Nghiên cứu hiệu ứng hall bằng phương pháp thực nghiệm

Lời cảm ơn Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy giáo Th.S L-u Tiến H-ng, thầy đà tận tình h-ớng dẫn tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ suốt trình nghiên cứu hoàn thành khóa luận Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành thầy giáo Th.S Nguyễn Viết Lan thầy giáo, cô giáo khoa Vật lý - Tr-ờng Đại học Vinh đà tận tình giảng dạy dẫn cho suốt thời gian học tập tr-ờng Vinh, tháng năm 2008 Tác giả Lê Thị Tuyết Mở đầu Chúng ta sống kỷ XXI, đà chứng kiến phát triển nh- vũ bảo khoa học kỹ thuật khối l-ợng sản phẩm khổng lồ mà tạo Ngành vật lý đà đạt đ-ợc nhiều thành tựu đáng kể Trong đó, không kể đến vai trò lĩnh vực khoa häc vËt liƯu mµ thĨ lµ vËt lý chÊt rắn bán dẫn Trong vật liệu rắn, chất bán dẫn chiếm vị trí quan trọng, đà đ-ợc quan tâm nghiên cứu suốt sáu bảy chục năm qua Vật lý bán dẫn, lĩnh vực khoa học kỹ thuật nghiên cứu tính chất chế vật lý xảy chất bán dẫn, đà đạt đ-ợc thành tựu to lớn Với thành tựu đó, chất bán dẫn thực đà làm cách mạng công nghiệp điện tư cịng nh- nhiỊu ngµnh khoa häc kü tht công nghiệp khác Dựa thành tựu ng-ời ta đà chế tạo máy phát điện, thiết bị làm lạnh, máy điều hoà nhiệt độ, vô tuyến, máy tính, điện thoạinhằm đáp ứng nhu cầu phục vụ cho cc sèng ng-êi VËt liƯu b¸n dÉn rÊt đa dạng ứng dụng chúng phong phú Việc nghiên cứu giá trị thực đặc tr-ng cho chất bán dẫn nhiều triển vọng t-ơng lai, nhiệm vụ nhà nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm Song thiết nghĩ để phát huy mạnh thiết bị kỹ thuật, phải hiểu hiệu ứng xảy chất bán dẫn Các hiệu ứng liên quan đến hạt tự d-ới tác dụng ®iƯn tr-êng, tõ tr-êng cđa gra®ien nhiƯt ®é, gra®ien nång độ hạt dẫn Để góp phần đạt đ-ợc mục tiêu đó, đà chọn đề tài khoá luận là: "Nghiên cứu hiệu ứng Hall ph-ơng pháp thực nghiệm" Cấu trúc khoá luận phần mở đầu kết luận, nội dung đ-ợc trình bày ch-ơng Ch-ơng Sơ l-ợc chất bán dẫn Ch-ơng C¬ së lý thut vỊ hiƯu øng Hall Ch-¬ng Thực nghiệm số kết Ch-ơng Mét sè øng dơng cđa hiƯu øng Hall Ch-¬ng Sơ l-ợc chất bán dẫn Khái niệm chất bán dẫn Một kết quan trọng việc ứng dụng học l-ợng tử đà mô tả điện tử chất rắn có mức l-ợng cho phép tạo thành vùng l-ợng - Vùng l-ợng bị lấp đầy hoàn toàn đ-ợc gọi vùng hoá trị - Vùng l-ợng trống mà điện tử chuyển lên chiếm bị kích thích nhiệt d-ới tác dụng điện tr-ờng đ-ợc gọi vùng dẫn - Giữa vùng dẫn vùng hóa trị vùng cấm Trong vùng cấm không tồn mức l-ợng để điện tử chiếm chỗ nhiệt độ phòng điều kiện áp suất bình th-ờng, giá trị ®é réng vïng cÊm cđa Ge lµ 0,66 eV; cđa si 1,12eV cảu GaAs 1,42 eV Đây giá trị vật liệu có độ cao Đối với vật liệu pha tạp cao độ rộng vùng cấm nhỏ hiệu ứng thu hẹp vùng cấm gây ra, mức l-ợng đono (hay acceptor) nằm gần mép vùng dẫn (hay mép vùng hóa trị) gây hẹp vùng cấm Các kết thực nghiệm độ rộng vùng cấm phần lớn bán dẫn giảm theo tăng nhiệt độ Hình 1.1 độ rộng vùng cấm phụ thuộc vào ba loại vËt liƯu Ge, Si, GaAs Sù thay ®ỉi ®é réng vùng cấm vào nhiệt độ biểu thị gần theo hàm sau [7] Eg 5, 405 x 10-4  T  (T) = 1,1519 - Eg (T) = 1,17 - (T + 204) (4,73 x 10-4 ) T (T + 636) Eg (T) = 0,7437 - (4,774 x10-4 ).T (T + 235) cho GaAs cho Si cho Ge (1.1) H×nh 1.1 Sù phơ thuộc độ rộng vùng cấm vào nhiệt độ Ge, Si GaAs Chúng ta đơn giản hóa mô hình vùng l-ợng cách thay đáy vùng dẫn đ-ờng thẳng ký hiệu Ec từ trở lên vùng dẫn Thay đỉnh vùng hoá trị đ-ờng thẳng ký hiệu Ev, từ trở xuống vùng hoá trị Khoảng cách đáy vùng dẫn đỉnh vùng hóa trị vùng cấm Eg Có thể dựa vào vùng l-ợng để phân biệt kim loại, điện môi chất bán dẫn nh- sau: + Xét tinh thể nút iôn hoá trị (ví dụ: tinh thể Na, Li, K, S) nguyên tử phải đóng góp điện tử vào vùng dẫn, vùng dẫn bị lấp đầy nửa Tinh thể nh- dẫn điện tốt đ-ợc gọi kim loại Đối với tinh thể nút có ion hóa trị (ví dụ: Mg, Ca) nguyên tử đóng góp vào hai điên tử, vùng dẫn bị lấp đầy hoàn toàn, tinh thể không dẫn điện nh-ng thực tế nguyên tử hoá trị nguyên tử kim loại Vì tr-ờng hợp vùng l-ợng ứng với mức l-ợng nguyên tử cao vùng trống vùng phủ phần lên giải l-ợng bị chiếm ứng với mức l-ợng nguyên tử thấp + Nếu nguyên tố mà có vùng bị lấp đầy vùng ch-a bị lấp đầy không phủ lên có khả xảy - Khả 1: Eg > kT Khi kích thích nhiệt độ không ảnh h-ởng tới việc chuyển điện tử vào vùng hóa trị lên vùng dẫn Các tinh thể nh- khả dẫn điện gọi chất điện môi Phân loại chất bán dẫn 2.1 Bán dẫn Bán dẫn thuần, tr-ờng hợp lý t-ởng bán dẫn tinh khiết không tạp chất Đối với bán dẫn nhiệt độ 0K, vùng hoá trị bị lấp đầy điện tử vùng dẫn bị rỗng Khi nhiệt độ lớn nhiệt độ không tuyệt đối, thu đ-ợc l-ợng nhiệt số điện tử từ vùng hóa trị nhảy lên vùng dẫn trở thành điện tử tự do, sẵn sàng tham gia vào thành phần dòng điện Khi vùng hoá trị thiếu hụt điện tử nên xuất mức l-ợng lỗ trống Điện tử xung quanh nhảy vào chỗ lỗ trống lấp đầy lỗ trống này, lỗ trống xuất Quá trình xuất nhiều b-ớc nhảy điện tử nh- khiến cảm nhận lỗ trống di chuyển đi, hay nói cách khác, thành phần dòng lỗ trống vùng hóa trị tham gia vào trình dẫn điện chÊt b¸n dÉn Nh- vËy b¸n dÉn cã loại hạt tải điện điện tử lỗ trèng víi mËt ®é cđa chóng ngang b»ng Møc Fecmi bán dẫn nằm vùng cấm 2.2 Bán dẫn tạp chất Bán dẫn không đạt đ-ợc tinh khiết hoàn toàn ta khảo sát số tạp chất số sai hỏng mạng tinh thể có ảnh h-ởng quan trọng đến tính dẫn điện bán dẫn 2.2.1 Bán dẫn loại n Khi pha mét nguyªn tư cã ë nhãm V bảng tuần hoàn Mendenleep (P, As, Sb) vào bán dẫn, thí dụ: Pha nguyên tử P vào Si, nguyên tử nhóm V thay nguyên tử Si nút mạng có điện tử mang điện tích âm d- (vì liên kết mạng Si cần điện tử) Nguyên tử P cho điện tử vào vùng dẫn Vật liệu bán dẫn đ-ợc pha tạp P cho điện tử dmang điện tích âm, đ-ợc gọi bán dẫn loại n Những tạp chất thuộc loại nhóm V kể đ-ợc gọi đono (tạp chất cho điện tử) Khi pha tạp chất vào bán dẫn, nguyên tử nhóm V thông th-ờng bị ion hóa hoàn toàn, chúng cho điện tử tự trở thành ion d-ơng Số l-ợng điện tử tự bán dẫn loại n nhiều hẳn lỗ trống, gọi điện tử hạt dẫn đa số, lỗ trống hạt dẫn thiểu số Tính dẫn điện bán dẫn loại n điện tử định Mức Fecmi đ-ợc dịch lên phía gần mép vùng dẫn phụ thuộc vào độ lớn nồng độ hạt tải loại n 2.2.2 Bán dẫn loại p Khi pha tạp nguyên tử nhóm III bảng tuần hoàn Mendenleep nh- In, Ga, B, Al vào bán dẫn Si, nguyên tư nhãm III sÏ thay thÕ mét sè nguyªn tư nút mạng Vì Bo có điện tử nên mạng Si, Bo thiếu điện tử Một nguyên tử đ-ợc nhận thêm vào điện tử để tạo thành liên kết hoá trị xung quanh nguyên tử Bo Khi điện tử từ chỗ mạng bán dẫn đến liên kết với nguyên tử Bo để lại sau lỗ trống mang điện tích d-ơng Lỗ trống đ-ợc hình thành vùng hóa trị Đây bán dẫn loại P, bán dẫn mang nhiều điện tích d-ơng Nguyên tử Bo gọi nguyên tử Acceptor (nhận) Khi pha Acceptor vào bán dẫn, th-ờng chúng bị ion hoá trở thành ion âm làm xuất tinh thể bán dẫn lỗ trống Mức Fecmi bán dẫn loại p đ-ợc dịch xuống phía d-ới gần mép vùng hoá trị phụ thuộc vào độ lớn nồng độ hạt tải loại p Trong bán dẫn loại p, số l-ợng lỗ trống nhiều nhiều so với điện tử Vì vậy, lỗ trống hạt dẫn đa số, điện tử hạt dẫn thiểu số Tính dẫn điện bán dẫn loại p lỗ trống định * Biểu đồ l-ợng bán dẫn loại n, vùng cấm xuất thêm mức l-ợng donor gần đáy vùng dẫn cách đáy vùng dẫn khoảng Ed Khi nhận đ-ợc mức l-ợng Ed điện tử từ mức donor chuyển lên vùng dẫn trở thành điện tử tự Vì l-ợng Ed l-ợng ion hoá donor (hình 1.2a) E E Vïng dÉn Vïng dÉn Ec             Ev  Ed  Møc ®onor Ec Møc acceptor  Ev Vïng hãa trÞ          Ea Vùng hóa trị b Loại p a Loại n Hình 1.2 Biểu đồ l-ợng bán dẫn loại n (hình a), loại p (hình b) * Biểu đồ l-ợng chất bán dÉn lo¹i p, vïng cÊp sÏ xt hiƯn vïng l-ợng Acceptor nằm gần đỉnh hoá trị cách đỉnh hoá trị khoảng Ea (hình 1.2b) Ta nhận thấy, cần thu thêm l-ợng nhỏ điện tử chuyển lên mức l-ợng acceptor mức l-ợng acceptor gọi l-ợng ion hãa acceptor 2.2.3 B¸n dÉn bï trõ Trong thùc tÕ nhiều tr-ờng hợp bán dẫn chứa hai loại tạp chất loại n loại p với nồng độ khác nồng độ hạt tải tổng cộng chúng bù trừ nhau, loại bán dẫn có nồng độ lớn sau bù trừ, nỗi trội Bán dẫn có đặc điểm nh- đ-ợc gọi bán dẫn bù trõ 2.2.4 B¸n dÉn suy biÕn Trong thùc tÕ pha tạp loại n với nồng độ cao (th-ờng nồng độ tạp chất 1019 at/ cm3 ) mức Fecmi dịch lên gần mép vùng dẫn xâm nhập vào vùng dẫn Khi pha tạp loại p với nồng độ cao mức Fecmi dịch xuống phía d-ới gần mép vùng hóa trị nằm vào vùng hoá trị Trong tr-ờng hợp tính chất bán dẫn thay đổi nhiều Một số tính chất giống kim loại xuất Độ rộng vùng cấm bị hẹp lại, hàm phân bố Fecmi không phù hợp tr-ờng hợp Bán dẫn kiểu bán dẫn suy biến Các công thức quan trọng bán dẫn trạng thái cân 3.1 Mật độ trạng thái Mật độ trạng thái số trạng thái điện tử đơn vị l-ợng đơn vị thể tích tinh thể [6] 3.1.1 Mật độ trạng thái vùng dẫn 3/2  2m*  Nn (E) = 2  2d   h     E- E c 1/2 (1.2) Trong đó: m*d : Khối l-ợng hiệu dụng mật độ trạng thái vùng dẫn 3.1.2 Mật độ trạng thái vùng hoá trị 3/2 2m*  Np (E) =   2pd   h     Ev - E  1/2 (1.3) m*pd : Khối l-ợng hiệu dụng mật độ trạng thái vùng hóa trị 3.1.3 Mật độ trạng thái mức định xứ Giả sử nồng độ tạp chất tinh thể nhỏ, khoảng cách tinh thể lớn, nguyên tử tạp chất ch-a t-ơng tác với mức l-ợng loại tạp chất ch-a có t-ợng tách mức, tạo thành vùng tạp chất , giả sử tinh thể nồng độ nguyên tử tạp chất đono Nd, nh- tất Nd trạng thái định xứ có mức l-ợng Ed Vậy mức l-ợng Ed mật độ trạng thái vô cực, mức l-ợng mật độ trạng thái không Muốn biểu diễn đắn mật độ trạng thái mức l-ợng phải dùng hàm ta có: Nd (E) = Nd (E - Ed) (1.4) Na (E) = N a  (E - E a) (1.5) Víi Nd (E) ; Na (E ) mật độ trạng thái donor acceptor Nd , Na , nồng độ tạp chất đono acceptor Ed , Ea , mức l-ợng tạp chất donor acceptor Trên hình (1.3) mật độ trạng thái vùng cho phép đ-ợc biểu diễn d-ới dạng đ-ờng cong, mật độ trạng thái tạp chất biểu diễn đ-ờng thẳng Hình 1.3 Mật độ trạng thái vùng l-ợng cho phép mức l-ợng định xứ 3.2 Hàm Fecmi - đirắc Phân bố l-ợng điện tử chất rắn tuân theo quy luật phép thống kê Fecmi - đirắc Phân bố Fecmi - đirắc cho biết xác suất mà trạng thái điện tử có l-ợng E bị chiếm điện tử Hàm chứa thông số EF đ-ợc gọi mức Fecmi Định nghĩa chặt chẽ mức Fecmi hoá học điện tử chất rắn Khái niệm mức l-ợng Fecmi có ý nghĩa quan trọng đặc biệt lý thuyết bán dẫn Đặc tính dẫn điện bán dẫn phụ thuộc nhiều vào nồng độ hạt tích điện bán dẫn Theo lý thuyết thống kê Fecmi - đirắc, xác suất điện tử bán dẫn chiếm chỗ mức l-ợng E là: F (E) = Trong đó: E- E F 1+ exp k B T kB: H»ng sè balzmann T: Nhiệt độ tuyệt đối EF: Mức l-ợng Fecmi 10 (1.6) Ch-ơng Thực nghiệm số kết Mục đích thí nghiệm + Khảo sát phụ thuộc hiệu điện Hall vào dòng điện giá trị từ tr-ờng không đổi: từ xác định mật độ độ linh động hạt tải + Khảo sát phụ thuộc hiệu điện Hall vào từ tr-ờng giá trị dòng điện không đổi, từ xác định hệ số Hall + Đo phụ thuộc hiệu điện Hall vào nhiệt độ, nghiên cứu dịch chuyển từ bán dẫn pha tạp thành bán dẫn Thiết bị Các thiết bị thí nghiệm để thực phép đo bao gồm: Bộ giá thí nghiệm cho hiƯu øng Hall tÊm b¸n dÉn Ge pha tạp loại p gắn bảng mạch có chiều dày d = 10-3m đầu dò B cáp đa lõi sensor CASSY nguồn AC/AD cung cấp l-ợng từ đến 15 V nguốn DC lõi sắt hình chữ U cặp cực có lỗ cuộn dây 250 vòng giá đỡ dài 25cm kẹp đa chức giá đỡ hình chữ V 20cm cặp cáp nối dài 1m màu đỏ xanh máy tính có cài phần mềm CASSY bán dẫn Ge loại P có kích th-íc 20mm (W) x 10mm (b) x 1mm (d) 44 Bố trí thí nghiệm Với thiết bị trên, tuỳ vào mục đích thí nghiệm, thiết bị đ-ợc lắp ráp theo sơ đồ có sẵn Sau lắp ráp thiết bị, thông số phép đo đ-ợc đặt, hiệu chỉnh đo xác máy tính nh- áp đặt U, dòng I nhiệt độ Hình 3.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm đo Hall UH phụ thuộc dòng I phụ thuộc từ tr-ờng B Hình 3.2 Sơ ®å bè trÝ thÝ nghiƯm ®o sù phơ thc cđa hiệu điện Hall vào nhiệt độ 45 Khi tiến hành thí nghiệm cần ý điều sau: + Tinh thĨ Ge lo¹i P rÊt dƠ + Khi xử lý ổ cắm bảng phải cẩn thận không chinh phục cú sốc khí + Một vấn đề cần quan tâm việc bù Hall phải đ-ợc thực cách cẩn thận tr-ớc phép đo thân từ tr-ờng trái đất, từ tr-ờng trang thiết bị xung quanh đà gây hiệu ứng Hall Nên ta phải đặt vào mét tõ tr-êng ®Ĩ khư nã cho tõ tr-êng B = Tiến hành thí nghiệm 4.1 Đo Hall UH phụ thuộc dòng điện I Các b-ớc tiến hành: - Đầu tiên phải bù Hall - Đặt từ tr-ờng B giá trị mong muốn đo mật độ từ tính B - Đặt dòng I tới giá trị cực đại đo điện áp sụt U - Đo điện áp Hall nh- hàm dòng I 4.2 Đo Hall UH phụ thuộc vào từ tr-ờng B Các b-ớc tiến hành: - Đầu tiên phải bù Hall - Đặt từ dòng I giá trị mong muốn - Đo điện áp Hall UH nh- hàm từ tr-ờng B 4.3 Đo Hall UH phụ thuộc nhiệt độ T Các b-ớc tiến hành: - Đầu tiên phải bù Hall - Đặt dòng I giá trị mong muốn - Đặt từ tr-ờng B giá trị nh- mong muốn - Đo điện áp Hall nh- hàm nhiệt độ T 46 Kết thí nghiệm 5.1 Đo điện áp Hall phụ thuộc vào dòng điện a Kết thí nghiệm nhiệt độ phòng Hình 3.3 Sự phụ thuộc cđa thÕ Hall UH vµo I víi B = 0,35T Đ-ờng thẳng với dốc A, t-ơng ứng với A phù hợp với ph-ơng trình (2.47) - Kết thí nghiệm nh- sau: Điện áp sụt U = 1,4V Điện áp Hall UH = 72mV b Nhận xét: Giá trị đo ®-ỵc cho thÊy chóng cã sai lƯch so víi lý thuyết Sai số phép đo 0,33 Sở dĩ có sai khác nguồn nhiƠu kh¸c (nh- ngn nhiƠu cđa c¸c ngn tõ tr-ờng xung quanh, dòng điện không ổn định, độ ẩm môi tr-ờng) sinh trình đo Hình (3.3) kết đo khảo sát phụ thuộc điện Hall U H vào dòng điện giá trị B = 0,35 T nhiệt độ phòng 47 Các giá trị dùng để vẽ đ-ờng đặc tr-ng giá trị trung bình lần đo cho sù phơ thc cđa U H vµo I Tõ kết sử dụng phần mềm Origin, Kaleidagraph cho thấy phụ thuộc U H vào I gần theo hàm bậc chúng phù hợp với sở lý thuyết nh- đà nêu ph-ơng trình (2.47) Theo ph-ơng trình (2.47) ta có: U H = RH Nªn ta cã: I.B d UH = A I Trong ®ã: A = RH B = h»ng số d Từ kết thực nghiệm (hình 3.3) ta xác định đ-ợc độ dốc đồ thị giá trị A phép đo đà đo đ-ợc A = 2,13 V/A Từ công thức (2.49): pS = B e0 d.A víi d = 10-3m, B = 0,35 T Ta có mật độ lỗ trống pS tạp chất gây nh- sau: PS 0,35  1,1.1021(m3)  19  1,602.10 1.10  2,13 Từ số liệu đo đ-ợc ta hoàn toàn tính đ-ợc vận tốc vP độ linh động P lỗ trống nh- sau: Với U = 1,4 V; UH = 72 mV; b = 10 mm; W = 20 mm UH = 21m/s b.B U W cm2 H P = = 2940 b.B.U V.s vP = 48 5.2 Đo điện áp Hall phụ thuộc vào từ tr-ờng a Kết thí nghiệm nhiệt độ phòng Hình 3.4 Sự phụ thuộc Hall UH vào B Với I = 30 mA Đ-ờng thẳng với dốc A, t-ơng ứng với A phù hợp với ph-ơng trình (2.47) b Nhận xét: Đối với phép đo UH phụ thuộc vào B, t-ơng tự nh- tr-ờng hợp trên, thực nghiƯm cịng cho thÊy sù phơ thc cđa UH vµo B phụ thuộc gần theo hàm bậc nh- hình (3.4) Sai số phép đo 0,47 Ta có: UH =A.B Trong đó: A= RH I = số d Từ kết ta tính đ-ợc số Hall RH Ta đà biết: I = 30 mA ; d = 10-3 ; A = 0,199 Khi ®ã hƯ sè Hall (RH) cã giá trị sau: RH = A.d m2 = 6,6.10-3 I As 49 V T 5.3 Đo điện áp Hall phụ thuộc nhiệt độ a Kết thí nghiệm Sử dụng ph-ơng trình (2.57) (2.61) với quan hệ p = p E + pS vµ n = nE điện áp Hall đ-ợc biểu diễn nh- sau: *    *      A +  A2/4 + B 2*e -C 13025,9/x    - A/2  1- D              UH = *     *      A +  A2/4 + B 2*e -C 13025,9/x    - A/2  1+ D 2* 72,9*1022               (3.1) Trong ®ã: A 1,7 1021m3 B = N0 = 1,99 1026 m-3 C = Eg = 0,74 eV D = n / P 1,81 Kết thí nghiệm: Hình 3.5 Sù phơ thc cđa thÕ Hall UH vµo nhiƯt ®é, B = 0,35 T, B = 0,35T, I = 30 mA 50 b NhËn xÐt Ta thÊy kết thí nghiệm biểu diễn hình 3.5 phù hợp với ph-ơng trình (3.1) Sai số phép đo 0,29 Từ thí nghiệm khảo sát phụ thuộc nhiệt độ điện áp Hall U H giúp ta nghiên cứu dịch chuyển tích nạp lỗ đến vận chuyển từ bán dẫn pha tạp thành bán dẫn thuần: nhiệt độ phòng, lỗ trống đ-ợc tạo nguyên tử nhận tinh thể Ge Khi tăng nhiệt độ, vận chuyển tích nạp ngày tăng điện tử bị kích thích nhiệt kết lỗ trống sinh miền hoá trị Khi số l-ợng điện tử tăng nhanh số l-ợng lỗ trống điện áp Hall trở nên cực tiểu: Với việc thừa nhận ph-ơng trình (2.48), hiệu ứng Hall xảy khi: p.P2 = n.P2 Tại vùng nhiệt độ âm, độ linh ®éng cịng nh- vËn tèc cn cđa ®iƯn tư lớn độ linh động, vận tốc lỗ trống.Khi ta có mối liên hệ sau: n 2.p Tại nhiệt độ cao tích nạp lỗ trống điện tử xấp xỉ Điện áp Hall gần điện tử lỗ trống đ-ợc biểu diễn nh- hình 3.5 Điều có ý nghĩa hiệu ứng Hall bán dẫn Phép đo khảo sát phụ thuộc UH vào nhiệt độ T cho thông tin khác chất bán dẫn nh- mối liên hệ độ linh động lỗ trống điện tử, mật độ trạng thái, mật độ hạt tải nhiệt độ khác Kết luận ch-ơng Từ mục đích nghiên cứu hiệu ứng Hall đà nêu ch-ơng 2, tìm hiểu phụ thuộc Hall UH vào dòng điện, từ tr-ờng nhiệt độ, 51 ch-ơng đà trình bày ph-ơng pháp số kết nghiên cứu hiệu ứng Hall thực nghiệm Cụ thể trình bày thiết bị, cách bố trí b-ớc tiến hành thí nghiệm tùy theo mục đích khác Qua việc tiến hành thí nghiệm, đà thu đ-ợc kết phù hợp với lý thuyết Cho phép ta xác định tham số cực nhỏ đặc tr-ng cho bán dẫn, ví dụ nh-: độ linh động, mật độ hạt dẫn điện, vận tốc trôi hạt mang điện Điều đặc biệt quan trọng thu đ-ợc từ thực nghiệm cho ta thÊy râ sù phơ thc cđa thÕ Hall vào dòng điện, từ tr-ờng nhiệt độ 52 Ch-ơng mét sè øng dơng cđa hiƯu øng hall Hiệu ứng Hall sử dụng chủ yếu c¸c thiết b o, u dò Các thit b n y thng ph¸t tÝn hiệu yếu cần khuÕch đại u kỷ 20, máy khuếch đại dùng bóng chân không tn kém, nên u o kiểu nà y ph¸t triển từ cã công ngh vi mạch bán dẫn Ng y nay, nhiu "u dò hiu ng Hall" cha sn máy khuch i bên o cng dũng in Hình 4.1 Ampe kế Đầu dòng điện dùng hiu ng Hall, cã sẵn khuếch đại §-êng kÝnh mm Hiệu ứng Hall nhạy cảm với từ trường, mà từ trường c sinh t mt dòng điện bt k, ®ã cã thể đo cường độ dßng chạy qua dây in a dòng n y gn thit b đo Thiết bị cã đầu ra: d©y nối t, mt dây ngun to dòng chy Hall, mt dây cho bit hiu điện th Hall Phng pháp o dòng in n y không cn s tiếp xóc học trực tiếp với mạch điện, hầu nh không gây thêm in tr ph ca máy o mạch 53 điện, kh«ng bị ảnh hưởng nguồn điện (cã thể cao thÕ) mạch điện, tăng tÝnh an n cho phÐp đo Đo công suất điện Công suất tiêu th ca mt mch in l tích ca c-ờng độ dòng điện v hiệu điện mch Vy có th o công sut n y bng cách o dòng in (nh mô t trªn) đồng thời với việc dïng hiệu điện ca mch in nuôi dòng qua Hall Phng ph¸p cã thể cải tiến để đo công sut dòng điện xoay chiều sinh hot dân dụng Nã thường chÝnh x¸c c¸c thiết bị truyền thông v gây cn tr dòng in Xác ®Þnh vÞ trÝ chuyển động Hiệu ứng Hall cã thể dïng để x¸c định vị trÝ học C¸c thiết bị kiểu nà y kh«ng cã chi tiết học chuyển động nà o cã thể chế tạo kÝn, chịu bụi, chất bẩn, độ ẩm, bïn lầy Điều nà y gióp c¸c thiết bị nà y cã thể đo đạc vÞ trÝ tiện dng c quang học hay điện Khi ng «-t« Khi quay ổ khãa khởi động «-t«, nam châm gn khóa quay theo, gây nên thay đổi tõ tr-êng, cảm nhận thiết bị dïng hiu ng Hall Phng pháp n y tin li không gây hao mòn nh phng pháp c hc khác Dò chuyn ng quay Vic dò chuyn ng quay tương tự trªn cã Ých chế to h thng hảm phanh chống tr-ợt nhy bén hn «-t«, gióp người điều khiển xe dễ dà ng hn Kết luận ch-ơng Ch-ơng trình bày số ứng dụng Hall đời sống hàng ngày Ví dụ nh-: dụng cụ đo c-ờng độ dòng điện, đo công suất điện, xác định vị trí chuyển động, khởi động ô tô dò chuyển động quay Việc sử dụng thiết bị thực tế đà cho thấy kết có nhiều -u điểm, thuận tiƯn cho ng-êi sư dơng 54 KÕt ln Víi mục đích đề tài đ-ợc đặt ra, qua thời gian nghiên cứu, tham khảo tài liệu nh- dạy tận tình thầy giáo h-ớng dẫn, khóa luận đà hoàn thành số kết sau: Trình bày đại c-ơng khái niệm, đặc điểm chất bán dẫn, phân loại chất bán dẫn công thức bán dẫn trạng thái cân Trình bày sở lý thuyết vỊ hiƯu øng Hall Tõ lý thut ng-êi ta ®· giải thích hiệu ứng Hall cách định tính định l-ợng ph-ơng pháp giải ph-ơng trình Boltzman Từ đó, tính đ-ợc thông số đặc tr-ng cho hiÖu øng Hall nh- h»ng sè Hall, gãc Hall… Trình bày ph-ơng pháp tiến hành thí nghiệm, khảo sát hiệu ứng Hall số kết đà thu đ-ợc Từ kết đó, đà khảo sát đ-ợc phụ thuộc điện Hall vào từ tr-ờng, dòng điện nhiệt độ Nêu số øng dơng cđa hiƯu øng Hall cc sèng Do thời gian có hạn lần tiếp xúc với công việc nghiên cứu nên khóa luận không tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận đ-ợc góp ý chân thành, thẳng thắn thầy, cô giáo bạn bè để khóa luận đ-ợc hoàn thiện 55 Tài liệu tham khảo Kitteell, Sơ yếu vật lý chất rắn, Nhà xuất Giáo dục, 1972 Nguyễn Thế Khôi, Nguyễn Hữu Mình, Vật lý chất rắn, Nhà xuất Giáo dục, 1992 Đào Trần Cao, Cơ sở Vật lý chất rắn, Nhà xuất Đại học quốc gia Hà Nội, 2004 Nguyễn Thị Bảo Ngọc, Nguyễn Văn NhÃ, Giáo trình Vật lý chất rắn, Nhà xuất Đại học quốc gia Hà Nội, 1997 Đỗ Ngọc Uẩn, Giáo trình Vật lý chất rắn đại c-ơng, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2003 Phùng Hồ, Phan Quốc Phô, Giáo trình vật lý bán dẫn, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2001 Đào Khắc An, Vật lý linh kiện bán dẫn quang điện tử thông tin quang, Nhà xuất đại học quốc gia Hà Nội, 2003 56 Mục lục Trang Lời cảm ơn Mở đầu Ch-ơng Sơ l-ợc chÊt b¸n dÉn Kh¸i niƯm vỊ chÊt b¸n dẫn Phân loại chất bán dẫn 2.1 Bán dẫn 2.2 Bán dẫn tạp chất 2.2.1 Bán dẫn loại n 2.2.2 Bán dẫn loại p 2.2.3 B¸n dÉn bï trõ 2.2.4 B¸n dẫn suy biến Các công thức quan trọng bán dẫn trạng thái cân 3.1 Mật độ trạng thái 3.1.1 Mật độ trạng thái vùng dẫn 3.1.2 Mật độ trạng thái vùng hóa trị 3.1.3 Mật độ trạng thái mức định xứ 3.2 Hàm Fecmi - đirắc 10 3.3 Nồng độ điện tử lỗ trống tự do- ph-ơng trình trung hòa 12 3.3.1 Nồng độ điện tử vùng dẫn 12 3.3.2 Nồng độ lỗ trống tự vùng hóa trị 13 3.3.3 Giá trị tích phân Fecmi-bán dẫn không suy biến bán dẫn suy biến 13 3.4 Ph-ơng trình trung hòa 15 3.5 Bán dẫn riêng 16 3.5.1 Tr-ờng hợp 16 3.5.2 tr-ờng hợp 17 3.6 Bán dẫn tạp chất 18 3.6.1 Bán dẫn loại tạp chất 18 3.6.2 Bán dẫn chứa hai loại tạp chất 20 57 Ch-ơng Cơ sở lý thuyết hiệu ứng Hall Định nghĩa hiệu ứng Hall C¬ së lý thuyÕt 2.1 C¬ chÕ 2.2 Giải ph-ơng trình động Boltzman tr-ờng hợp có điện từ tr-ờng tác dụng 2.3 Hiệu ứng Hall b¸n dÉn suy biÕn 2.4 HiƯu øng Hall b¸n dẫn không suy biến 2.5 Bán dẫn có tính dẫn hỗn hợp điện tử lỗ trống Hiệu ứng Hall P - Gecmani Ch-ơng Thực nghiệm số kết 23 Mục đích thí nghiệm ThiÕt bÞ Bè trÝ thÝ nghiƯm TiÕn hành thí nghiệm 4.1 Đo Hall UH phụ thuộc dòng điện I 4.2 Đo Hall UH phụ thuộc vào từ tr-ờng B 4.3 Đo Hall UH phụ thuộc nhiệt độ T Kết thí nghiệm 5.1 Đo điện áp Hall phụ thuộc vào dòng điện 5.2 Đo điện áp Hall phụ thuộc vào từ tr-ờng 5.3 Đo điện áp Hall phụ thuộc vào nhiệt độ 44 44 45 46 46 46 46 47 47 49 50 53 Ch-¬ng Mét sè øng dơng cđa hiƯu øng Hall Đo c-ờng độ dòng điện Đo công suất điện Xác định vị trí chuyển động Khởi động ô - tô Dò chuyển động quay 23 23 23 26 30 33 34 38 44 KÕt ln 53 54 54 54 54 55 Tµi liƯu tham kh¶o 56 58 ... thuyết hiệu ứng Hall bán dẫn Gecmani loại P Nội dung kiến thức ch-ơng sở cho việc khảo sát hiệu ứng Hall bán dẫn Gecmani loại P ph-ơng pháp thực nghiệm 43 Ch-ơng Thực nghiệm số kết Mục đích thí nghiệm. .. đồ thực nghiệm hiệu ứng Hall Để nghiên cứu hiệu ứng Hall ng-ời ta dùng sơ đồ nh- hình (2.1) điện tr-ờng đặt vµo mÉu song song víi trơc x, tõ tr-êng song song với trục y đo đ-ợc điện tr-ờng Hall. .. bày sở lý thuyết hiệu ứng Hall Trong đó, giải thích hiệu ứng Hall cách đầy đủ mặt định tính mặt định l-ợng ph-ơng pháp giải ph-ơng trình Boltzman Trình bày sơ l-ợc hiệu ứng Hall bán dẫn không