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苦等140年后,一个新公式奠定半导体电学测量新里程碑


  来源: DeepTech深科技 时间:2019-11-12 编辑:清风
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近日,一篇刊登于Nature期刊的文章向世人展示了一项霍尔效应苦等 140 年的应用。


这篇文章的名字十分简单:“Carrier-resolved photo-Hall effect”,意为“能解析载流子信息的光霍尔效应”。文章中介绍了一种全新的测量方法,能够同时测量导电材料中两种载流子的重要信息,可以为新型的太阳能电池材料和光电材料提供有力的检测手段和指导方向;同时,这一突破可以让我们更加详尽地了解半导体的物理特性,对研发和改进半导体材料有着重大意义。


我们现在的生活中,处处可见的是各式各样的电子产品,电脑、手机甚至很多工厂的生产设备都有电子芯片和电路的身影。


而这些电子产品的核心材料之一就是半导体材料,如何充分理解和利用半导体材料是一个关系电子技术及相关领域发展的重要课题。


然而将近一个半世纪以来,科学家一直被一个问题所困扰,他们无法完全理解半导体器件和先进的半导体材料内部的电荷方面的局限性,而这种局限影响了半导体研究的进一步发展。


最直接的,科学家希望知道半导体材料的导电性能如何,具体来说,需要关注半导体中的载流子种类、密度以及迁移率等参数,这些是体现半导体材料导电性能的关键参数。


其中,载流子(Carrier)分两种,电子(Electron)和空穴(Hole),分别带一个单位负电荷和正电荷,不同的载流子决定了半导体最基本的导电情况。载流子密度决定导电时有多少载流子能参与导电,载流子迁移率决定载流子能跑多快,这些参数其实能一起出现在导体通电电流的表达式中,它们共同决定导体通电时电流的大小。


1879 年,美国物理学家埃德温·霍尔(Edwin Hall)发现了一种可以确定这些属性的方法。他发现,将一个通电的导体放置在垂直磁场中,就会在垂直于磁场和电流的方向上测到一个电势差,这个现象就被称为霍尔效应(Hall Effect)。原理上来说,霍尔效应是一种十分微妙的电磁现象,是发生在通电导体中的电流因为外加磁场产生偏转而导致导体侧面形成电势差的现象。



(图 | 霍尔效应示意图)


简单地使用霍尔效应能一并将这些参数测量出来。霍尔电势差 VH(如图所示),会随着材料中载流子种类、密度以及迁移率等参数变化而变化。最简单的,载流子种类能决定霍尔电势差的极性,因为电子和空穴在磁场中的偏转情况是相反的,那么到达导体侧面上的电荷也是相反的,所造成的电势差的极性方向也会相反。

通过对带电粒子的受力分析之后,我们不难得到这样一个公式:


(其中 B 是外加磁场磁感应强度,I 为导体电流,b 为导体延磁场方向的厚度,n 是导体载流子的体密度,q 是带电粒子的电量,H 是霍尔系数,可由测量仪器直接得出。)


不难看出,霍尔电势差的大小受到磁场、导体电流、导体几何尺寸、导体内部载流子浓度和载流子电量的影响。其中,前三个都能事先测量出来,霍尔电势差 VH也能在实验中测得,我们再利用这样的物理关系,就能测量导电材料的载流子浓度。


但是,对于太阳能电池材料和光电材料来说,简单的霍尔效应并不能满足电学测量要求。原因在于,简单的霍尔效应只能测量一种载流子的信息,因为霍尔电势差只能体现两个侧面由于电荷积累出现的差值,而不能体现这两者的具体信息。这和一般半导体的导电情况十分契合,尽管一般半导体导电时,也存在两种载流子,分别被称为“多子(Majority Carriers)”和“少子(Minority Carriers)”,但多子浓度高,少子浓度低,少子的作用往往被忽视。


不同于一般的半导体材料,在太阳能电池材料中参与导电的一般有两种载流子,而且两种载流子的浓度相当。我们可以从原理上来分析,太阳能电池之所以可以发电,是因为光产生了电,其实是光的能量被半导体材料吸收,并且产生了成对的电子和空穴。此时如果不将它们分开,它们又会结合在一起,所以我们需要在太阳能电池两极连接上导线和用电器,只有这样电才能被我们利用。所以说,如果要测量太阳能电池材料和光电材料的电学特性,需要同时获取两种载流子的信息。



关键词:半导体 电学测量    浏览量:510

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