close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование влияния гальваномагнитных эффектов на свойства полупроводниковых материалов

код для вставкиСкачать

Департамент образования Вологодской области
Бюджетное образовательное учреждение
Среднего профессионального образования
"Череповецкий лесомеханический техникум им. В.П. Чкалова"
Направление: техническое
ТЕМА Исследование влияния гальваномагнитных эффектов на свойства полупроводниковых материалов
Автор:
Соколова Виктория
Студентка группы МЭ-42
Специальность: 140613(1806) "Техническая Эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования"
Научный руководитель:
Дилигенская Н.М. (преподаватель спец. дисциплины)
Г. Череповец
2012
Содержание
1.Введение. Историческая справка 3 2. Характеристика и виды гальваномагнитных эффектов 5
3. Описание проблем (Практическая часть) 5 3.1. Исследование влияния гальваномагнитного эффекта на свойства полупроводников 6
3.2.Гальваномагнитный эффект в электрооборудовании 8
4.Заключение. Предложенные методы реализации 9
5.Список использованной литературы 10
1 Введение. Историческая справка
В современной технике применяется множество полупроводниковых материалов. В связи с этим важно знать, какие явления и эффекты возникают в полупроводниковых материалах с изменением его вольтамперной характеристики и воздействии электрического и магнитного полей [2] . Актуальность работы на тему "Исследование влияния гальваномагнитных эффектов на свойства полупроводниковых материалов" заключается в том, что результаты теоретического исследования дают возможность найти один из методов определения характеристик материала, а также применения полупроводниковых изделий с использованием гальваномагнитных эффектов. Цель работы: заключается в теоретическом исследовании гальваномагнитных эффектов как методе определения характеристик материала и явлений, возникающих в полупроводниках при эксплуатации автоматизированного электрооборудования.
Задачи, поставленные перед выполнением работы:
1. Изучить источники, техническую литературу с необходимой и доступной информацией;
2. Проанализировать и систематизировать полученную информацию по теме "Исследование влияния гальваномагнитных эффектов на свойства полупроводниковых материалов";
3. Исследовать виды гальваномагнитных эффектов, возникающих в полупроводниках;
4. Определить значение гальваномагнитных эффектов в полупроводниках для практического использования; 5. Провести социальную оценку исследования и определить перспективы применения гальваномагнитных эффектов в автоматизированных системах;
Проблема исследования заключается в определении роли гальваномагнитных эффектов, возникающих в полупроводниках и значение этих эффектов для практического использования;
Объект исследования: полупроводниковые материалы, применяемые в электрооборудовании.
Предмет исследования: влияние гальваномагнитных эффектов на свойства полупроводниковых материалов.
Гипотеза исследования: Если применять полупроводниковые материалы с учётом их гальваномагнитных свойств, то это позволит эксплуатировать электрооборудование в оптимальных режимах.
Научно-практическая значимость исследования:
1. Проанализирована и систематизирована техническая информация по теме исследования;
2. Исследованы виды гальваномагнитных эффектов, возникающих в полупроводниках;
3. Проведена социальная оценка исследования;
4. Определено значение гальваномагнитных эффектов в полупроводниках для практического использования; 5. Проведена социальная оценка исследования.
Работа состоит из введения, двух глав, заключения, социальной оценки, списка литературы. Во введении показана актуальность исследования гальваномагнитных эффектов в полупроводниковых материалах, определены задачи и цели, объект и предмет исследования, обозначена проблема исследования. В первой главе описаны характеристики и виды гальваномагнитных эффектов, возникающих в полупроводниках. Во второй главе рассмотрена природа влияния различных эффектов на свойства полупроводников и подробно описан гальваномагнитный эффект, который применяется как метод исследования свойств материала и возможные направления использования его на практике. В заключении представлена социальная оценка исследования и определены перспективы применения гальваномагнитных эффектов. Список литературы составляют источники.
Историческая справка
Гальваномагнитные эффекты стали применяться после открытий учеными основных свойств полупроводниковых материалов.
Впервые гальваномагнитный эффект был обнаружен в 1856 г. Уильямом Томсоном. Им были сделаны выводы что, любое изменение величины тока через образец полупроводника при том же приложенном к нему напряжении, ведет к изменению магнитного поля. Все полупроводниковые вещества, в той или иной мере, обладают магнитосопротивлением. Почти одновременно был открыт гальваномагнитный эффект в 1887 году итальянским физиком - А. Риги и французским физиком С. Ледюком.
Кроме того, было открыто явление возникновения поперечной разности потенциалов (холловское напряжение) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Это открытие сделал Эдвин Холл в 1879 году на тонких пластинках золота. Этот эффект носит название эффекта Холла ,а возникающая в нем ЭДС - ЭДС Холла. 2.Характеристика и виды гальваномагнитных эффектов Гальваномагнитные эффекты возникают в проводниках в результате одновременного воздействия электрического и магнитного полей в полупроводниках, по которым течёт ток. Наиболее существенны гальваномагнитные эффекты в магнитном поле, которое направленно перпендикулярно току. К ним относятся эффекты Холла, Гаусса, Эттингсгаузена, Нернста. К этому типу относятся и термомагнитные эффекты Риги-Ледюка, Нернста-Эттингсгаузена, Маджи-Риги-Ледюка, продольный эффект Нернста-Эттингсгаузена. Из большого многообразия этих эффектов наибольшее использование получили эффекты Холла и Гаусса.
Эффект Холла (ЭХ) один из первых нашел применение в СВЧ диапазоне. Проникающая в пластинку электрическая составляющая электромагнитного поля вызывает в ней движение свободных носителей заряда со средней скоростью V, а магнитное поле отклоняет их к одной из граней пластинки. Простейший метод описания поведения носителей в твердом теле - метод, основанный на движении так называемого среднего электрона. Согласно этому методу электроны проводимости, которым приписывается эффективная масса, считаются полностью свободными в пространстве, ограниченном поверхностью образца [2]. К гальваномагнитным эффектам относятся: эффект Холла; магнетосопротивление; эффект Эттингсгаузена; эффект Нернста - Эттингсгаузена; гигантское магнитное сопротивление;эффект Риги - Ледюка.
3 Описание проблемы
Магнитное поле, перпендикулярное электрическому полю, отклоняет дрейфующие носители полупроводника в поперечном направлении и они накапливаются на боковом торце образца, так что создаваемое ими поперечное электрическое поле компенсирует отклоняющее действие магнитного поля, что соответствует эффекту Холла. Отношение этого наведённого поперечного поля к произведению плотности тока на магнитное поле (постоянная Холла) в простейшем случае носителей одного типа с изотропной эффективной массой и независящим от энергии временем свободного пробега непосредственно определяет концентрацию n носителей. Магнетосопротивление в этом случае отсутствует, т.к. ЭДС Холла компенсирует полностью Лоренца силу [4].
В полупроводниковых материалах гальваномагнитные явления значительно сложнее, чем в металлах, т.к. полупроводники содержат 2 типа носителей (или больше, например тяжёлые и лёгкие дырки и электроны), время их свободного пробега существенно зависят от энергии, а эффективные массы анизотропны. Магнитное поле отклоняет электроны и дырки в одну сторону (т.к. дрейфуют они в противоположные стороны). Поэтому их заряды и наведённое поле частично компенсируются в меру отношения их концентраций и подвижностей. Если время релаксации зависит от энергии, то дрейфовая скорость и вклад в полный ток носителей разных энергий неодинаковы. Действия магнитного и наведённого поперечного электрического полей компенсируются только в среднем, но не для каждого носителя, т.к. сила Лоренца пропорциональна скорости, а электрическая сила от неё не зависит, т. е. закручивающее действие магнитного поля как бы уменьшает длину свободного пробега более быстро дрейфующих частиц и тем самым уменьшает ток [2]. Из-за анизотропии эффективных масс носители движутся в направлении поля и вся картина отклонения их магнитным полем меняется. Изучение гальваномагнитных эффектов в полупроводнике даёт обширную информацию о концентрациях носителей, о структуре энергетических зон полупроводника и характере процессов рассеяния.
3.1 Исследование влияния гальваномагнитного эффекта на свойства полупроводников
Эффект Холла интересен не только как метод определения характеристик полупроводниковых материалов, но и как принцип действия целого ряда полупроводниковых приборов, нашедших техническое применение. Рассмотрим эффект Холла на примере. На рисунке 1 изображена пластинка полупроводника n-типа. Электрическое поле E направлено параллельно оси Z, а магнитное поле H- вдоль оси Y. На движущийся в магнитном поле электрон действует сила Лоренца, которая отклоняет его в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля. В результате электроны накапливаются у одного из торцов образца.
На противоположной грани создается положительный некомпенсированный заряд, обусловленный ионами донорной примеси. Такое накопление зарядов происходит до тех пор, пока действие возникшего в результате такого процесса электрического поля не уравновесит действующую на электрон силу Лоренца. Условие равновесия действующей на электрон силы в скалярной форме:
qvnB=qEx, (1)
где vn -средняя скорость направленного движения электрона; B- магнитная индукция в образце;
Ex-напряженность возникшего поперечного электрического поля.
Рис. 1. Пластинка полупроводника n-типа
Считая поперечное электрическое поле однородным, получим:
Ex=Ux, (2)
Где a - ширина пластинки; Ux- ЭДС Холла.
Известно также, что j = qE ; j=qnUn E=qnvn, (3)
Где j= |(ab)-плотность тока, протекающего в образце, под действием внешнего электрического поля E. Используя формулу (3), из выражения (1) получаем:
Ex=j B| (qn)=Rx (4) Величина Rx называется коэффициентом Холла:
Rx=l|(qn) (5)
ЭДС Холла в полупроводнике n-типа: Ux= - Rx (IB)|b (6)
Знак минус отражает тот факт, что носителями заряда в данном полупроводнике являются электроны. Для полупроводников p-типов получается аналогичное выражение, только концентрация n заменена на p и направление поперечного электрического поля противоположно, т. е. ЭДС Холла положительна. Это используется для определения типа электропроводности полупроводников [5].
Если выразить ток в амперах, напряженность магнитного поля в амперах, деленный на метр, холловское напряжение в вольтах, толщину образца в сантиметрах, то коэффициент Холла (см3/К): Rx=-(bUx)|(IH) (7)
Таким образом, измерив разность потенциалов Холла Ux при известном I, напряженности магнитного поля H и толщине образца b, можно рассчитать Rx. .Если известны коэффициенты Холла Rx и электропроводность, то легко можно вычислить концентрацию носителей заряда и значение подвижности [5]. Следовательно, основная причина гальваномагнитных эффектов - это искривление траектории носителей тока - электронов проводимости и дырок в магнитном поле.
3.2 Гальваномагнитный эффект в электрооборудовании
Принцип действия датчиков основан на эффекте Холла. Датчики Холла отличаются высокой надежностью, долговечностью и не требуют физического контакта с измеряемой средой. Датчики Холла широко используются там, где требуются высокая точность и надежность. Они находят применение в безколлекторных двигателях, измерителях различных величин, сварочном оборудовании, бытовых приборах, компьютерах и т.д, Гальваномагнитный эффект используется также в работе магниточувствительных бесконтактных выключателей. Магниточувствительные бесконтактные выключатели разделяются на две группы по чувствительному элементу: на основе механических контактов - герконов и немеханических на эффекте Холла, индуктивные, магниторезистивные и другие.
Рис.2. Выключатель с немеханическим чувствительным элементом
Принцип работы выключателя с немеханическим чувствительным элементом (рис 2):
1. Чувствительный элемент на эффекте Холла воспринимает изменение магнитного поля.
2. Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса.
3. Усилитель увеличивает выходной сигнал до необходимого значения.
4. Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивает контроль работоспособности, оперативность настройки.
Рассмотрим принцип работы магниточувствительного бесконтактного выключателя (на эффекте Холла) по рисунку 3. Он основан на изменении характеристик чувствительного элемента при воздействии внешнего магнитного поля. Рис. 3. Магниточувствительный бесконтактный выключатель (на эффекте Холла)
При этом возможны два случая:
1. При увеличении напряженности внешнего магнитного поля до некоторого значения, происходит срабатывание триггера и изменение коммутационного состояния выключателя. Дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля не влияет на состояние выключателя. При уменьшении напряженности магнитного поля происходит обратный процесс, и выключатель возвращается в исходное состояние.
2. При входе в чувствительную зону управляющего объекта из ферромагнитного материала, уменьшается напряженность внешнего магнитного поля до некоторого значения, происходит срабатывание триггера и изменение коммутационного состояния выключателя. Дальнейшее уменьшение напряженности магнитного поля не влияет на состояние выключателя.
Преимущества магниточувствительных бесконтактных выключателей на эффекте Холла: больший ресурс срабатывания из-за отсутствия механических контактов; большая частота коммутации. 4. Заключение. Предложенные методы реализации При работе над темой "Исследование влияния гальваномагнитных эффектов на свойства полупроводниковых материалов" было определено значение гальваномагнитных эффектов в полупроводниках для практического использования и сделан вывод, что гальваномагнитные эффекты в полупроводниках применяют не только как метод исследования свойств материала, позволяющий определить тип носителей заряда (электронный или дырочный) в металле или полупроводнике, но и имеют практическое применение для построения датчиков, в отличие от трансформатора тока, этот датчик измеряет также и постоянный ток, и магниточувствительных бесконтактных выключателей. На основе эффекта Холла работают не только датчики Холла: приборы, измеряющие напряжённость магнитного поля, кроме того, на основе эффекта Холла работают некоторые виды ионных реактивных двигателей. Это позволяет расширить возможности перспективы применения гальваномагнитных эффектов в электрооборудовании. Важно отметить, что полупроводниковые материалы, имеющие гальваномагнитные эффекты, позволяют стабилизировать работу автоматических приборов потому, что при эксплуатации электрооборудования приходится постоянно сталкиваться с взаимодействием разных по виду полей.
Гипотеза исследования: Если применять полупроводниковые материалы с учётом их гальваномагнитных свойств, то это позволит эксплуатировать электрооборудование в оптимальных режимах. Гипотеза подтверждена частично, так как оптимальность режима электрооборудования на полупроводниках сложно проконтролировать. Кроме того, была произведена работа по изучению технической литературы и других источников информации с последующим разбором материала. В ходе работы была проанализирована и систематизирована полученная информация по теме теоретического исследования и описаны виды гальваномагнитных эффектов, возникающих в полупроводниках. Цели работы достигнуты частично
5 Список использованной литературы
1. Н.В. Никулин Электроматериаловедение. - М.:Высшая школа,1989.-192с.: ил.
2. Электротехнические материалы/Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г.Герасимова, П.Г. Грудинского, Л.А. Жукова и др.-6-е изд. испр. и ,1980.-520с., ил
3.Электротехнический справочник: Электротехнические изделия и устройства/Под общ. ред. профессоров МЭИ (гл. ред. И.Н.Орлов) и дрю-7-е изд. испр. и доп.-М.:Энергоатомиздат,1986.-712с.: ил
4. Электротехнические и конструкционные материалы: Учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования/ В. Н. Бородулин, А.С. Воробьев В.М.Матюшин и др.; Под. ред. В.А. Филикова. - М.: Мастерство :Высшая школа,2000.-280 с.
5. Богородицкий Н.П. Электротехнические материалы. Издание шестое перероб.л., "Энергия", 1985 - 352с.
4
Автор
profobrazovanie
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
549
Размер файла
88 Кб
Теги
эффектов, полупроводниковые, влияние, свойства, материалы, исследование, гальваномагнитных
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа