[發明專利]霍爾效應測試儀及測試方法

在審

• 申請號: 201711261820.6
• 申請日: 2017-12-04
• 公開（公告）號: CN107728036A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 繆向水;童浩;馬國鷺;王愿兵;羅景庭;喬偉;蔡穎銳;張雨;房山
• 申請（專利權）人: 武漢嘉儀通科技有限公司
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 許美紅

技術領域

本發明涉及霍爾效應測試儀，尤其涉及一種針對低遷移率材料的霍爾效應測試儀及測試方法。

背景技術

霍爾效應測試儀，是用于測量半導體材料的載流子濃度、遷移率、電阻率、霍爾系數等重要參數，而這些參數是了解半導體材料電學特性必須預先掌控的，因此是理解和研究半導體器件和半導體材料電學特性必備的工具。除了用來測量上述參數之外，還可以判斷半導體材料類型，它也可應用于LED磊晶層的質量判定，也可以用來判斷在HEMT組件中二維電子氣是否形成，還可以用于太陽能電池片的制程輔助等相關應用。

目前市面上的霍爾效應測試儀中使用的傳統方法是直流磁場范德堡法、直流霍爾棒法。這種方法對包括半導體在內的多種材料的成功測量有著悠久的歷史。然而，低遷移率的材料，如太陽能電池材料、熱電材料和有機材料等窄帶系材料，很難用上述方法測量，即使能夠也是誤差相對比較大。

原有直流磁場范德堡法測試過程及缺陷：范德堡法測量霍爾效應于1958年提出，主要測試過程如下：

在樣品邊緣制作4個對稱的電極，如圖1所示。

在樣品兩端添加正向磁場，1-3通電流，2-4測電壓vH1(電流從1流向3下述同樣含義)；

在樣品兩端添加正向磁場，3-1通電流，4-2測電壓vH2；

在樣品兩端添加反向磁場，1-3通電流，2-4測電壓vH3；

在樣品兩端添加反向磁場，3-1通電流，4-2測電壓vH4；

霍爾電壓計算VH＝(vH1-vH3+vH2-vH4)/4。

改變磁場方向可以消除部分附效應，厄廷豪森效應；改變電流方向可以消除不等電勢差和熱電勢。

因此上述方案可以測量遷移率相對較大的樣品的霍爾系數。對于遷移率較小的樣品則不能測試，其主要的誤差來源于：

改變磁場方向時需要進行相減運算。相減運算的前提為：正反向磁場相等，在實際試驗中不可能相等。

改變電流方向時需要進行相減運算。同樣需要前提：電流值大小相等，但是實際中不可能相等，都是做近似處理。

通電流測試電壓，vH1＝Vh+Vd+Vs+Vo；Vh為霍爾電壓、Vd為不等位電壓、Vs塞貝克電壓、Vo為其他附效應電壓之和。其中霍爾電壓為真實需要電壓，但是其只占測量電壓的千分之幾到百分之幾。這就需要測量電壓儀表精度至少達到千分位才可以測量到真實的霍爾電壓，然而現在的電子測量技術很難達到這一要求，所以在做相減運算時很容易把霍爾電壓計算錯誤,最明顯的表征為正負測反。

綜上所述，直流磁場范德堡法的測試局限性在于假設條件相對多，難以測試霍爾系數或遷移率小的樣品。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可提高測量精度的測試霍爾系數或遷移率小的樣品的新方法。

本發明所采用的技術方案是：

提供一種霍爾效應測試儀，包括：

控制臺，該控制臺上設有鎖相放大器、開關矩陣、直流恒流源和磁場控制器；其中開關矩陣與待測試樣品邊緣的4個對稱電極連接；直流恒流源與開關矩陣連接，為待測樣品持續提供電流；鎖相放大器與開關矩陣連接，采集待測樣品產生的霍爾電壓并獲取低干擾電壓信號；

樣品臺，其上放置待測樣品；

永磁體，環繞在樣品臺周圍，并與磁場控制器連接，永磁體與樣品臺相對運動，在樣品臺周圍產生交變磁場。

接上述技術方案，該控制臺上還設有通訊控制模塊，與磁場控制器、鎖相放大器、直流恒流源均連接。

接上述技術方案，樣品臺固定不動，磁場控制器控制永磁體以一定頻率繞樣品臺旋轉。

接上述技術方案，永磁體固定不動，樣品臺以一定頻率繞永磁體旋轉。

本發明還提供了一種霍爾效應測試方法，包括以下步驟：

在待測樣品邊緣制作4個對稱的電極；

在待測樣品兩端添加正弦磁場，通過開關矩陣使其中第一對對角電極之間通電流，通過鎖相放大器測量第二對對角電極之間的電壓vH1；

在待測樣品兩端添加正弦磁場，通過開關矩陣使第一對對角電極之間通反向電流，通過鎖相放大器測量所述第二對對角電極之間的反向電壓vH2；

計算霍爾電壓VH＝(vH1-vH2)/2；

根據所通電流和計算的霍爾電壓計算霍爾系數。

接上述技術方案，在計算霍爾系數之前還包括步驟：

多次更改電流大小，并計算相應的霍爾電壓；

根據所通電流和計算的霍爾電壓進行擬合并計算霍爾系數。