Принцип эффекта Холла применяется в следующих случаях-

• Эффект Холла можно использовать для измерения концентрации носителей заряда и напряженности магнитного поля.
• Используется для определения типа материала, т. е. полупроводника (р-типа или n-типа) или металла.
• Используется для расчета подвижности или носителей заряда, проводимости материала.
• Эффект Холла используется для измерения постоянного тока, тестер на эффекте Холла
• В оборудовании для измерения магнитного поля
• Используется для измерения фазового угла
• В датчике приближения
• Датчики на эффекте Холла и датчики Холла
• Датчики линейного или углового смещения
• Для определения скорости вращения колес и, соответственно, помощи АБС – антиблокировочной системе тормозов.

Поиск по теме:-

• Что такое датчик Холла?
• Сенсор и преобразователь
• Активный преобразователь
• Пассивный преобразователь

Измерения на эффекте Холла при характеристике материалов

Измерения эффекта Холла были ценными инструментами для характеристики материалов с тех пор, как Эдвин Холл открыл это явление в 1879 году. По сути, эффект Холла можно наблюдать, когда сочетание магнитного поля через образец и тока по длине образца создает электрическое напряжение. ток перпендикулярен как магнитному полю, так и току, что, в свою очередь, создает поперечное напряжение, перпендикулярное как магнитному полю, так и току (см. рис. 1 ). Основополагающим принципом является сила Лоренца, то есть сила, действующая на точечный заряд из-за электромагнитных полей. «Правило правой руки», которое мы все выучили на вводных уроках физики, позволяет нам определить направление силы, действующей на носитель заряда, исходя из направления его движения и направления приложенного магнитного поля.

В этом техническом документе рассматривается, как измерения на эффекте Холла используются для определения характеристик материалов, тенденции в полупроводниковой промышленности, которые вызывают необходимость проведения этих измерений, а также факторы, которые следует учитывать при выборе измерительного оборудования.

Кому нужно измерять эффект Холла?

Измерения на эффекте Холла используются на многих этапах электронной промышленности, от исследования основных материалов и разработки устройств до производства устройств. В число пользователей входят производители интегральных схем, особенно их группы по разработке технологий и процессов. Производители кристаллов также используют этот метод измерения, как и исследователи в университетских и отраслевых лабораториях. Например, исследователи в области нанотехнологий, изучающие графен, кристаллическую форму углерода толщиной в один атом, недавно определили, что этот материал демонстрирует квантовый эффект Холла; следовательно, электроны текли через кристалл с релятивистскими эффектами.

Система измерения эффекта Холла фактически может использоваться для определения довольно многих параметров материала, но основным из них является напряжение Холла (V _H ). Другие важные параметры, такие как подвижность носителей, концентрация носителей (n), коэффициент Холла (R _H ), удельное сопротивление, магнитосопротивление (R ) и тип проводимости (N или P), выводятся из измерения напряжения Холла. добавление некоторых других инструментов, кривые ВАХ могут быть созданы с аналогичной тестовой установкой.

Измерения на эффекте Холла полезны для характеристики практически каждого материала, используемого в производстве полупроводников, например кремния (Si) и германия (Ge), а также большинства составных полупроводниковых материалов, включая кремний-германий (SiGe), карбид кремния (SiC ), арсенид галлия (GaAs), арсенид алюминия-галлия (AlGaAs), арсенид индия (InAs), арсенид индия-галлия (InGaAs), фосфид индия (InP), теллурид кадмия (CdTe) и теллурид ртути-кадмия (HgCdTe). Они часто используются для характеристики тонких пленок этих материалов для солнечных элементов/фотоэлектрических элементов, а также органических полупроводников и наноматериалов, таких как графен. Они одинаково полезны для определения характеристик как материалов с низким сопротивлением (металлов, прозрачных оксидов, высоколегированных полупроводниковых материалов, высокотемпературных сверхпроводников, разбавленных магнитных полупроводников и материалов GMR/TMR, используемых в дисковых накопителях), так и полупроводниковых материалов с высоким сопротивлением, включая полуизолирующий GaAs. , нитрид галлия (GaN) и теллурид кадмия (CdTe).

Растущий интерес к использованию измерений на эффекте Холла

Измерения на эффекте Холла впервые стали регулярно использоваться в полупроводниковой промышленности более двух десятилетий назад, когда ученым и исследователям понадобились инструменты для определения характеристик объемных кремниевых материалов. Однако, как только объемная подвижность кремния была хорошо изучена, измерения эффекта Холла больше не считались критическими. Но современные полупроводниковые материалы — это не только кремний — производители часто добавляют германий в кремний в деформационной решетке, чтобы получить более высокую подвижность. Более того, современные полупроводниковые материалы больше не являются объемными материалами — они часто имеют форму тонких пленок, таких как те, которые используются в диселениде меди, индия, галлия (CIGS) и солнечных элементах CdTe. В результате производителям ИС теперь приходится возвращаться к независимому определению концентрации носителей и их подвижности, для которых идеально подходят измерения эффекта Холла. Измерения эффекта Холла также можно использовать для характеристики новых запоминающих устройств, в которых используется квантованный эффект Холла, профилирование магнитосопротивления и т. д.

Еще один фактор, стимулирующий растущий интерес к эффекту Холла, связан с тем, какой ток может выдержать устройство. Если разработчики устройств могут максимизировать ток, создаваемые ими устройства могут работать с более низкими уровнями мощности, быстрее переключаться и иметь более высокую пропускную способность. На величину этого тока влияют несколько факторов. Ток прямо пропорционален концентрации носителей, подвижности носителей, приложенному напряжению и площади поперечного сечения; она обратно пропорциональна длине образца.

Теоретически существует несколько альтернативных подходов к увеличению уровня тока, протекающего через устройство, но все они, кроме одного, имеют существенные недостатки:

• Повышение напряжения (В) : Повышение напряжения через устройство связано с потреблением дополнительной мощности и генерирующие тепло. Сегодня, однако, тенденция в значительной степени направлена ​​на мобильные устройства, такие как смартфоны, нетбуки, планшетные компьютеры и электронные книги, в которых очень желательно длительное время автономной работы, что делает повышение напряжения контрпродуктивным
• Увеличение количества электронов (n) : Существует предел того, насколько сильно полупроводник может быть легирован до того, как он насыщается или достигает предела растворимости в твердом состоянии, поэтому материаловеды могут только увеличивать количество электронов.
• Увеличение площади поперечного сечения образца (A) : Опять же, увеличение площади устройства противоречит потребительскому спросу на легкие, компактные портативные устройства.
• Повышение подвижности электронов или носителей заряда : Это оптимальный подход к максимизации тока, протекающего через устройство. Для материаловедов и физиков твердого тела измерения эффекта Холла являются ключом к характеристике комбинаций материалов с высокой подвижностью носителей.

Измерение подвижности с помощью метода эффекта Холла

Первым шагом в определении подвижности носителей заряда является измерение напряжения Холла (V _H ) путем создания как магнитного поля, перпендикулярного образцу, так и тока через образец. Сочетание электрического тока (I) и магнитного поля (B) вызывает поперечный ток. Результирующий потенциал (V _H ) измеряется по всему устройству. Также необходимы точные измерения как толщины образца (t), так и его удельного сопротивления (ρ). Удельное сопротивление можно определить либо с помощью четырехточечного датчика, либо с помощью метода измерения Ван-дер-Пау. Только с этими пятью параметрами (B, I, V _H , t и удельное сопротивление) холловскую подвижность можно рассчитать по следующей формуле:

Поскольку напряжения Холла обычно довольно малы (милливольты или меньше), как и измеренное сопротивление Ван-дер-Пау, правильные методы измерения и усреднения имеют решающее значение для получения точных результатов подвижности при использовании этой формулы.

На рис. 3 показаны конфигурации измерения напряжения на эффекте Холла и измерения удельного сопротивления Ван-дер-Пау. Хотя эти конфигурации измерений очень похожи, поскольку в обеих используются четыре контакта, и оба измерения включают подачу тока и измерение напряжения, при измерении эффекта Холла ток подается на противоположные узлы образца, а затем измеряется напряжение на другие противоположные узлы, поэтому точки контакта силы и измерения чередуются, а напряжение для полупроводников обычно составляет около KT / q, что составляет около 25 милливольт. Он также может быть намного ниже. Напротив, для измерений удельного сопротивления Ван-дер-Пау ток подается на соседние узлы, а затем напряжение измеряется на противоположных соседних узлах, так что все, что принудительно и измеряется, находится на ближайших выводах; в этом случае напряжения могут быть значительно выше 20 милливольт. Напряжения могут варьироваться от милливольт для материалов с низким удельным сопротивлением до 100 вольт для изоляционных материалов с очень высоким удельным сопротивлением. Другим важным отличием является то, что при измерении Ван-дер-Пау не применяется магнитное поле, тогда как при измерении эффекта Холла применяется поперечное магнитное поле.

Для получения результатов с высокой степенью достоверности рекомендуемый метод включает комбинацию изменения полярности источника тока, подключения дополнительных клемм и изменения направления магнитного поля. Выполняются восемь измерений эффекта Холла (, рис. 4, ) и восемь измерений Ван-дер-Пау (, рис. 5, ). Если показания напряжения в каждом измерении существенно различаются, рекомендуется перепроверить тестовую установку, чтобы найти потенциальные источники ошибок.

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

• Источник постоянного тока, величина которого зависит от сопротивления образца. к амперам тока. Для таких образцов, как полуизолирующий GaAs, который может иметь удельное сопротивление около 107 Ом·см, потребуется диапазон источника всего 1 нА. Для образцов с высоким удельным сопротивлением (таких как собственные полупроводники) источник постоянного тока, возможно, должен иметь возможность работать с током всего 1 нА, но источника, способного производить ток от 10 микроампер до 100 миллиампер, будет достаточно.
• Вольтметр с высоким входным сопротивлением. В зависимости от уровня удельного сопротивления испытуемого материала используемый вольтметр должен обеспечивать точные измерения в пределах от 1 микровольта до 100 В. Материалы с высоким удельным сопротивлением могут потребовать сверхвысоких входных значений Z или дифференциальных измерений.
• Постоянный магнит или электромагнит. Обычно они доступны в диапазоне от 500 до 5000 Гс. Для работы электромагнита также потребуется источник питания.
• Держатель образца.
• Дополнительное оборудование. Матрица переключателей обычно включена, чтобы исключить необходимость ручного соединения/отключения контактов датчика; это также может позволить тестировать несколько образцов одновременно. Переключающая матрица определенно необходима, если образец хранится в сосуде Дьюара с жидким азотом для температурных исследований.

Подвижность Холла сильно зависит от температуры образца, поэтому часто желательно контролировать эту температуру, особенно если приложение включает повторение измерений каждый раз, когда регулируется температура образца. Многие испытательные конфигурации включают датчик для измерения температуры; для работы с высокой точностью разрешение зонда должно быть около 0,1° Цельсия. Патрон датчика, который может либо нагревать, либо охлаждать образец, и регулятор температуры, как правило, необходимы для измерений на пластине при проведении температурных исследований. Криостат необходим для удержания образца в ванне с жидким азотом для низкотемпературных исследований.

Для проведения измерений многочисленных устройств на пластине вероятно потребуется зонд с манипулятором и наконечниками зонда.

Хотя кто-то, например, работает в лаборатории производителя кристаллов, скорее всего, захочет проводить измерения только на эффекте Холла, кому-то, создающему многоцелевую лабораторию характеризации, вероятно, потребуются и другие типы измерений, такие как коллинеарное удельное сопротивление. , полные развертки ВАХ, измерения C-V, исследования переходных характеристик и другие измерения. Поэтому при выборе оборудования для измерения эффекта Холла целесообразно учитывать дополнительные измерения, которые могут потребоваться для решения конкретной задачи определения характеристик материала.

Согласование конфигурации с применением эффекта Холла

Наиболее подходящая конфигурация измерения эффекта Холла для конкретного применения будет в значительной степени основываться на полном сопротивлении образца, измеренном электрическим испытательным оборудованием. Это полное сопротивление представляет собой сумму сопротивления образца и контактного сопротивления, то есть сопротивления между образцом и электрическими контактами к нему.

Сопротивление образца зависит от собственного удельного сопротивления образца, которое выражается в единицах ом-сантиметров (Ом·см), и его толщины. Для квадратного образца сопротивление образца будет рассчитываться как удельное сопротивление образца, деленное на его толщину.

Для образца кремния контактное сопротивление обычно примерно в 300 раз превышает сопротивление образца. Напротив, GaAs, один из широкозонных материалов, имеет контактное сопротивление, примерно в 1000 раз превышающее сопротивление образца. Следовательно, в результате этого высокого контактного сопротивления образец GaAs с низким сопротивлением может иметь гораздо более высокое общее сопротивление, чем образец кремния со средним сопротивлением. Кроме того, общее сопротивление вашей конфигурации может быть намного выше, чем просто сопротивление образца. Общая конфигурация вашего образца конфигурации определит, какой должна быть оптимальная конфигурация прибора.

Перед выбором оборудования для испытаний на эффект Холла рекомендуется ознакомиться с ASTM F76-08: Стандартные методы испытаний для измерения удельного сопротивления и коэффициента Холла и определения подвижности Холла в монокристаллических полупроводниках

Электрические испытательные установки для измерения эффекта Холла обычно предназначены для одного из четырех диапазонов сопротивлений:

• Среднее сопротивление: диапазон испытательного оборудования обычно подходит для определения характеристик таких материалов, как номинально легированный кремний или германий (приблизительно 10 ¹⁵ см ^-3 ), фотоэлектрические материалы на основе кремния, псевдоморфные транзисторы с высокой подвижностью электронов (pHEMT) и оксид индия-олова (ITO).
• Низкое сопротивление: Образцы с низким сопротивлением часто представляют собой металлы, высоколегированные кремний или германий (более 10 ¹⁷ см ^-3 ) или комбинацию кремния и германия, сверхпроводящие материалы или материалы, предназначенные для создания гигантского магнитосопротивления и Головки с туннельным магнитосопротивлением (GMR/TMR). В эту категорию могут попасть новые наноматериалы, такие как графен.
• Сопротивление от низкого до высокого (широкий диапазон): этот широкий диапазон сопротивления типичен для тонкопленочных фотогальванических материалов, таких как CIGS, CdTe и HgCdTe.
• Сопротивление от среднего до сверхвысокого: этот уровень сопротивления характерен для полуизолирующего кремния и многих широкозонных или составных полупроводников.

Пример конфигурации: диапазон сопротивления от низкого до высокого

Каждый из этих диапазонов сопротивления имеет разные требования к измерениям, а тип и количество компонентов систем, необходимых для их тестирования, могут значительно различаться. Чтобы проиллюстрировать процесс настройки, вот пример конфигурации, подходящей для самого широкого диапазона сопротивлений образцов, от 1 микроом до 1 терраом. Конфигурация этого типа была бы наиболее подходящей для тех, кто характеризует тонкопленочные фотогальванические материалы, тех, кто изучает влияние концентрации легирования на собственный полупроводник или тех, кто изучает влияние легирующих полимеров с увеличением количества углеродных нанотрубок. Эта конфигурация системы (см. Рисунок 6 ) использует специальную плату матричного переключения Keithley, оптимизированную для измерения эффекта Холла, модель 7065, размещенную в базовом блоке коммутатора модели 7001. Эта карта буферизует тестовые сигналы от образца к измерительному оборудованию и переключает ток от источника тока на образец. Плата модели 7065 предлагает преимущество буферов единичного усиления, которые можно включать и выключать, чтобы обеспечить измерение высоких сопротивлений путем буферизации сопротивления образца из измерителя.

Тестовая установка также включает пикоамперметр модели 6485, источник постоянного тока модели 6220 и нановольтметр модели 2182A. Пикоамперметр модели 6485 предназначен для измерения токов утечки, поэтому их можно либо вычесть, либо контролировать, чтобы убедиться, что они не влияют на измерение высокого сопротивления. Модель 6220 и модель 2182A предназначены для бесперебойной совместной работы, используя метод дельта-режима для синхронизации их работы и оптимизации их производительности. По сути, дельта-режим автоматически запускает источник тока для изменения полярности сигнала, а затем запускает показания нановольтметра для каждой полярности, компенсируя как постоянные, так и дрейфующие термоэлектрические смещения и гарантируя, что результаты отражают истинное значение напряжения. После правильного подключения модели 6220 и модели 2182A все, что требуется для запуска теста, — это нажать кнопку «Дельта» источника тока, а затем кнопку «Триггер». Модель 2182A также имеет второй канал измерения напряжения, который полезен для мониторинга температуры образца. Хотя модель 6220 служит источником постоянного тока в показанной конфигурации, заменяя источник переменного + постоянного тока модели 6221, который имеет встроенный генератор сигналов произвольной формы, имеет то преимущество, что позволяет пользователям выполнять измерения эффекта Холла переменного тока. Для применений, для которых приемлемым компромиссом является способность системы к низкому сопротивлению, показанной для снижения стоимости системы (т. Е. Для обеспечения способности только от среднего до высокого сопротивления), нановольтметр модели 2182A можно заменить цифровым мультиметром модели 2000. .

Повышение достоверности измерений на эффекте Холла

Включение ряда передовых методов измерения в конструкцию системы на эффекте Холла повысит вероятность получения высокоточных измерений на материалах с высоким удельным сопротивлением:

• свести к минимуму электрические помехи: электростатическая связь или помехи возникают, когда внешнее электрическое поле воздействует на тестируемую цепь. При низких уровнях импеданса эффекты интерференции обычно незаметны, потому что любой возникающий заряд быстро рассеивается. Однако материалы с высоким сопротивлением не позволяют заряду быстро распадаться, что может привести к нестабильным измерениям. За эти ошибочные показания могут быть ответственны как электростатические поля постоянного, так и переменного тока, поэтому всегда используйте электростатическое экранирование, чтобы свести к минимуму их влияние. Насколько это практически возможно, экранируйте испытуемый образец и все чувствительные измерительные схемы, подключите экран к низкому выводу тестовой системы и всегда используйте экранированные кабели. Самый простой тип экрана — это простая металлическая коробка или сетчатый экран, закрывающий тестовую схему. Экранированные коробки также доступны в продаже. Дополнительные сведения о методах экранирования см. в Разделе 2 Справочника Keithley по измерениям низкого уровня.
• Убедитесь, что тестовая система правильно заземлена: При наличии двух или более соединений с землей, например, когда источник и измерительные приборы подключены к общей заземляющей шине, формируется групповой контур, который может вносить помехи и напряжения ошибки. Напряжение (V _G ) между источником и заземлением прибора вызовет ток (I), протекающий по контуру. Этот ток создаст нежелательное напряжение последовательно с напряжением источника. Контуры заземления могут возникать, когда несколько приборов подключены к разветвителям питания на разных стойках для приборов. Часто существует небольшая разница потенциалов между точками заземления, что может привести к циркуляции больших токов и неожиданным падениям напряжения. Предотвратите образование контуров заземления, заземлив все оборудование в тестовой системе в одной точке, используя изолированные источники питания и инструменты, а затем установив единую надежную точку заземления для всей системы. Избегайте подключения чувствительных инструментов к одной и той же используемой системе заземления. другими инструментами, механизмами или другим мощным оборудованием.
• Использование защиты для снижения влияния тока утечки в системе: это включает использование защищенного источника тока, защищенных вольтметров и триаксиальных, а не коаксиальных кабелей.
• Прежде чем проводить измерения, убедитесь, что прошло достаточно времени для установления. Если вы измеряете образец с высоким сопротивлением, емкость в кабеле в сочетании с образцом с высоким сопротивлением создает большую постоянную времени RC, что приведет к значительным временным задержкам для достижения уровнями напряжения стабильных значений. Чтобы определить время задержки до стабилизации уровня напряжения, контролируйте напряжение как функцию времени. Например, напряжение на образце с 10 ¹² Сопротивление Ω может не установиться в течение 20 секунд
• Регулярно проверяйте производительность системы. Самый простой способ сделать это — построить тестовую структуру, используя четыре резистора одинакового номинала, которые по величине аналогичны сопротивлению тестируемого образца, и использовать его в качестве основы для сравнения. Также возможно, что NIST характеризует «золотой образец», чтобы вы могли сравнить свои результаты измерений с их результатами.
• Минимизируйте источники термоэлектрических напряжений. По возможности используйте одни и те же материалы во всех соединениях, например, во всех медных соединениях и медных проводах. Измените полярность источника тока и усредните показания, чтобы устранить ошибки ЭДС (как это позволяет дельта-режим модели 6220/модели 2182А). Всегда давайте испытательному оборудованию прогреться и достичь теплового равновесия перед началом испытаний и свести к минимуму температурные градиенты по образцу.

Заключение

По мере того, как потребность в характеризации материалов с высокой подвижностью становится все более важной, возможность точного измерения эффекта Холла становится все более важной. Для получения дополнительной информации и дополнительных системных схем для систем на эффекте Холла посетите веб-семинар Keithley «Основы измерения эффекта Холла», доступный на веб-сайте Keithley по адресу http://www.keithley.com/events/semconfs/webseminars.

Найдите больше ценных ресурсов на TEK.