BỘ GIÁO ĐỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG ĐẠI HỌC SƯ PHAM THÀNH PHO HO CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ TRAN THỊ ANH CHAU Nganh: SU PHAM VAT LY Ma sé: 102 NGƯỜI HUONG DAN KHOA HOC: ThS. TRƯƠNG ĐÌNH TOA THÀNH PHO HO CHÍ MINH - 2011 \ ! ' Dé có được ket quả như hôm nay, em đã được sự quan tâm giúp đỡ của gia. ;đình, thây cô và bạn bè, em xin tỏ lòng biết ơn đến mọi người đã quan tâm giúp để lem. 1 Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến ThS.
Trương Dinh Tòa đã dành nhiều 1 thoi gian quý bau của minh dé hướng dẫn và đưa ra nhiều gợi ý cho em trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Thay đã tận tình giúp đỡ những lúc em bề tắc, mở ra hướng đi mới cho em trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Bên cạnh đó, em cũng xin gởi lời cảm ơn đến thay Nguyễn Hoang Long, để (dành nhiều thời gian hướng dẫn em tìm hiểu các dụng cụ thí nghiệm. những lúc gắn “khó khăn về dụng cụ thí nghiệm thầy đều tận tình giúp đỡ.
7 Em xin gởi lời cảm on đến ThS. Trương Tinh Ha - giáo viên trường trung thoc phổ thông Luong Văn Can, đã cung cấp cho em những tai liệu quý gid, giúp eny 1 jhoan thành tốt hơn luận van nay. ¡ ' Ngoài ra, em cũng xin cảm ơn thầy Nam Bình - giáo viên trường THPT; ‘Luong Thế Vinh (Đồng Nai) cũng đã góp ¥ va giúp đỡ em trong khi em thực hiện I. 1 duận van này.
! Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thay Cô của Khoa Vật Lý — trường ‘DH sư phạm Tp. Hồ Chi Minh về những bai giảng nghiêm túc va chất lượng! I pnhững kiến thức bỏ ích dé làm hành trang cho em vào nghề. Cuối cùng, em xin bảy tỏ lòng biết ơn và kính trọng sâu sắc nhất đối với sự động viên, hỗ trợ lớn lao của những người thân yêu trong gia đình, các bạn bè của ikhoa Vật Lý trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. 'Xin chân thành cảm ơn mọi người.
HCM, ngày 18 tháng 4 năm 2011 ! I MỤC LỤC Lời CAM Ơ1. G115 esse§§44534435341439/964343043213342523435 sarisDO MUG LUG sitiitciisiiiiniicmninnnmnnmnnnnmnnmnmnammnnmnnnnnnnas 1 D¿NHMDECTCBANE-.---=ằ—=—--ằ-ằ=ẽẽẽ---- 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VE VÀ ĐỎ 'THỊ.--------sccsccse 4 MỜ ĐẦ :‹ccceenonooiniiatottieciiotoii02002400302103151651013033853633536538538588586536533885888855855 6 CHUONG 1: TONG QUAN VE HIỆU UNG HALL.Giải thích hiệu ứng Hall trong chat bán dẫn.Hiệu ứng Hall trong bán dẫn.- ¿52 S2 222222221 22122211731 2121171171711 x2ecer § Nes CHIẦN(HHÌCHs:21ix54575121585151215851319588425185885251808385538ã8a53ã8484843348388ã453538843535383551331885512ã8 § I. 2-2222 22222221222522112221221122112211211172112111721121111 2110111711011 2111 ca 16 I3:1/ÐG:ciỡng độ:đồng điện.Xác định vị trí va chuyên ỒN 2ibiiniciniiáii000002600010642603101445835866460355869566555866536 18 CHƯƠNG 2: TÓM TAT VE LÝ THUYET SAI SỐ.Sai số của phép do các đại lượng vật I.Cách xác định sai số của phép đo các đại lượng đo trực tiếp.Cách xác định sai số đối với phép đo các đại lượng gián tiếp.Mục dich thí nghiệm. scasdisnesseisissnsuaiiie scdsdisnesasisissnseaiite TỶ 26 3:2:T76miiitilritmyEibiệu GnniHRHÏiossssnsesainosennioiiiitntoatinoiititiiidoniinanitiuise 26 3:3.Dụng cụ Hi[nghẲiÊm::;::::-:::::::::::::::z::::::2222312222232212222251201225530532553553585505538585553883255558 27 3:4ICác bước tiến hành tfiínghiệm.Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu điện thể Hall vào từ trường B khi cường độ dong điện không đổi (Ún = /P) 1, 0 Khảo sát sự phụ thuộc của hiệu điện thé Hall vào cưởng độ dong điện khi từ trường không đôi (Un = FM) sasuutanvenususesesussueaauesiessussiuisouanausiesesbisesnnaavaussessvacnananae 32 3:5/Bšo cán Kết quả ithill QUAM sss scsiiissscesisissnsnssciasssiasssesaataisnssaataeanasiatiassaaianiessandiasenass 33 3.Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của hiệu điện thé Hall vào từ trường B khi cường độ dòng điện không GOI .Kết quả khảo sát sự phụ thuộc của hiệu điện thé Hall vào cường độ dòng điện | khi từ trường B không đồi,.-- 2-2222 122221 9132321221173211731211111 722111212 xe 45 KET LUẬN.
ằäšäẽ ð {7 ẴSằSẴẴẽ nan nan nan 52 2.Một số han chế trong thí nghiGm .0-0cccccececseessecsecesessessesesececeseeevesssececcseenvenes 53 TÀI LIỆU THAM KEA Ossssscsesssssscssssessssssesscsssscavsscavesssscsonsssesssasessascsensene SỐ PHU LUCccscsscsssssssscssssscsesssssesessssssecensssnesecssssssecesssssesessssseseessssnseeesssneeeesensene 55 DANH MỤC CÁC BANG STT Ký hiệu của bảng Bang 3.1: Kết quả thí nghiệm khi I = -10 mA Kết quả thí nghiệm khi 1 = -20 mA Kết quả thí nghiệm khi 1 = -30 mA Kết quả thí nghiệm khi I = -40 mA Kết quả thí nghiệm khi l= 10 mA Kết quả thí nghiệm khi I= 20 mA Kết quả thí nghiệm khi B = 120 mT Bảng 3.10: Kết quả thí nghiệm khi B = 140 mT Bảng 3.11: Kết quả thí nghiệm khi B = 160 mT Bảng 3.12: Kết quả thí nghiệm khi B = 180 mT DANH MỤC CÁC HÌNH VE VA DO THỊ TT Ký hiệu của các hình vẽ và đồ thị Trang Hình 1.1: Một mẫu bán dẫn được đặt trong từ trường B hướng theo theo trục z va có dòng điện I chạy qua theo trục y. Chiêu rộng của mẫu là a, chiều dày là d Hình 1.2: Giải thích hiệu ứng Hall Hình 1.3: Sơ đỏ mạch điện của một đầu đo cường độ dòng mn điện sử dụng hiệu ứng Hall Hình 1.4: Dau đo dòng điện dùng hiệu ứng Hall, có sẵn _ in khuếch đại. Dường kính § mm Hình 3.1: Mau vật khảo sát tN wm Hình 3.2: Hall effect-Modul (Bộ phan đo hiệuimg hall) Hình 3.3: Bộ phan tao từ trường Hình 3.4: Nguôn cung cấp Hình 3.5: Microvolt kế Hình 3.6: Bộ phận do từ trường: Tesla kế và dau dò từ to trường Hình 3.7: So dé lap ráp thi nghiệm (sơ đỗ nguyên lí) Hình 3.§: Cách gắn mẫu vật vào thiết bị Hall effect - Modul _ wow Hinh 3.9: Mat sau cua Hall effect - Modul _+ Hình 3.10: Sơ dé lap ráp thi nghiệm (so đô thật) Đồ thị 3.1: U,, = ƒ(B) khi l=-10 mA 33 Đồ thị 3.2: U„ = ƒ(B) khi I= -20 mA 34 Đồ thị 3.3: U„ = ƒ(B) khi L= -30 mA 35 Đồ thị 3.4: U„ = ƒ(B) khi I= -40 mA 37 D6 thị 3.5: U,, = /(B) khi I= 10 mA 38 20 | Bé thi 3.6: U„ = ƒ(8) khi I= 20 mA Đồ thị 3.7: U„ = ƒ(B) khi I= 30 mA Đỗ thị 3.10: Ứ„ = f(/) khi B = 140 mT Đỗ thị 3.11: U, = £(7) khi B = 160 mT Đồ thi 3.12: U, = ƒ(1) khi B = 180 mT MỞ DAU Một giả thuyết muốn vững vàng cần có thực nghiệm kiểm chứng. Cũng có một số van đề được tìm ra từ thực nghiệm rồi từ đó người ta tìm cơ sở khoa học dé giải thích kết quả của thực nghiệm đó.
Vì vậy, thực nghiệm rất quan trọng trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Con đường khoa học thực nghiệm là một con đường gian nan, cần sự kiên nhẫn và quyết tâm nhưng nhờ đó ta cũng có thé rút ra nhiều bài học quý báu. Đối tượng nghiên cứu chính của luận văn này là hiệu ứng Hall của chất bán dan Germanium loại n (n-Ge). Mục đích của luận văn này nhằm khăng định sự phụ thuộc của hiệu điện thé Hall U „Vào cảm ứng từ B cũng như sự phụ thuộc của hiệu điện thé Hall U,, vào cường độ dong điện I vào trong chat bán dan.
Từ đó dựa vào lý thuyết ta tính hăng số Hall R„, và tính được mật độ hạt tải điện trong chất bán dẫn n-Gc. CHUONG 1: TONG QUAN VE HIỆU UNG HALL 1.Lịch sử khám pha Năm 1878, Edwin Herbert Hall, khi dang là sinh viên trẻ người Mỹ của trường Đại học Johns Hopkins, đọc quyên sách “Lướn về thuyết Điện từ” viết boi James Clerk Maxwell. Ong đã thắc mắc với giáo sư của mình là Henry Rowland vẻ một nhận xét của Maxwell rằng “Can đặc biệt lưu ý rằng lực (gây ra bởi điện trường) đặt lên dây dẫn sẽ không tác dụng trực tiếp lên dòng điện mà tác động lên dây dẫn mang dòng điện dé”. Rowland cũng nghỉ ngờ tính xác thực của kết luận đó và tiền hành một thí nghiệm kiểm chứng.
nhưng đã không thành công. Hall quyết định tiến hành nhiều thí nghiệm và cũng đã thất bại. Cuối cùng, ông làm lại thí nghiệm của Rowland, nhưng thay thé day dẫn kim loại trong thí nghiệm bằng một lá vàng mỏng. Hall đã nhận thay từ trường làm thay đổi sự phân bố điện tích trong lá vàng và làm lệch kim của điện kế nối với các mặt bên của nó.
Thí nghiệm đã không chỉ thỏa mãn thắc mắc của Hall về nhận xét của Maxwell, mà đã khăng định bản chất đòng điện trong kim loại. Công trình của Hall được xuất bản năm 1879 sau này được gọi là hiệu ứng Hall với nội dung như sau: khi cho dòng điện một chiêu, cường độ I, chạy qua một bản mỏng làm bằng vàng và được đặt trong từ trường B vuông góc với bè mặt của bản thì người ta nhận được một hiệu điện thé giữa hai mat bên của ban. Hiệu điện thế nhận được tỉ lệ với tích số của cường độ dòng điện I và độ lớn của cảm ứng từ ñ, tỉ lệ nghịch với chiều day d của ban. 1B Uy =Ry d Hang số tỉ lệ k được gọi là hằng số Hall.
Hang số k nay tùy thuộc loại vật dẫn. Ở đây chúng ta thấy rằng cường độ và ngay cả đấu của điện thế Hall phụ thuộc vao tinh chất của nguyên liệu lam nên đây dẫn - lá vàng mỏng trong thí nghiệm của Hall. Điều này đã làm cho hiệu ứng Hall trở thành một công cụ dự đoán quan trọng trong việc khảo sát các hạt dẫn mang. Ví dụ như việc đưa đến lý thuyết vẻ lỗ trong tích điện dương như là hat mang điện trong chat rắn.
Mặc dù Maxwell đã sai lầm, ông cũng đã khơi day một nghiên cứu thành công va có ý nghĩa vô cùng to lớn trong vật lý, Ngày nay, ta biết là điều kiện thí nghiệm thời ấy chí tạo được từ trường yếu va hiệu ứng chỉ quan sát được khi kim loại dẫn điện rất tốt như vàng. Hall đã đi đúng hướng khi sử dụng vàng trong thí nghiệm của minh, để khám phá ra một hiệu ứng cơ bản trong vật lý chat ran hiện đại. Hiệu ứng Hall không chỉ được ứng dụng trong nhiều ngành công nghệ từ cudi thé ky XX, ma còn là tiền dé cho các khám phá tương tự củng thời kỳ nảy như hiệu ứng Hall lượng tu, một hiệu ứng đã mang lại giải thưởng Nobel vật lý cho người khám phá ra nó.Giải thích hiệu ứng Hall trong chất bán dẫn 1.Hiệu ứng Hall trong bán dẫn Cho dòng điện mật độ 7 chạy qua một bản bán dẫn đặt trong một từ trường có Vector từ trường B vuông góc với mật độ dong điện 7 và vuông góc với bản bán dẫn. Khi đó giữa hai mặt của bản bán dẫn theo phương vuông góc với và 7 xuất hiện một hiệu điện thé, gọi la hiệu điện thé Hall trong chat ban dan.Giai thich Hiệu ứng Hall trong chat bán dan do sự chuyển động của hat tai điện trong điện trường và từ trường gây nên.
Ta biết rằng một điện tích khi chuyên động trong từ trường sẽ bị tac dụng bởi lực Lorentz: us el v A =q| vaB| Khi B vuông góc ¥ thi: F, =qvB (1.