Las mediciones de efecto Hall son esenciales para caracterizar la alta movilidad de los portadores en materiales

El efecto Hall se puede observar cuando la combinación de un campo magnético a través de una muestra y una corriente a lo largo de la muestra crea una corriente eléctrica perpendicular tanto al campo magnético como a la corriente, lo que a su vez crea un voltaje transversal perpendicular a ambas. campo y la corriente. El principio subyacente es la fuerza de Lorentz: la fuerza sobre una carga puntual debida a campos electromagnéticos.

Las mediciones del efecto Hall son invaluables para caracterizar materiales semiconductores, ya sean semiconductores compuestos basados en silicio, materiales de película delgada para células solares o materiales a nanoescala como el grafeno. Las mediciones abarcan materiales semiconductores de baja resistencia (materiales semiconductores altamente dopados, superconductores de alta temperatura, semiconductores magnéticos diluidos y materiales GMR/TMR) y materiales semiconductores de alta resistencia, incluidos GaAs semiaislante, nitruro de galio y telururo de cadmio.

Un sistema de medición de efecto Hall es útil para determinar varios parámetros de materiales, pero el principal es el voltaje Hall (VH). La movilidad del portador, la concentración del portador (n), el coeficiente de Hall (RH), la resistividad, la magnetorresistencia (RB) y el tipo de conductividad del portador (N o P) se derivan del voltaje Hall.

A medida que los investigadores desarrollan circuitos integrados de próxima generación y materiales semiconductores más eficientes, están particularmente interesados en materiales con alta movilidad de portadores, que es lo que despertó gran parte del interés en el grafeno. Esta forma de carbono de un átomo de espesor exhibe el efecto Hall cuántico y, como resultado, un flujo de corriente de electrones relativista. Los investigadores consideran que las mediciones del efecto Hall son cruciales para el futuro de la industria electrónica.

Los materiales con alta movilidad del portador permiten crear dispositivos que obtienen un flujo de corriente maximizado a niveles de potencia más bajos, con tiempos de conmutación más rápidos y mayor ancho de banda. Una manipulación de la ley de Ohm (Figura 1) muestra la importancia de la movilidad del portador para maximizar la corriente. La corriente es directamente proporcional a la movilidad del portador.

Las opciones para maximizar el flujo de corriente a través de un dispositivo incluyen aumentar el voltaje, la concentración de los portadores de carga, el área de la sección transversal de la muestra o la movilidad de los portadores de carga. Todos menos el último tienen serias desventajas.

El primer paso para determinar la movilidad del portador es medir el voltaje Hall (VH) forzando un campo magnético perpendicular a la muestra (B) y una corriente a través de la muestra (I). Esta combinación crea una corriente transversal. El potencial resultante (VH) se mide a través del dispositivo. También se requieren mediciones precisas tanto del espesor de la muestra (t) como de su resistividad (ρ). La resistividad se puede determinar utilizando una sonda de cuatro puntos o la técnica de medición de van der Pauw. Con sólo estos cinco parámetros (B, I, VH, t y resistividad), se puede calcular la movilidad Hall:

Tanto los voltajes Hall como la resistividad de Van der Pauw medida suelen ser bastante pequeños, por lo que las técnicas de medición y promediación correctas son fundamentales para obtener resultados de movilidad precisos.

La Figura 2 ilustra las configuraciones de medición para la medición de voltaje Hall y resistividad de Van der Pauw. Las dos configuraciones de medición utilizan cuatro contactos e implican forzar una corriente y medir un voltaje. Sin embargo, además de diferentes esquemas de conexión, las mediciones de tensión Hall requieren un campo magnético.

Los voltajes Hall y Van der Pauw pueden ser tan bajos como milivoltios, por lo que la técnica de prueba recomendada implica una combinación de invertir la polaridad de la corriente de la fuente, alimentar terminales adicionales e invertir la dirección del campo magnético. Se realizan ocho mediciones del efecto Hall y ocho de Van der Pauw. Si las lecturas de voltaje dentro de cada medición difieren sustancialmente, siempre vuelva a verificar la configuración de la prueba para detectar fuentes de error.

Una configuración básica de medición de efecto Hall probablemente incluirá los siguientes componentes y extras opcionales:

Los instrumentos de medición de efecto Hall más adecuados se basarán en la resistencia total de la muestra y la resistencia de sus puntos de contacto externos. La resistencia de la muestra es la resistividad intrínseca de la muestra, expresada en unidades de ohmios-centímetros (ohm·cm), dividida por su espesor. La resistencia de contacto con la muestra puede ser órdenes de magnitud mayor que la resistencia de la muestra. El sistema de medición puede diseñarse para adaptarse a muestras con una amplia gama de resistencias u optimizarse específicamente para estudiar materiales de baja resistencia (banda prohibida estrecha) o de alta resistencia (banda prohibida amplia).

La Figura 5 muestra un sistema de medición de efecto Hall/van der Pauw apropiado para resistencias de muestra que oscilan entre 1 μΩ y 1 TΩ. Emplea la tarjeta de conmutación de matriz modelo 7065 de Keithley optimizada para mediciones de efecto Hall alojada en una unidad central de conmutación modelo 7001. Esta tarjeta almacena en búfer las señales de prueba de la muestra a los instrumentos de medición y conmuta la corriente de la fuente actual a la muestra. Ofrece la ventaja de contar con buffers de ganancia unitaria que se pueden activar y desactivar para permitir medir resistencias altas al amortiguar la resistencia de la muestra del medidor.

La configuración de prueba también incluye un picoamperímetro modelo 6485, una fuente de corriente CC modelo 6220 y un nanovoltímetro modelo 2182A. El picoamperímetro se incluye como opción para monitorear las corrientes de fuga del sistema. La fuente de corriente y el nanovoltímetro trabajan juntos utilizando técnicas internas para sincronizar su funcionamiento, eliminar compensaciones térmicas y mejorar la precisión de las mediciones. El segundo canal de medición de voltaje del nanovoltímetro es útil para monitorear la temperatura de la muestra.

Incorporar buenas prácticas de medición en el diseño de un sistema de efecto Hall mejorará su integridad de medición.

Caracterizar la movilidad de nuevos materiales es esencial para las innovaciones en la tecnología de semiconductores, por lo que seguirá siendo importante realizar mediciones precisas del efecto Hall.

Este artículo fue escrito por Robert Green, gerente senior de desarrollo de mercado de Keithley Instruments, Cleveland, OH. Para obtener más información, haga clic aquí. Para configuraciones adicionales del sistema, vea el seminario web en línea de Keithley, "Fundamentos de la medición del efecto Hall", disponible en www.keithley.com/events/semconfs/webseminars.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de agosto de 2011 de la revista NASA Tech Briefs.

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