhỏ, cỡ milivôn (mV) đối với bán dẫn và

cỡ micrôvôn ( V) đối với kim loại Khi đặt

trong từ trường, các nhiễu loạn của từ thông

gửi qua diện tích mạch đo sẽ làm sai lệch kết

quả đo Vì vậy nguồn điện 0 ÷ 22V/5A đã

được thiết kế để cung cấp cho nam châm

dòng điện một chiều ổn định, có gợn sóng

nhấp nhô nhỏ dưới mức cho phép và chịu

được dòng điện cực đại là 5A

2.1.1.3 Gaussmeter

Nước xuất xứ: Hoa Kỳ

Nhà sản xuất: Alpha Lab

- Dùng để kiểm tra từ trường của nam châm điện hoặc từ trường của cuộn dây có dòng điện chạy qua bằng cách đo mật độ từ thông chảy qua

- Cách sử dụng: Sử dụng cầm tay Phạm vi thang đo: +/- 19,999.9 Gauss Màn hình: LCD, màn hình hiển thị kỹ thuật số 5-1/2

- Độ chính xác: +/-1% từ 19ºC đến 26ºC

+/-2% Từ -4ºC đến 65 º C

2.1.2 Nguồn điện cấp dòng một chiều cho mẫu đo

Nguồn điện ổn áp 0 ÷ 12V/3A cung

cấp dòng một chiều cho mẫu đo, có điện

áp ra điều chỉnh liên tục 0 ÷ 12V với

dòng ra định mức tối đa 3A Trên mặt

máy của nó có hai đồng hồ chỉ thị dòng

điện và điện áp ra

Thực tế sử dụng cho thấy nguồn

điện 0 ÷ 12V/3A này hoạt động rất ổn

Trang 22

định, đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống đo hiệu thế Hall theo phương pháp Vander Pauw

2.1.3 Dụng cụ đa năng đo dòng và thế: Multimeter Model 2100

2.1.3.1 Giới thiệu đặc tính kĩ thuật

Multimeter Model 2100 là dụng cụ đa năng đo dòng và thế của hãng

Keithley (Hoa kỳ) Thiết bị có độ chính xác cao, độ phân giải 6 1/2 chữ số, có

tất cả 11 chức năng đo và 8 chức năng toán học Multimeter Model 2100 cung

Multimeter Model 2100 có thể được thiết lập một cách nhanh chóng và dễ

dàng để sử dụng Nó có một bảng điều khiển phía trước tương phản cao và bàn phím trực quan và thân thiện với người sử dụng

Khi tiến hành các phép đo nghiên cứu hiệu ứng Hall trên các mẫu kim loại hoặc bán dẫn, dòng và thế có giá trị rất nhỏ, chỉ cỡ mili (m) hay micro ( ) Hơn nữa các mẫu đo thường có điện trở nội nhỏ và điện trở tiếp xúc lớn nên thiết bị

đo phải có độ phân giải cao và trở kháng vào lớn Vì vậy trong hệ thống thiết bị

đo các thông số điện theo kĩ thuật Vander Pauw, người ta phải dùng Multimeter

Model 2100 làm dụng cụ đa năng đo dòng và thế

2.1.3.2 Hướng dẫn sử dụng Multimeter Model 2100 đo dòng và thế

Thiết bị đa năng đo dòng và thế Multimeter Model 2100

Trang 23

4 - Các phím điều chỉnh độ phân giải

5 - Đầu vào (thiết bị đầu cuối), nút chuyển đổi và các cực kết nối

 Cách đo điện áp DC

Phạm vi đo điện áp DC (DCV) là 100mV, 1V, 10V, 100V, 1000V Ngoài

ra đối với các phép đo điện áp AC (ACV), phạm vi là 100mV, 750V, hoặc đỉnh 1000V

Chú ý: Không sử dụng Multimeter Model 2100 đo điện áp lớn hơn 1000V