Medições de efeito Hall são essenciais para caracterizar alta mobilidade de portadores em materiais

O efeito Hall pode ser observado quando a combinação de um campo magnético através de uma amostra e uma corrente ao longo do comprimento da amostra cria uma corrente elétrica perpendicular ao campo magnético e à corrente, que por sua vez cria uma tensão transversal perpendicular a ambos. campo e o atual. O princípio subjacente é a força de Lorentz: a força sobre uma carga pontual devido a campos eletromagnéticos.

As medições de efeito Hall são inestimáveis ​​para caracterizar materiais semicondutores, sejam eles à base de silício, semicondutores compostos, materiais de película fina para células solares ou materiais em nanoescala como o grafeno. As medições abrangem materiais semicondutores de baixa resistência (materiais semicondutores altamente dopados, supercondutores de alta temperatura, semicondutores magnéticos diluídos e materiais GMR/TMR) e semicondutores de alta resistência, incluindo GaAs semi-isolantes, nitreto de gálio e telureto de cádmio.

Um sistema de medição de efeito Hall é útil para determinar vários parâmetros de materiais, mas o principal é a tensão Hall (VH). A mobilidade da portadora, a concentração da portadora (n), o coeficiente Hall (RH), a resistividade, a magnetorresistência (RB) e o tipo de condutividade da portadora (N ou P) são todos derivados da tensão Hall.

À medida que os investigadores desenvolvem CIs de próxima geração e materiais semicondutores mais eficientes, estão particularmente interessados ​​em materiais com elevada mobilidade de portadores, que é o que despertou grande parte do interesse no grafeno. Esta forma de carbono com a espessura de um átomo exibe o efeito Hall quântico e, como resultado, o fluxo de corrente relativística de elétrons. Os pesquisadores consideram as medições do efeito Hall cruciais para o futuro da indústria eletrônica.

Materiais com alta mobilidade de portadora permitem criar dispositivos que obtêm fluxo de corrente maximizado em níveis de potência mais baixos, com tempos de comutação mais rápidos e maior largura de banda. Uma manipulação da Lei de Ohm (Figura 1) mostra a importância da mobilidade da portadora na maximização da corrente. A corrente é diretamente proporcional à mobilidade da portadora.

As opções para maximizar o fluxo de corrente através de um dispositivo incluem o aumento da tensão, a concentração dos portadores de carga, a área da seção transversal da amostra ou a mobilidade dos portadores de carga. Todos, exceto o último, apresentam sérias desvantagens.

O primeiro passo na determinação da mobilidade da portadora é medir a tensão Hall (VH), forçando um campo magnético perpendicular à amostra (B) e uma corrente através da amostra (I). Esta combinação cria uma corrente transversal. O potencial resultante (VH) é medido em todo o dispositivo. Medições precisas da espessura da amostra (t) e de sua resistividade (ρ) também são necessárias. A resistividade pode ser determinada usando uma sonda de quatro pontos ou a técnica de medição de van der Pauw. Com apenas estes cinco parâmetros (B, I, VH, t e resistividade), a mobilidade Hall pode ser calculada:

Tanto as tensões Hall quanto a resistividade de van der Pauw medida são normalmente muito pequenas, portanto, as técnicas corretas de medição e cálculo da média são essenciais para resultados precisos de mobilidade.

A Figura 2 ilustra as configurações de medição tanto para a tensão Hall quanto para a medição de resistividade de van der Pauw. As duas configurações de medição usam quatro contatos e envolvem forçar uma corrente e medir uma tensão. Contudo, além de diferentes esquemas de conexão, as medições de tensão Hall requerem um campo magnético.

As tensões Hall e as tensões van der Pauw podem ser tão baixas quanto milivolts, portanto, a técnica de teste recomendada envolve uma combinação de inversão da polaridade da corrente da fonte, alimentação em terminais adicionais e inversão da direção do campo magnético. São realizadas oito medidas de efeito Hall e oito de van der Pauw. Se as leituras de tensão dentro de cada medição diferirem substancialmente, sempre verifique novamente a configuração do teste em busca de fontes de erro.

Uma configuração básica de medição de efeito Hall provavelmente incluirá os seguintes componentes e extras opcionais: