Влияние полярностей тока I и магнитного поля b на знак поперечных эдс

Полярности тока и поля	VH	VE	VNE	VRL	ΔVρ	Измеряемое напряжение
I,B	VH	VE	VNE	VRL	ΔVρ	V1
–I, B	–VH	–VE	VNE	VRL	–ΔVρ	V2
I, –B	–VH	–VE	–VNE	–VRL	ΔVρ	V3
–I, –B	VH	VE	–VNE	–VRL	–ΔVρ	V4

Чтобы выделить ЭДС Холла V_H, надо сделать четыре измерения, тогда для V_H+V_E, получим:

(3.42_35)

Отделить ЭДС Холла V_H от V_E не удается, что приводит к систематической ошибке при определении концентрации n и подвижности μ_H. В Ge ЭДС V_E составляет около 5% от V_H.

При исследовании эффекта Холла необходимо выполнять следующие условия:

1. измерения следует проводить на длинных тонких образцах, геометрические размеры которых удовлетворяют условию . Холловские контакты надо располагать вблизи середины образца, что уменьшает возможность шунтированияV_H. торцевыми контактами. Обычно образцы изготавливают сечением (33) мм², длиной (15 - 20) мм, размер контактов ~1 мм;

2. важно обеспечивать выполнение условия слабого магнитного поля (µB)² <<1. Для Ge и Si поле должно быть меньше 1 Тл;

3. измерения следует проводить при малых токах для исключения нагрева образца. Поле Холла E_H должно быть меньше 1 В∙см^-1;

4. для исключения фотоэффектов образцы необходимо размещать в светонепроницаемой измерительной камере;

5. перед измерениями образцы следует подвергать специальной химической обработке для уменьшения до минимума поверхностной проводимости.

Определив зависимость концентрации свободных носителей от температуры, можно установить тип и концентрацию примесных центров и энергию ионизации примеси.

В примесном полупроводнике с одним типом примеси (например, донорным) концентрация носителей n в области низких температур равна

(3.43_36)

где N_D - концентрация доноров; N_C - эффективная плотность состояний в зоне проводимости; g - фактор вырождения; k - постоянная Больцмана; E_D - энергия ионизации донорной примеси.

Энергию ионизации находят по наклону зависимости отT^-1. Концентрация доноров N_D равна концентрации электронов в области полной ионизации примеси.

В компенсированном полупроводнике (пусть N_D≥N_A) в области низких температур при n<<N_D, N_D-N_A для n справедливо выражение

(3.44_37)

Энергию ионизации определяют по наклону зависимости от, степень компенсациипри известном факторе вырожденияg - с помощью экстраполяции зависимости до пересечения с осью ординат. В области полной ионизации примесей n=N_D-N_A. Отсюда легко находят N_D и N_A и в отдельности.

При измерении ЭДС Холла, как и при определении удельного сопротивления, в многослойной структуре исследуемый слой должен быть изолирован от остальной структуры. Для этого необходимо, либо чтобы ρ подложки было много больше ρ слоя, либо чтобы слой отличался по типу проводимости (p-n-структура), либо чтобы подложка была изготовлена из диэлектрика.

С помощью эффекта Холла определяют концентрацию свободных носителей, которая в однородно легированном образце в области полной ионизации примеси совпадает с концентрацией легирующей примеси в полупроводнике с одним типом проводимости.

Если легирование неоднородно, то из-за диффузии носителей заряда профили легирования и концентрации носителей различаются.

Определение профиля концентрации свободных носителей по глубине требует применения послойного травления и определения ЭДС Холла V_H после каждого этапа. Однако можно использовать и неразрушающий метод определения профиля концентрации носителей, состоящий в применении структур с барьером Шоттки. Тогда роль удаляемого при травлении слоя играет ОПЗ, ширина которой регулируется обратным напряжением на контакте Шоттки и определяется с помощью измерения емкости ОПЗ.

Эффект Холла можно исследовать и в переменных электрическом и магнитном полях. Преимуществом этих методов является уменьшение влияния тепловых процессов, вызывающих термоЭДС, и отсутствие необходимости в измерениях при разных полярностях тока и магнитного поля. Однако измерительная схема при этом усложняется.

Погрешность измерения концентрации свободных носителей с помощью эффекта Холла зависит от уровня легирования, составляет (10  20)% при концентрации примесей (1·10¹⁸ – 1·10¹⁹) см^–3 и уменьшается при снижении концентрации носителей.

Автоматизированная система измерения эффекта Холла в структурах Ван дер Пау Hall Measurement System HMS-5000 фирмы Ecopia

На рис.3.27 представлен общий вид измерительной системы, состоящей из управляющего компьютера (ноутбука); прикладного программного обеспечения, хранящегося на жестком диске ПК; измерительного блока; блока для обеспечения контактирования с образцом и его охлаждения. Измерения производятся по методу Ван дер Пау (четырехконтактному методу) на специально подготовленных образцах.

Hall Measurement System HMS-5000 обеспечивает:

• Измерение эффекта Холла по Ван-дер-Пау в диапазоне температур от 80 K до 350 K (охлаждение жидким азотом)

• Автоматическое перемещение магнита

• Измерение температурных зависимостей концентрации носителей заряда, подвижности, удельного сопротивления, коэффициента Холла, проводимости и др.

• Простое в использовании ППО для анализа результатов.

• HSM-5000 может быть использована для исследования различных полупроводниковых материалов, включая Si, SiGe, SiC, GaAs, InGaAs, InP, GaN (n- и p-типов) проводимости, а также металличесих слоев.