일반물리학실험 | 홀 효과(Hall Effect)

 

 

 

TIP

 

 

1. 금속이나 반도체에 전류를 흐르게 하는 전하운반자가 무엇인지 또한 그것의 전하밀도가 얼마인지를 판별하는 실험이다. n형 혹은 p형 Si 반도체의 비저항, 전하운반자의 농도 및 이동도 등을 알아볼 수 있다.
2. 자기장 속에서 운동하는 전하가 받는 자기력에  의해 나타나는 Hall 효과 현상을 확인하고 전압을 측정한다. Hall 효과를 이용하여 p-Ge 반도체 시료의 전하 운반체, 이동도, 에너지 띠 간격 등을 알아본다.

 

 

 

홀 효과(Hall Effect)

Hall 이란 사람이 전류가 흐르는 도선이 자석에 의해 힘을 받는 것을 알고서 도선 전체가 힘을 받는 것인지 아니면 도선 내의 전자(전류)만이 힘을 받는 것인지 알고 싶어 했다. 그는 후자가 맞을 것이란 생각에 ‘만약 고정된 도선 내의 전류 자신이 자석에 끌린다면, 전류는 도선의 한쪽으로 흘러나와야 하겠기에 도선의 전기저항이 증가할 것’이란 가정에 따라 실험을 행하였다. ‘만약 자석이 전류를 당기더라도 도선 바깥으로 끄집어낼 수 없는 정도라면 도선 내에 한 쪽 벽으로 전기적인 응력이 생겨날 것이고 이 응력은 전압(전위차)으로 나타날 것’ 이라고 가정하여 전위차를 측정해보게 되었다.

 

 

Hall 은 이 측정에 성공하게 되었고, 그의 이름을 따 홀 전압(Hall voltage)이라 하였고, 이 효과를 홀 효과(Hall effect)라 명명하게 되었다. 이런 홀 효과의 발견으로 전자의 이동이 어떤 부호의 전자인지 그리고 얼마나 빨리 이동할 수 있는지를 알아낼 수 있게 되었고, 또한 자기장(Magnetic field)의 크기와 방향을 알아내는 데도 유용하게 쓰이게 되었다.

 

이것은 다시 말해, 홀 전압을 측정하면, 반도체가 P형인지 N형인지 구별할 수 있다. 왜냐하면 홀 전압 측정기가 있다고 가정하면, 반도체에 대고 자기장을 걸어준다. 그러면 걸어준 자기장에 대해 측정기가 홀 전압을 측정해 주고, 반도체 크기를 알고, 또 전류가 어느 정도 발생하는지도 잡아줄 것이다. 즉 R_H 또는 R_N 값을 얻을 수 있을 것이다. 그리고 이미 두 가지 정수 값은 반도체 마다, 고유의 값으로 실험적으로 정리가 되어 있을 것이고, 결국 반도체에 기계를 가져다 대면 바로 이게 N형인지 P형인지 알 수 있게 되는 것이다.

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실험 방법

1. 측정 요약

시료, 전원 공급 장치, 전압계 및 전류계, 전자석, Gauss meter(자기장 측정 장치)를 이용하여 홀 효과 실험을 해 보았다. 시료는 은을 사용하여 조금의 전압차이에도 많은 전류가 흐르게 된다. 홀 효과를 측정하기 위해 전류를 흐르게 하고 전류가 흐르는 금속에 수직한 자기장을 생성하였다. 자기장의 값은 가우스 미터를 이용하여 측정할 수 있었다. 자기장으로 인하여 도선에 흐르는 전자들이 외부로 나오면서 생기는 전압차이를 측정해 보았다.

 

 

2. 실험 절차

1) 그림과 같이 회로를 구성해본다. ( Gaussmeter의 probe constant를 확인한다. 값 1376 )

 

2) 먼저 Digital Gaussmeter를 이용하여, 자기장의 세기를 1kG (=1000G)로 맞춘다. 이때 Constant Current Power Supply를 켜서 전류의 세기를 조금씩 늘려가며 맞춘다. (단, 전류를 공급하지 않았음에도 불구하고 자기장이 측정되면 Gauss를 0점에 맞추고 시작한다.)

 

3) Gauss Probe를 빼고 시료를 정 가운데로 가져다 놓는다. ( 시료가 양 끝에 자기장 발생장치에 닿아서는 안된다.)

 

4) Hall Effect Set-Up을 켜고 mA쪽으로 레버를 돌리고 2mA를 맞추어준다. ( 시료 내에 2mA를 흘려주는 것이다.)

 

5) 2mA가 맞추어지면 가운데 레버를 mV쪽으로 돌리고 이때 측정되는 전압을 측정한다. ( 홀전압의 측정과정이다.)

 

6) 다시 레버를 mA로 맞추고, 시료에 흐르는 전류를 2mA간격으로 올려서 위와 같은 과정으로 전압을 측정한다.

 

7) 2mA～8mA까지의 측정이 끝나면 시료를 빼고, 다시 Digital Gaussmeter를 이용하여 2kG (=2000G)로 맞추어준다.(역시 위와 동일하게 Constant Current Power Supply의 레버를 돌려 전류의 세기를 점점 늘려 가면된다.)

 

8) 이런 형식으로 1KG단위로 올려가며 5KG까지 측정을 마치고나면 시료는 다른 type으로 바꾸어 같은 과정을 반복하여 기록한다.

 

 

 

[일반물리학실험] 홀 효과(Hall Effect) 레포트