홀 효과 측정은 재료의 높은 캐리어 이동성을 특성화하는 데 필수적입니다.

홀 효과는 샘플을 통한 자기장과 샘플 길이에 따른 전류의 결합이 자기장과 전류 모두에 수직인 전류를 생성하고, 결과적으로 두 샘플 길이에 수직인 횡방향 전압을 생성할 때 관찰할 수 있습니다. 분야와 현재. 기본 원리는 로렌츠 힘, 즉 전자기장으로 인해 점전하에 가해지는 힘입니다.

홀 효과 측정은 실리콘 기반, 화합물 반도체, 태양 전지용 박막 재료, 그래핀과 같은 나노 크기 재료 등 반도체 재료를 특성화하는 데 매우 중요합니다. 측정 범위는 저저항(고농도로 도핑된 반도체 재료, 고온 초전도체, 희석 자기 반도체, GMR/TMR 재료)과 반절연 GaAs, 질화갈륨, 텔루르카드뮴을 포함한 고저항 반도체 재료에 걸쳐 있습니다.

홀 효과 측정 시스템은 다양한 재료 매개변수를 결정하는 데 유용하지만 가장 중요한 것은 홀 전압(VH)입니다. 캐리어 이동도, 캐리어 농도(n), 홀 계수(RH), 저항률, 자기 저항(RB) 및 캐리어 전도성 유형(N 또는 P)은 모두 홀 전압에서 파생됩니다.

연구자들은 차세대 IC와 보다 효율적인 반도체 재료를 개발함에 따라 특히 캐리어 이동도가 높은 재료에 관심을 갖게 되었으며, 이는 그래핀에 대한 많은 관심을 불러일으켰습니다. 이 1원자 두께의 탄소 형태는 양자 홀 효과를 나타내며 결과적으로 상대론적 전자 전류 흐름을 나타냅니다. 연구원들은 홀 효과 측정이 전자 산업의 미래에 매우 중요하다고 생각합니다.

캐리어 이동도가 높은 재료를 사용하면 더 빠른 스위칭 시간과 더 높은 대역폭을 통해 더 낮은 전력 수준에서 최대 전류 흐름을 얻는 장치를 만들 수 있습니다. 옴의 법칙(그림 1)을 조작하면 전류 최대화에서 캐리어 이동성의 중요성을 알 수 있습니다. 전류는 캐리어 이동도에 정비례합니다.

장치를 통해 전류 흐름을 최대화하기 위한 옵션에는 전압 증가, 전하 캐리어 농도, 샘플의 단면적 또는 전하 캐리어의 이동성이 포함됩니다. 이들 중 마지막을 제외하고 모두 심각한 단점이 있습니다.

캐리어 이동도를 결정하는 첫 번째 단계는 샘플(B)에 수직인 자기장과 샘플(I)을 통과하는 전류를 모두 강제하여 홀 전압(VH)을 측정하는 것입니다. 이 조합은 횡류를 생성합니다. 결과 전위(VH)는 장치 전체에서 측정됩니다. 샘플 두께(t)와 저항률(ρ)을 모두 정확하게 측정해야 합니다. 저항률은 4점 프로브 또는 반데르포우(van der Pauw) 측정 기술을 사용하여 측정할 수 있습니다. 이 5가지 매개변수(B, I, VH, t 및 저항률)만으로 홀 이동도를 계산할 수 있습니다.

홀 전압과 측정된 반데르포우 저항률은 모두 일반적으로 매우 작으므로 정확한 이동성 결과를 얻으려면 올바른 측정 및 평균화 기술이 중요합니다.

그림 2는 홀 전압과 반데르포 저항 측정에 대한 측정 구성을 보여줍니다. 두 가지 측정 구성은 모두 4개의 접점을 사용하며 전류 강제 적용 및 전압 측정을 포함합니다. 그러나 홀 전압 측정에는 다양한 연결 방식 외에도 자기장이 필요합니다.

홀 전압과 반데르포우 전압은 밀리볼트만큼 낮을 수 있으므로 권장되는 테스트 기술에는 소스 전류 극성 반전, 추가 단자에 소싱, 자기장의 방향 반전을 결합하는 것이 포함됩니다. 8개의 홀 효과 및 8개의 반데르포우 측정이 수행됩니다. 각 측정 내 전압 판독값이 크게 다른 경우 항상 테스트 설정에서 오류 원인을 다시 확인하십시오.

기본 홀 효과 측정 구성에는 다음 구성 요소와 추가 옵션이 포함될 수 있습니다.