Устройство для измерения скорости, подвижности, концентрации и знака носителей электрического тока в твердом теле

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

« >661656

{61) Дополнительное к ввт. саид-ву (22) Заявлено 130677(21) 2498132/18-.25 (51)м Л 2

Н 01 L 21/bb с присоединением заявки ¹

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и от крыт ий (23) Приоритет (>3) УА (821. 382. (088.8) Опубликовано 050579. Бюллетень № 17

Дата опубликования описанию 050579 (72) Авторы изобретения

Г.В.Николаев, Б.В.Окулов и И.Д.Лавров

Нау но-Исследовательский институт. высоких напряжений при Томском Ордена Октябрьской Революции и ордена

Трудового Красного Знамени политехническом, институте им. С.И.Кирова (71) Заявитель (54 ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГ1ЕРЕНИЯ СКОРОСТИ, ПОДВИЖНОСТИ, КОНЦЕНТРАЦИИ И ЗНАКА HOCHTEJIEH ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ТОКА В ТВЕРДОИ ТЕЛЕ

Изобретение относится к физике твердого тела и может быть исполь- - ° зовано в электротехнической или электронной промышленности для определения скорости, подвижности, кон.центрации и знака носителей электрического тока.

Известно устройство для определения скорости, подвижности.и концентрации носителей электрического тока в твердом теле по результатам двух независимых измерений, одним из которых является измерение постояннОй

Холла, а другим — измерение удельной электропроводности (lj . :.... 1.5

Постоянную холлай„вычисляют,исходя из измерений ЭДС Холла,а из измерений электрического сопротивления — удельную электропроводность G . Для твердого тела с электронной или дырочной проводимостью подвижность,О носителей электрического тока определяется равенством н 25

Скорость ЧПи концентрация и носителей . тока в твердом теле (в образце) определяется формулами

1 ц =уЕ и п= —,, 2 где Е и 1 - соответственно напряженность электрического поля и плотность тоКа в образце, Е - заряд электрона. Недостатками такого устройства являются невозможность прямого измерения скорости носителей тока в образце и необходимость дополнительного измерения удельной электропроводности.

Известно также устройство для измерения скорости, подвижности, концентрации и знака носителей электрического тока в твердом теле, состоящее из магнита, между полюсами которого расположена диэлектрическая пластина,, соединенная с механизмом перемещения, с укрепленным на ней образцом, который гибкими проводниками соединен с измерительной-схемой 12)a

B этом, устройстве исследуемый Об» разец перемещают по прямой относительно внешнего однородного магнитного поля со скоростью, до 1 см/сек, для чего полюсам магнита в направлении движения образца придана протяженная форма. При этом скорость носителей тока в образце определяют по :— средством прямого измерения скорости образца, при которой ЭДС Холла становится равной нулю. Подвижность,О

h<31 ь 56 и концентрацию >1 находят из равенств u tl 1 . х =А — и П=А еЧ„ где A — коэффициент пропорциональности;

E — напряженность электрического тока; — .плотность тока, е-заряд электрона.

Знак носителей тока будет положительным, если полная компенсация

ЭДС Холла наступает при движении образца в направлении, обратном току, и отрицательным- при движении образца в направлении тока.

Недостатками этого устройства для определения скорости, подвижнос ти, концентрации и знака носителей .электрического тока в твердом теле являются ограниченность определения скоростей носителей тока величинами порядка 1 см/сек, ограниченность длительности процесса иЗмерения времени прохождения образца в однородном магнитном поле межполюсного пространства, что затрудняет измерения, и протяженные габариты постоянного магнита, а, следовательнь, значительные размеры и вес устройства.*

Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых скоростей носителей тока и упрощение конструкции., Указанная цель достигается тем, что диэлектрическая пластина выполнена в виде диска, частично помещенного межцу полюсами магнита и соединенного с механизмом вращения, -а к образцу подведены концентрйЧеские проводники,соединенйвм"радиальными проводниками с -токопроводящим и токосьемным устройствами,Причем образец и радиальные проводнйки расположе-, ны на разных азимутах- относитедьно друг друга. Это исключает одновременное присутствие образца и йроводника. в магнитном поле.: " - : --" --.=="- " " " " но,что образец закреплен на враща» ющемся диске, проходящем между полюсами магнита, позволяет измерять значительно большие,! по сравнению с прототипом, скоро"тй носителей электрического тока в образЦах, Что расширяет диапазон исследуемых материалов, позволяет значительно;,уменьшить размеры и вес магнита, а, следовательно, уменьшить размеры и вес всего устройства и позволяет испольэовать для измерений импульсные усилители напряжения и проводить измерения более длительное время, что упрощает процесс измерения и повышает его точность.

Ка фиг.1 изображен общий вид устРойства для измерения скорости, подвижности, концентрации и знака носиталей электрического тока в твердом теле, на фиг,2 изображен диэлектрический диск с укрепленными на нем. образцом, токоподводящими и токосъемнычи проводниками.

Устройство состоит из диэлектрического диска 1, укрепленного на оси двигателя постоянного тока 2, и магнита З.Двигатель 2 и магнит 3 закреплены неподвижно друг относительно друга на станине 4 таким образом, чтобы !

О периферийная часть диска 1, на которой укреплен исследуемый образец 5, при вращении диска 1 проходила через зазор между полюсами магнита 3. Исследуемый образец 5 выполнен в виде

)5 датчика Холла и ориентирован так, чтобы направление электрического тока, питающего,датчйк, было перпендикулярно радиусу диска 1 и магнитному полю центральной. части межполюсЗ ного зазора магнита 3. Для подведения тока к образцу 5 и снятия с него напряжения ХолЛа служат концентрические проводники б, укрепленные на диске 1 соосно с ним. Концентрические проводнйки 6 соединенЫ на разных азимутах радиальными проводниками 7 с соответствующими контактными".коль- цами 8 токоподво3рщаго и токосъем- ного устройства, укрепленными на оси двигателя 2. Образец и радиальные проводники закреплены на разных азимутах так, чтобы они одновремен-:. но не йаходилМь в магнитйом поле, а сигналы, ййдуйируевеМ,на нях, били разнесены во.времейи. Влок 9, питанйй "устройства, индикатор 10

ЭДС Холла М с4етчик 11 оборотов диска 1, через блок 12 управления, прикреплейнйй к станине 4, соедйиены с соответствующими контактными коль40 цами 8 скользФФМи-"контактами 13.

Для возбуМФеийй Импульсов счета кон-. тактные кольца З,относящиеся к счетчику 11 оборотов, имеют дйэлектрические вставки.

45 Определенке скорости, подвижности, концентрации и» знака носителей элект. рического."тока в твердом теле на оййсанном выие устройстве осуществляют следующим образом. Включают блок

50 9 питания и через блок 12 управления в цейи исследуемого образца 5 устанавливают ток определенного направления. Если образец 5 находится вне магнитного поля магнита 3, то индикатор 10 ЭДС Холла не регистрирует, так как она равна нулю. Поворачивают диск 1 так, чтобы образец 5 вошел в пространство между полюсами магнита

3. Пои этом носители тока в образце будут двигаться в магнитном поле co скоростью „ и за счет силы

Лоренца на образце 5 возникает постоянная ЭДС Холла, значение которой показывает индикатор 10, На покоя- щимся в магнитном поле образце 5

65 прибором, вмонтированным в блок 9 пи6

I импульс ЭДС Холла обратной полярности.

По мере дальнейшего возрастания скорости вращения диска 1 величина импульсной ЭДС Холла будет возрастать, Таким образом, измеряя линейную скорость движения образца 5, когда

5 величина импульса ЭДС Холла на инди- каторе 10 равна нулю, определяют скорость движения нОсителей тока в образце 5. ЛинЕйную скорость ч образца 5 измеряют следующим образом. р Изменяют скорость вращения диска 1 до тех пор, пока импульс ЭДС Холла на индикаторе 10 не примет равное нулю значение. При этом со счетчика

II считывают количество оборотов диска I во времени. На диске 1 измеряют средний радиус г расположения центра исследуемого образца 5 и рассчитывают егo линейную скорость Ч =.2% и . Методика измерения линейной скорости движения образца для данного устройства не носит принципиального характера и может быть иной. для каждой конкретной конструкции устройства величина t постоянна и счетчик ll оборОтОВ диска 1 можнО проградуировать,в единицах лннейной скоростй, что обеспечивает, прямой отсчет скорости движения носителей бб1656 тания, измеряют падение напряжения

U, Затем включают двигатель 2 на небольшое напряжение так, чтобы диск

1 начал вращаться с небольшой скоростью. При этом исследуемый образец

5 на каждом обороте в течении некоторого интервала времени проходит через магнитное поле между полюсами магнита 3 и в течении этого интервала времени индикатор 10 будет показывать импульс ЭДС Холла. Направление вращения диска 1, а значит и направление движения образца 5 и направление тока через образец, задают через блок 12 управления. Пусть для определенности диск вращается по часовой стрелке, если смотреть на устройство сверху (фиг.2}, а электрический ток в образце 5 движется против .часовой стрелки. Тогда электроны проводимости, наряду с движением со скоростью Чдотносительно образца 5, вместе с ним движутся в том же направлении относительно магнитного поля со скоростью Y

Поэтому результирующая .скоростьэлектронов проводимости относительно магнитного поля равна сумме этих скоростей

ЧвЧп Ч

Следовательно, на индикаторе 10 импульс ЭДС Холла будет иметь боль-. шую величину, чем ЭДС Холла при покоящимся относительно магнитного .поля образце 5. Если увеличивать скорость вращения диска l, то скорость Ч образца 5 и величина импуль-.. са ЭДС Холла будут возрастать . Если же при сохранении,направления дви- жения электронов проводимости по часовой стрелке (при неизменном йаправ. лении тока через образец 5) диск 1 40 вращать против движения часовой стрелки, то линейная скорость образца 5 QTHocHTBJibHo магнитного поля будет нацравлена против скоРости электронов проводимости и.результирующая скорость электронов проводимости в образце 5 относительно магнитного ноля будет равна разности этих скоростей

Ч =Ч„-Ч. ходят из формулы пЖфСЧ

45 где v и и - соответственно ширина и толщина образцами

i - ток через образец.

Знак носителей тока в образце

5 отрицательнйй, если направление

50 вращения диска 1 совпадает с направлением тока, и положительный, если направление вращения диска 1 противоположно направлению тока.

Укрепление образца на вращаю55 щемся диске, частично помещенном мелщу полюсами магнита, позволяет измерять скорости носителей электрического тока в образцах .до нескольких сотен и тысяч см/сек, что на

2+3 порядка превышает скорости измеряемые прототипом, позволяет значительно уменьшить размеры и вес

- магнита, а следовательно, уменьшить размеры и вес всего устройства, позволяет. использовать для измерений импульсные усилители .напряжения и

Если увеличивать скорость вращения диска l,то значение v будет возрастать а значение Ч д — уменьшаться. Будет уменьшаться и величина ЭДС Холла.

Очевидно, что при определенной скорости вращения диска l линеййая скорость U образца5 . будет равна скорости U, а результирующая скорость Ч электронов проводимости относительно магнитного поля будет равна нулю и ЭДС Холла исчезнет. Если продолжать увеличивать скорость вращения диска 1, то скорость Ч станет больше Чп и скорость Ч„, изменит свой знак. На индикаторе 10 возникнет тока в образце 5 по.шкале прибора.

По кайденому Значению скоросФиЧп носителей тока в образце 5 и по известному значейию падения напряжения 0 на нем определяют подвижность носителей тока

Чп Е ф- — з

Е 0 где Š— напряженность электрического поля в образце; — длина образца s направлении тока .

Концентраци1о исателей тока набб1656

Формула изобретения

Составитель В.Зайцев

Редактор A.Àáðàìîâ Техред С.Мигай Корректо О.Ковинская

Заказ 2494/57 Тираж 922 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва Ж-35 Раушская наб.z д.4 5

Филиал ППП Патент, r.Óæãoðîä, ул.Проектная,4 проводить измерения более длительное время, что упрощает процесс измерения и повышает его точность. устройство для измерения скорости, подвижности, концентрации и знака носителей электрического тока в твердом теле, состоящее из магнита, .между полюсами которого расположена диэлектрическая пластина, соединенная с механизмом перемещения, с укрепленным на ней образцом, который . гибкими проводниками соединен с измерительной схемой; о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых скоростей ,носителей тока и упрощения конструкции, диэлектрическая пластина выполнена в виде диска, частично помещенного между полюсами магнита и соединенного с механизмом вращения, а к образцу подведены концентрические проводники, соединенные радиальными

5 проводниками с токоподводящим и токосъемным устройством, причем образец и радиальные проводники расположены на разных азимутах относительно друг друга.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1, Иоффе А.Ф. Полупроводники в современной физике, Ай СССР, М. „, 1954, с,l0,32.

2. Шелых A .И. определение знака концентрации и подвижности носителей тока в полупроводниках, ФТТ, 1962, т.4 вып.2, с.3208.