Le misurazioni dell'effetto Hall sono essenziali per caratterizzare l'elevata mobilità dei portatori nei materiali

L'effetto Hall può essere osservato quando la combinazione di un campo magnetico attraverso un campione e una corrente lungo la lunghezza del campione crea una corrente elettrica perpendicolare sia al campo magnetico che alla corrente, che a sua volta crea una tensione trasversale perpendicolare ad entrambi i campo e corrente. Il principio alla base è la forza di Lorentz: la forza su una carica puntiforme dovuta ai campi elettromagnetici.

Le misurazioni dell'effetto Hall hanno un valore inestimabile per caratterizzare i materiali semiconduttori, siano essi semiconduttori composti a base di silicio, materiali a film sottile per celle solari o materiali su scala nanometrica come il grafene. Le misurazioni spaziano dai materiali semiconduttori a bassa resistenza (materiali semiconduttori altamente drogati, superconduttori ad alta temperatura, semiconduttori magnetici diluiti e materiali GMR/TMR) a quelli ad alta resistenza, tra cui GaAs semiisolante, nitruro di gallio e tellururo di cadmio.

Un sistema di misurazione dell'effetto Hall è utile per determinare vari parametri del materiale, ma quello principale è la tensione Hall (VH). La mobilità del portatore, la concentrazione del portatore (n), il coefficiente Hall (RH), la resistività, la magnetoresistenza (RB) e il tipo di conduttività del portatore (N o P) sono tutti derivati ​​dalla tensione Hall.

Mentre i ricercatori sviluppano circuiti integrati di prossima generazione e materiali semiconduttori più efficienti, sono particolarmente interessati ai materiali con elevata mobilità dei portatori, che è ciò che ha suscitato gran parte dell'interesse per il grafene. Questa forma di carbonio dello spessore di un atomo mostra l’effetto Hall quantistico e, di conseguenza, un flusso di corrente di elettroni relativistico. I ricercatori ritengono che le misurazioni dell'effetto Hall siano cruciali per il futuro dell'industria elettronica.

I materiali con elevata mobilità dei portatori consentono di creare dispositivi che ottengono il flusso di corrente massimizzato a livelli di potenza inferiori, con tempi di commutazione più rapidi e larghezza di banda maggiore. Una manipolazione della legge di Ohm (Figura 1) mostra l'importanza della mobilità del portatore nel massimizzare la corrente. La corrente è direttamente proporzionale alla mobilità del portatore.

Le opzioni per massimizzare il flusso di corrente attraverso un dispositivo includono l'aumento della tensione, la concentrazione dei portatori di carica, l'area della sezione trasversale del campione o la mobilità dei portatori di carica. Tutti tranne l'ultimo presentano gravi svantaggi.

Il primo passo per determinare la mobilità del portatore è misurare la tensione di Hall (VH) forzando sia un campo magnetico perpendicolare al campione (B) sia una corrente attraverso il campione (I). Questa combinazione crea una corrente trasversale. Il potenziale risultante (VH) viene misurato attraverso il dispositivo. Sono inoltre necessarie misurazioni accurate sia dello spessore del campione (t) che della sua resistività (ρ). La resistività può essere determinata utilizzando una sonda a quattro punti o la tecnica di misurazione di van der Pauw. Solo con questi cinque parametri (B, I, VH, t e resistività) è possibile calcolare la mobilità di Hall:

Sia le tensioni di Hall che la resistività di van der Pauw misurata sono in genere piuttosto piccole, quindi le giuste tecniche di misurazione e calcolo della media sono fondamentali per ottenere risultati di mobilità accurati.

La Figura 2 illustra le configurazioni di misurazione sia per la tensione di Hall che per la misurazione della resistività di van der Pauw. Le due configurazioni di misurazione utilizzano entrambe quattro contatti e prevedono la forzatura di una corrente e la misurazione di una tensione. Tuttavia, oltre ai diversi schemi di collegamento, le misurazioni della tensione di Hall richiedono un campo magnetico.

Le tensioni di Hall e le tensioni di van der Pauw possono essere basse quanto millivolt, quindi la tecnica di test consigliata prevede una combinazione di inversione della polarità della corrente della sorgente, alimentazione su terminali aggiuntivi e inversione della direzione del campo magnetico. Vengono eseguite otto misurazioni dell'effetto Hall e otto misurazioni di van der Pauw. Se le letture della tensione all'interno di ciascuna misurazione differiscono sostanzialmente, ricontrollare sempre l'impostazione del test per individuare eventuali fonti di errore.

Una configurazione base per la misurazione dell'effetto Hall includerà probabilmente i seguenti componenti ed extra opzionali: