Les mesures à effet Hall sont essentielles pour caractériser la mobilité élevée des porteurs dans les matériaux

L'effet Hall peut être observé lorsque la combinaison d'un champ magnétique à travers un échantillon et d'un courant le long de l'échantillon crée un courant électrique perpendiculaire à la fois au champ magnétique et au courant, qui à son tour crée une tension transversale perpendiculaire à la fois au champ magnétique et au courant. champ et le courant. Le principe sous-jacent est la force de Lorentz : la force exercée sur une charge ponctuelle due aux champs électromagnétiques.

Les mesures à effet Hall sont inestimables pour caractériser les matériaux semi-conducteurs, qu'il s'agisse de semi-conducteurs composés à base de silicium, de matériaux à couches minces pour cellules solaires ou de matériaux à l'échelle nanométrique comme le graphène. Les mesures couvrent des matériaux semi-conducteurs à faible résistance (matériaux semi-conducteurs hautement dopés, supraconducteurs à haute température, semi-conducteurs magnétiques dilués et matériaux GMR/TMR) et à haute résistance, notamment le GaAs semi-isolant, le nitrure de gallium et le tellurure de cadmium.

Un système de mesure à effet Hall est utile pour déterminer divers paramètres de matériaux, mais le principal est la tension Hall (VH). La mobilité des porteurs, la concentration des porteurs (n), le coefficient de Hall (RH), la résistivité, la magnétorésistance (RB) et le type de conductivité du porteur (N ou P) sont tous dérivés de la tension de Hall.

Alors que les chercheurs développent des circuits intégrés de nouvelle génération et des matériaux semi-conducteurs plus efficaces, ils s'intéressent particulièrement aux matériaux à forte mobilité des porteurs, ce qui est à l'origine d'une grande partie de l'intérêt pour le graphène. Cette forme de carbone d’une épaisseur d’un atome présente l’effet Hall quantique et, par conséquent, un flux de courant électronique relativiste. Les chercheurs considèrent que les mesures à effet Hall sont cruciales pour l'avenir de l'industrie électronique.

Les matériaux à mobilité élevée des porteurs permettent de créer des dispositifs qui obtiennent un flux de courant maximisé à des niveaux de puissance inférieurs, avec des temps de commutation plus rapides et une bande passante plus élevée. Une manipulation de la loi d'Ohm (Figure 1) montre l'importance de la mobilité des porteurs dans la maximisation du courant. Le courant est directement proportionnel à la mobilité des porteurs.

Les options permettant de maximiser le flux de courant à travers un dispositif incluent l'augmentation de la tension, la concentration des porteurs de charge, la section transversale de l'échantillon ou la mobilité des porteurs de charge. Tous, sauf le dernier, présentent de sérieux inconvénients.

La première étape pour déterminer la mobilité des porteurs consiste à mesurer la tension de Hall (VH) en forçant à la fois un champ magnétique perpendiculaire à l'échantillon (B) et un courant à travers l'échantillon (I). Cette combinaison crée un courant transversal. Le potentiel résultant (VH) est mesuré aux bornes de l'appareil. Des mesures précises de l'épaisseur de l'échantillon (t) et de sa résistivité (ρ) sont également nécessaires. La résistivité peut être déterminée à l'aide d'une sonde à quatre points ou de la technique de mesure de Van der Pauw. Avec seulement ces cinq paramètres (B, I, VH, t et résistivité), la mobilité de Hall peut être calculée :

Les tensions de Hall et la résistivité de Van der Pauw mesurée sont généralement assez faibles, de sorte que les bonnes techniques de mesure et de moyenne sont essentielles pour obtenir des résultats de mobilité précis.

La figure 2 illustre les configurations de mesure pour la mesure de la tension Hall et de la résistivité de Van der Pauw. Les deux configurations de mesure utilisent toutes deux quatre contacts et impliquent de forcer un courant et de mesurer une tension. Cependant, outre les différents schémas de connexion, les mesures de tension Hall nécessitent un champ magnétique.

Les tensions Hall et Van der Pauw peuvent être aussi basses que des millivolts. La technique de test recommandée implique donc une combinaison d'inversion de la polarité du courant source, d'approvisionnement sur des bornes supplémentaires et d'inversion de la direction du champ magnétique. Huit mesures à effet Hall et huit mesures van der Pauw sont effectuées. Si les lectures de tension dans chaque mesure diffèrent considérablement, vérifiez toujours à nouveau la configuration de test pour détecter les sources d'erreur.

Une configuration de base de mesure à effet Hall comprendra probablement les composants suivants et les extras optionnels :