Продолжаем наш цикл решений типовых задач пользователя.
Тема сегодняшней задачи - Измерение Холловской подвижности полупроводниковых материалов.
Холловские измерения - наиболее популярный метод определения параметров полупроводниковых материалов, включая напряжение Холла, подвижность носителей, концентрация носителей, коэффициент Холла, удельное сопротивление, магнитосопротивление и тип проводимости.
Большое кол-во перекоммутаций в типичной методике измерений вызывает необходимость правильного подбора необходимой аппаратуры, обеспечивающих необходимую степень автоматизации измерений.
Решение содержит:
- Основные этапы измерения подвижности с использованием методов эффекта Холла
- алгоритм и последовательность измерений и вычислений по стандартам NIST и ASTM
- Классификация объектов измерения на основе диапазонов общего сопротивления образца.
- Пример конфигурации измерительной системы, подходящей для самого широкого диапазона сопротивлений образца, от 1 мкОм до 1 ТОм на базе предлагаемых приборов
- Пример конфигурации измерительной системы для сверхвысоких сопротивлений образца (диапазон от 100 мОм до 10 ТОм) на базе предлагаемых приборов
- Способы достижения достоверности измерений, которые необходимо применять при проведении измерений Холла.
Система измерения эффекта Холла часто используется для определения многих параметров полупроводниковых материалов, но основным из них является напряжение Холла (VH). Другие важные параметры, такие как подвижность носителей, концентрация носителей (n), коэффициент Холла (RH), удельное сопротивление, магнитосопротивление (R) и тип проводимости (N или P), все могут быть получены из измерения напряжения Холла.
Измерения на эффекте Холла полезны для характеристики практически всех материалов, используемых при производстве полупроводников, таких как кремний (Si) и германий (Ge), а также большинства сложных 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 кадмия (HgCdTe). Их часто используют для определения характеристик тонких пленок этих материалов для солнечных элементов / фотоэлектрических элементов, а также органических полупроводников и наноматериалов, таких как графен. Они одинаково полезны для характеристики как материалов с низким сопротивлением (металлы, прозрачные оксиды, высоколегированные полупроводниковые материалы, высокотемпературные сверхпроводники, разбавленные магнитные полупроводники и материалы GMR / TMR, используемые в дисковых накопителях), так и полупроводниковых материалов с высоким сопротивлением, включая полуизолирующий GaAs, нитрид галлия (GaN) и теллурид кадмия (CdTe).
Основные этапы измерения подвижности с использованием методов эффекта Холла
Холловская подвижность µH определяется по известной формуле:
В данной формуле присутствуют две величины, которые непосредственно определяются с помощью электрофизических измерений: напряжение Холла VH и удельное сопротивление измеряемого образца ρ. (Значения индукции магнитного поля B, ток приложенный к образцу I и толщина образца t исследователь, как правило, знает перед измерениями).
Первым шагом в определении подвижности носителей является измерение напряжения Холла (VH) путем создания как магнитного поля, перпендикулярного образцу, так и тока через образец. Комбинация тока (I) и магнитного поля (B) вызывает поперечный ток, формирующий Холловское напряжение (VH) на противоположных контактах.
Второй шаг – это измерение удельного сопротивления ρ, которое можно определить с помощью четырехточечного зонда или метода измерения Ван дер Пау.
Поскольку напряжения Холла обычно довольно малы (милливольты или меньше), как и измеренное удельное сопротивление Ван дер Пау, правильные методы измерения и усреднения критически важны для получения точных результатов подвижности при использовании этой формулы.
Подробно алгоритм и последовательность измерений и вычислений описаны в отраслевых стандартах, например, ГОСТ 25948-83 «Арсенид галлия и фосфид галлия монокристаллические. Измерение удельного электрического сопротивления и коэффициента Холла».
На сайте Национального института стандартов и технологий (NIST) Министерства торговли США также приведен подробный алгоритм Холловских измерений (включая метод Ван дер Пау) и даже стандартная форма отчета (см. рисунок 1).
Рассмотрим данный алгоритм подробнее. На рисунке 2 показаны конфигурации измерения как напряжения на эффекте Холла, так и измерения удельного сопротивления Ван дер Пау. Хотя эти конфигурации измерения очень похожи, поскольку оба используют четыре контакта, и оба измерения включают в себя генерацию тока и измерение напряжения, при измерении на эффекте Холла ток прикладывается к противоположным узлам образца, а затем измеряется напряжение на других противоположных узлах, поэтому сила и точки контакта измерения переплетаются, а напряжение для полупроводников обычно составляет около kT/q, что составляет около 25 милливольт (но может быть и намного ниже). Напротив, для измерений удельного сопротивления по Ван дер Пау, ток принудительно подается на соседние узлы, а затем напряжение измеряется на противоположных соседних узлах, так что все, что принудительно и измеряется, находится на ближайших контактах; в этом случае напряжение может быть намного выше 20 милливольт. Напряжения могут быть в диапазоне 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 магнитное поле отсутствует, тогда как при измерении эффекта Холла приложено поперечное магнитное поле.
Чтобы получить результаты с высокой степенью достоверности, рекомендуемый метод включает комбинацию изменения полярности тока источника, подключения дополнительных клемм и изменения направления магнитного поля. Выполняются восемь измерений эффекта Холла и восемь измерений Ван дер Пау (рисунок 2 и рисунок 3). Если показания напряжения при каждом измерении существенно различаются, рекомендуется перепроверить испытательную установку, чтобы найти потенциальные источники ошибок.
Продолжение следует...
Типовой состав аппаратуры для измерения эффекта Холла
Согласование конфигурации с приложением на эффекте Холла
Пример конфигурации на базе линейки измерительных приборов
Подписывайтесь и читайте канал AKTAKOM - КИПиА
На нашем канале всегда свежие новости, инструкции, практические советы, обзоры, методики поверок и многое другое! Пишите нам, задавайте вопросы, а мы будем готовить новые, интересные материалы