Аппаратура и образцы для измерения эффекта Холла методом постоянного поля и постоянного тока

Наиболее прост в реализации первый метод. Кроме того, он обладает достаточно высокой чувствительностью. По этим причинам метод постоянного поля и постоянного тока в настоящее время широко используется.

Существующие установки независимо от метода измерения содержат магнит (электромагнит), источник питания (генератор тока), измерительную камеру и блок коммутации.

Постоянное магнитное поле создается с помощью магнита. Если необходимо регулировать напряженность магнитного поля, то используется электромагнит. В этом случае изменение индукции магнитного поля в воздушном зазоре между его полюсными наконечниками производится путем пропускания через обмотки электромагнита тока различной величины.

Источник питания образца должен иметь низкий уровень собственных шумов и высокую стабильность. Генератор тока необходим для поддержания постоянного по величине тока через образец, сопротивление которого изменяется при изменении температуры, напряженности магнитного поля и других факторов.

Конструкция измерительной камеры должна обеспечивать измерение необходимых параметров образца в требуемом диапазоне температур. Кроме этого, необходимо управлять температурой образца и ее регистрировать. Обычно при измерениях в интервале температур от комнатной до 373 К используется термостат. Температура измеряется термометром или термопарой.

Блок коммутации осуществляет подключение к измерительным приборам тех зондов, которые используются при выполнении измерений, а также подключение датчика температур к измерительному прибору.

Типичная схема установки для измерения ЭДС Холла и электропроводности изображена на рис. 3.1. Образец О подключается к регулируемому источнику постоянного тока (напряжения) с изменяемой полярностью. Значение тока измеряется гальванометром. Выходное напряжение U измеряются приборами 3 и 4, подключенными к соответствующим выводам схемы. В качестве измерительных приборов обычно используются цифровые вольтметры, отличающиеся высокой чувствительностью, точностью и высоким входным сопротивлением.

Для образцов прямоугольной формы обработка результатов измерений проводится по формулам (2.12)-(2.14). Однако при расчетах значений концентрации носителей заряда, их подвижности необходимо учитывать следующее. Если при измерении входящих в формулы (2.12-2.14) величин использовать единицы СИ (вольт, ампер, метр, тесла), то значения , и получают тоже в единицах СИ. Для облегчения расчетов в таблице (см. Приложение Б) приведены размерности физических величин и значения некоторых констант.

Достоверность и воспроизводимость результатов измерений определяется: геометрией образца, состоянием поверхности и наличием высококачественных омических контактов к нему. Если длина l превосходит его ширину а по крайней мере в три раза, то шунтирующим действием токовых электродов на величину измеряемого напряжения Холла можно пренебречь. Состояние поверхности играет особенно большую роль при измерении высокоомных образцов, так как оно определяет величину токов утечки по поверхности. Влияние поверхностных токов утечки можно ограничить с помощью специальной химической обработки поверхности. Погрешность измерений существенно зависит от инжектирующих свойств контактов, так как инжекция неосновных носителей заряда через контакты приводит к уменьшению удельного сопротивления образца на достаточно больших расстояниях от токовых электродов.

 

Рис. 3.1. Схема стенда для изучения эффекта Холла 1 – блок измерений температуры, 2 – блок питания нагревателя, 3 – вольтметр, 4 – вольтметр, О – образец, ИП – источник питания образца, ДТ – датчик температуры, Н – нагреватель, К1, К2, К3 – переключатели, М – магнит.

 

Убедиться в отсутствии инжекции можно путем повторных измерений при более низких значениях напряжения на контактах. Кроме этого, омические контакты должны иметь очень малую площадь, чтобы не искажать линии тока в образце. Идеальными с точки зрения ненарушения распределения электрического поля в образце являются точечные или ножевые контакты на холловских гранях образца. Однако такие контакты нестабильны, отличаются ухудшенными шумовыми свойствами. Для увеличения точности измерений используются образцы гантелеобразной (см. рис. 3.2) формы. Их изготавливают с помощью ультразвука или химическим травлением. Контакты, сформированные на месте выступов в таких образцах, за счет большой площади имеют малое контактное сопротивление и более низкий уровень шума.

На точность холловских измерений влияют наряду с перечисленными выше следующие факторы:

– "неэквипотенциальность" холловских контактов;

– побочные гальвано- и термомагнитные эффекты.

"Неэквипотенциальность" холловских контактов проявляется в виде разности потенциалов между холловскими контактами 3 и 4 (см. рис. 3.2), возникающей при пропускании тока через образец в отсутствие магнитного поля. Ее появление обусловлено несимметричным расположением холловских контактов либо наличием в материале дефектов, приводящих к неоднородному распределению тока в образце и, как следствие этого, искривлением эквипотенциальной поверхности. Использование образцов гантелеобразной формы позволяет существенно снизить влияние "неэквипотенциальности" контактов.

Рис. 3.2. Образец для холловских измерений.

 

Контакты 1 и 2 являются токовыми, а 3, 4, 5 – потенциальными. При этом контакты 3 и 4 служат для измерения ЭДС Холла , а 3 и 5 для измерения напряжения , необходимого для определения удельной проводимости σ образца. Контакты 1 и 2 служат для пропускания тока через образец.

При измерениях эффекта Холла возникает ряд сопутствующих гальвано и термомагнитных явлений, которые могут служить источниками неконтролируемых погрешностей, искажающих результаты измерений. К их числу относится эффекты Эстингаузена, Нернста-Эстингаузена, Риги-Ледюка, поперечного магнитосопротивления и другие. В результате измеряемая разность потенциалов будет представлять собой сумму слагаемых, отражающих роль каждого из этих эффектов. Чтобы выделить холловское напряжение из суммарного напряжения на холловских зондах, измерения проводят при разных полярностях тока и магнитного поля. Расчеты показывают, что использование такого подхода не позволяет разделить лишь ЭДС эффектов Холла и Эстингаузена, что приводит к появлению систематической погрешности определения концентрации и подвижности носителей заряда при измерениях на постоянном токе и в постоянном магнитном поле, например, для германия, нам уровне 5 %.