Измерения эффекта Холла необходимы для определения высокой подвижности носителей заряда в материалах.

Эффект Холла можно наблюдать, когда комбинация магнитного поля через образец и тока по длине образца создает электрический ток, перпендикулярный как магнитному полю, так и току, который, в свою очередь, создает поперечное напряжение, перпендикулярное как магнитному полю, так и току. поле и ток. В основе лежит сила Лоренца: сила, действующая на точечный заряд, вызываемая электромагнитными полями.

Измерения эффекта Холла имеют неоценимое значение для характеристики полупроводниковых материалов, будь то сложные полупроводники на основе кремния, тонкопленочные материалы для солнечных элементов или наноразмерные материалы, такие как графен. Измерения охватывают низкоомные (высоколегированные полупроводниковые материалы, высокотемпературные сверхпроводники, разбавленные магнитные полупроводники и материалы ГМР/ТМР) и высокоомные полупроводниковые материалы, включая полуизолирующие GaAs, нитрид галлия и теллурид кадмия.

Система измерения эффекта Холла полезна для определения различных параметров материала, но основным из них является напряжение Холла (VH). Подвижность носителей, концентрация носителей (n), коэффициент Холла (RH), удельное сопротивление, магнитосопротивление (RB) и тип проводимости носителей (N или P) определяются на основе напряжения Холла.

Поскольку исследователи разрабатывают интегральные схемы нового поколения и более эффективные полупроводниковые материалы, они особенно интересуются материалами с высокой подвижностью носителей, что и вызвало большую часть интереса к графену. Эта форма углерода толщиной в один атом демонстрирует квантовый эффект Холла и, как следствие, протекание релятивистского электронного тока. Исследователи считают, что измерения эффекта Холла имеют решающее значение для будущего электронной промышленности.

Материалы с высокой подвижностью носителей позволяют создавать устройства, которые обеспечивают максимальный ток при более низких уровнях мощности, с более быстрым временем переключения и более широкой полосой пропускания. Манипулирование законом Ома (рис. 1) показывает важность подвижности носителей тока для максимизации тока. Ток прямо пропорционален подвижности носителей.

Варианты максимизации тока, проходящего через устройство, включают увеличение напряжения, концентрации носителей заряда, площади поперечного сечения образца или подвижности носителей заряда. Все, кроме последнего, имеют серьезные недостатки.

Первым шагом в определении подвижности носителей является измерение напряжения Холла (VH) путем создания магнитного поля, перпендикулярного образцу (B), и тока через образец (I). Эта комбинация создает поперечный ток. Результирующий потенциал (VH) измеряется на устройстве. Также необходимы точные измерения толщины образца (t) и его удельного сопротивления (ρ). Удельное сопротивление можно определить с помощью четырехточечного зонда или метода измерения Ван дер Пау. Имея только эти пять параметров (B, I, VH, t и удельное сопротивление), можно рассчитать холловскую подвижность:

Как напряжения Холла, так и измеренное сопротивление Ван дер Пау обычно довольно малы, поэтому правильные методы измерения и усреднения имеют решающее значение для получения точных результатов подвижности.

На рисунке 2 показаны конфигурации измерения как для напряжения Холла, так и для измерения удельного сопротивления Ван-дер-Пау. Обе конфигурации измерения используют четыре контакта и включают в себя подачу тока и измерение напряжения. Однако, помимо различных схем подключения, для измерения напряжения Холла требуется наличие магнитного поля.

Напряжения Холла и напряжения Ван-дер-Пау могут достигать милливольт, поэтому рекомендуемая методика испытаний включает в себя комбинацию изменения полярности тока источника, подачи питания на дополнительные клеммы и изменения направления магнитного поля. Выполнено восемь измерений эффекта Холла и восемь измерений Ван дер Пау. Если показания напряжения при каждом измерении существенно различаются, всегда повторно проверяйте испытательную установку на наличие источников ошибок.

Базовая конфигурация измерения эффекта Холла, скорее всего, будет включать следующие компоненты и дополнительные приспособления: