Описание установки

Установка состоит из электромагнита (ЭМ), создающего постоянное магнитное поле и датчика Холла (ДХ). Схема включения датчика Холла и электромагнита показана на рис. 2. Ток датчика I_d создаётся источником тока ₂, контролируется амперметром А₂ и регулируется реостатом R₂. Напряжение Холла измеряется вольтметром.

Рис. 2

Ток электромагнита I_m создаётся источником тока ₁, контролируется амперметром А₁ и регулируется реостатом R₁. Датчик Холла размещается в зазоре электромагнита перпендикулярно вектору магнитной индукции.

Порядок выполнения измерений

1. Из таблицы задания, приведённом на рабочем столе, в соответствии с вариантом выбрать ток магнита I_m и соответствующую ему индукцию магнитного поля в зазоре электромагнита В.

2. Переместить датчик с помощью подвижного столика в центр зазора электромагнита (отметка 0 на шкале подвижного столика).

3. Включить источник питания и с помощью реостата R₂ установить заданное значение I_m по амперметру А₂.

4. С помощью реостата R₁ изменять величину I_d с шагом заданным преподавателем, контролируя его по амперметру А₁. Для каждого значения I_d измерить значение напряжения Холла U_h. Значения I_d и U_h занести в таблицу.

5. По знаку напряжения Холла, в соответствии со схемой на рис. 1 определить тип проводимости примесного полупроводника и записать его в таблицу.

Обработка результатов измерений

1. Построить график зависимости U_h от I_d.

2. По методу наименьших квадратов определить коэффициент пропорциональности k зависимости U_h от I_d как функции y = kx.

3. Из формулы (1) получим , гдеh = 0,3 мм. Тогда . В зависимости от типа проводимости по формуле (2) или (8) получим концентрацию примесных электроновn, либо концентрацию примесных дырок p. Сравнить концентрацию примесей с концентрацией атомов полупроводника. Концентрацию атомов оценить, проведя вывод из определения плотности, взяв в качестве полупроводника германий.

4. Определить подвижность носителя тока по формуле (3) для донорного типа проводимости, либо по формуле (10) для акцепторного типа проводимости.

Контрольные вопросы

1. Каков механизм собственной проводимости полупроводников?

2. Какова структура энергетических зон собственных полупроводников?

3. Каков механизм примесной проводимости полупроводников (донорной и акцепторной)?

4. Какова структура энергетических зон донорных и акцепторных полупроводников?

5. Каков механизм возникновения эффекта Холла в металлах?

6. Каков механизм возникновения эффекта Холла в полупроводнике?

7. Каковы особенности эффекта Холла для собственного, акцепторного и примесного полупроводника?

Лабораторная работа № 3.14 Определение параметров излучения газового лазера

Цель работы: ознакомиться с принципом работы лазеров, определить длину волны и расходимость излучения газового лазера.

Введение

Лазер или оптический квантовый генератор (ОКГ) – прибор, служащий для усиления света и генерации излучения с хорошей монохроматичностью, а также высокой пространственной и временной когерентностью.

При всём многообразии существующих лазеров, все они в своём составе в той или иной форме имеют следующие составные части.

1. Генератор накачки. Специальный прибор (как правило, источник излучения) служащий для перевода атомов или ионов активной среды в возбуждённое состояние.

2. Активная среда. Среда, в которой осуществляется инверсия населённости уровней. Инверсия населённости уровней – это такое состояние, при котором число атомов находящихся в состоянии с большей энергией превышает число атомов с меньшей энергией (в обычном веществе при термодинамическом равновесии, чем больше энергия уровня, тем меньше вероятность нахождения на этом уровне атома и, следовательно, меньше число атомов). Так же инверсия населённости уровней – это такое состояние, при котором число электронов в атоме находящихся в возбуждённом состоянии (т.е. состояние с энергией превышающей энергию электрона в основном состоянии) превышает число электронов находящихся в основном состоянии (состояние, соответствующее энергии электрона находящегося на верхней заполненной оболочке атома). Для осуществления инверсии населённости требуется каким-либо способом перевести электрон в метастабильное состояние. Метастабильное состояние – это такое возбуждённое состояние, в котором время нахождения электрона (приближённо 10^-3 с) много больше, чем в обычном возбуждённом состоянии (приближённо 10^-8 с). Наиболее известен способ получения инверсной населённости, называемый трёхуровневой системой. При этом метастабильное состояние создаётся за счёт того, что спонтанный переход из метастабильного состояния в основное (с энергией Е₁) запрещён правилами отбора. Перевод электрона в метастабильное состояние проводится в два этапа: вначале проводится перевод в некое разрешённое промежуточное состояние (с энергией Е₂), а затем из него в метастабильное (с энергией Е₃) за счёт так называемого безызлучательного перехода, когда происходит «сброс» энергии в окружающую среду (кристаллической решётке, газу и т.д.). Схема такой системы показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема трёхуровневой системы получения инверсии

заселённости уровней

Недостатком такой системы является необходимость перевода с основного уровня более половины частиц, что требует высокой интенсивности возбуждающего излучения. Более эффективной является четырёхуровневая система создания инверсной населённости, изображённая на рис. 2. В этой системе между основным и метастабильным уровнями находится дополнительный уровень (с энергией Е₄), с которого происходит быстрый переход на основной уровень. Если этот дополнительный уровень находится достаточно высоко над основным, то его населённость будет невысока и для получения инверсной населённости по отношению к нему потребуется меньшая населённость метастабильного уровня. Это, в свою очередь, приведёт к уменьшению мощности накачки.

Накачка

Е₁

Е₂

Е₃

Вынужденный

переход

Безызлучательный

переход

Е

Е₄

Спонтанный

переход

Рис. 2. Схема четырёхуровневой системы получения инверсии

заселённости уровней

3. Резонатор. Специальный прибор, обладающий следующими функциями:

• осуществляет многократный проход излучения через активную среду, что позволяет существенно увеличить интенсивность излучения. Выход излучения из резонатора происходит при достижении излучения некоторой критической интенсивности;

• создаёт луч излучения, обладающий малой расходимостью. Такой луч создаётся за счёт того, что только фотоны, направление движения которых образуют малые углы с осью резонатора многократно проходят через активную среду;

• создаётся излучение с хорошей монохроматичностью (узкий спектр излучения). Это происходит из-за того, что в резонаторе усиливаются только те лучи, которые соответствуют геометрическим размерам резонатора (укладывается на длине резонатора целое число половин длины волны излучения).

Действие лазера основывается на вынужденном излучении. Вынужденное излучение – это излучение, происходящее при переходе электрона из возбуждённого состояния в основное под действием внешней электромагнитной волны. Причём переход осуществляется только в том случае, если энергия этой волны равна разности энергий возбуждённого и основного состояний. Вторичное излучение совпадает по фазе, частоте и направлению с первичным излучением и, следовательно, является когерентным ему. Для того чтобы происходило усиление световой волны, требуется пропускать её через активную среду. Для перевода электронов активной среды в возбуждённое состояние используется генератор накачки. Для этого применяются различные устройства, одним из которых является генератор электромагнитных волн, излучающий в широком диапазоне длин волн. Чтобы существенно усилить первичное излучение используется резонатор позволяющий осуществить многократный проход электромагнитной волны через активную среду и, кроме этого создать монохромотичный слабо расходящийся пучок электромагнитной волны. В качестве резонатора используются два зеркала, одно из которых начинает пропускать электромагнитную волну при достижении этой волной критического значения интенсивности.