CN107728036A - 霍尔效应测试仪及测试方法 - Google Patents

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童浩
马国鹭
王愿兵
罗景庭
乔伟
蔡颖锐
张雨
房山
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/2648—Characterising semiconductor materials

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Abstract

本发明公开了一种霍尔效应测试仪及测试方法，测试仪包括：控制台，该控制台上设有锁相放大器、开关矩阵、直流恒流源和磁场控制器；其中开关矩阵与待测试样品边缘的4个对称电极连接；直流恒流源与开关矩阵连接，为待测样品持续提供电流；锁相放大器与开关矩阵连接，采集待测样品产生的霍尔电压并获取低干扰电压信号；样品台，其上放置待测样品；永磁体，环绕在样品台周围，并与磁场控制器连接，永磁体与样品台相对运动，在样品台周围产生交变磁场。本发明通过改变直流电压信号采集为交流电压采集，可降低热噪声以及其他附属效应。

Description

霍尔效应测试仪及测试方法
技术领域
本发明涉及霍尔效应测试仪，尤其涉及一种针对低迁移率材料的霍尔效应测试仪及测试方法。
背景技术
霍尔效应测试仪，是用于测量半导体材料的载流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等重要参数，而这些参数是了解半导体材料电学特性必须预先掌控的，因此是理解和研究半导体器件和半导体材料电学特性必备的工具。除了用来测量上述参数之外，还可以判断半导体材料类型，它也可应用于LED磊晶层的质量判定，也可以用来判断在HEMT组件中二维电子气是否形成，还可以用于太阳能电池片的制程辅助等相关应用。
目前市面上的霍尔效应测试仪中使用的传统方法是直流磁场范德堡法、直流霍尔棒法。这种方法对包括半导体在内的多种材料的成功测量有着悠久的历史。然而，低迁移率的材料，如太阳能电池材料、热电材料和有机材料等窄带系材料，很难用上述方法测量，即使能够也是误差相对比较大。
原有直流磁场范德堡法测试过程及缺陷：范德堡法测量霍尔效应于1958年提出，主要测试过程如下：
在样品边缘制作4个对称的电极，如图1所示。
在样品两端添加正向磁场，1-3通电流，2-4测电压vH1(电流从1流向3下述同样含义)；
在样品两端添加正向磁场，3-1通电流，4-2测电压vH2；
在样品两端添加反向磁场，1-3通电流，2-4测电压vH3；
在样品两端添加反向磁场，3-1通电流，4-2测电压vH4；
霍尔电压计算VH＝(vH1-vH3+vH2-vH4)/4。
改变磁场方向可以消除部分附效应，厄廷豪森效应；改变电流方向可以消除不等电势差和热电势。
因此上述方案可以测量迁移率相对较大的样品的霍尔系数。对于迁移率较小的样品则不能测试，其主要的误差来源于：
改变磁场方向时需要进行相减运算。相减运算的前提为：正反向磁场相等，在实际试验中不可能相等。
改变电流方向时需要进行相减运算。同样需要前提：电流值大小相等，但是实际中不可能相等，都是做近似处理。
通电流测试电压，vH1＝Vh+Vd+Vs+Vo；Vh为霍尔电压、Vd为不等位电压、Vs塞贝克电压、Vo为其他附效应电压之和。其中霍尔电压为真实需要电压，但是其只占测量电压的千分之几到百分之几。这就需要测量电压仪表精度至少达到千分位才可以测量到真实的霍尔电压，然而现在的电子测量技术很难达到这一要求，所以在做相减运算时很容易把霍尔电压计算错误,最明显的表征为正负测反。
综上所述，直流磁场范德堡法的测试局限性在于假设条件相对多，难以测试霍尔系数或迁移率小的样品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可提高测量精度的测试霍尔系数或迁移率小的样品的新方法。
本发明所采用的技术方案是：
提供一种霍尔效应测试仪，包括：
控制台，该控制台上设有锁相放大器、开关矩阵、直流恒流源和磁场控制器；其中开关矩阵与待测试样品边缘的4个对称电极连接；直流恒流源与开关矩阵连接，为待测样品持续提供电流；锁相放大器与开关矩阵连接，采集待测样品产生的霍尔电压并获取低干扰电压信号；
样品台，其上放置待测样品；
永磁体，环绕在样品台周围，并与磁场控制器连接，永磁体与样品台相对运动，在样品台周围产生交变磁场。
接上述技术方案，该控制台上还设有通讯控制模块，与磁场控制器、锁相放大器、直流恒流源均连接。
接上述技术方案，样品台固定不动，磁场控制器控制永磁体以一定频率绕样品台旋转。
接上述技术方案，永磁体固定不动，样品台以一定频率绕永磁体旋转。
本发明还提供了一种霍尔效应测试方法，包括以下步骤：
在待测样品边缘制作4个对称的电极；
在待测样品两端添加正弦磁场，通过开关矩阵使其中第一对对角电极之间通电流，通过锁相放大器测量第二对对角电极之间的电压vH1；
在待测样品两端添加正弦磁场，通过开关矩阵使第一对对角电极之间通反向电流，通过锁相放大器测量所述第二对对角电极之间的反向电压vH2；
计算霍尔电压VH＝(vH1-vH2)/2；
根据所通电流和计算的霍尔电压计算霍尔系数。
接上述技术方案，在计算霍尔系数之前还包括步骤：
多次更改电流大小，并计算相应的霍尔电压；
根据所通电流和计算的霍尔电压进行拟合并计算霍尔系数。
本发明产生的有益效果是：本发明主要通过改变原有的直流磁场为交流磁场，使之分离不等位电压与霍尔电压的叠加，及产生交流信号。改变直流电压信号采集为交流电压采集，可降低热噪声以及其他附属效应。采用动态电流方式还可以消除系统误差。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是样品电极示意图；
图2是本发明实施例的霍尔效应测试仪结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的霍尔效应测试仪，如图2所示，包括：
控制台，该控制台上设有锁相放大器、开关矩阵、直流恒流源和磁场控制器；其中开关矩阵与待测试样品边缘的4个对称电极连接；直流恒流源与开关矩阵连接，为待测样品持续提供合适且稳定的电流；锁相放大器与开关矩阵连接，采集待测样品产生的霍尔电压并获取低干扰电压信号。锁相放大器可过滤附效应电压、不等位电压等直流信号，获取低干扰电压信号，采集到相对精确的霍尔电压。
样品台，其上放置待测样品；
永磁体，环绕在样品台周围，并与磁场控制器连接，永磁体与样品台相对运动，在样品台周围产生交变磁场，从而使待测样品发生霍尔效应。
该控制台上还设有通讯控制模块，与磁场控制器、锁相放大器、直流恒流源均连接。通讯控制模块主要将控制台发出的信号转换成仪器能识别的信号；磁场控制器控制磁场转换方向；锁相放大器采集同频电压信号；直流恒流源输出稳定的直流电流。
通讯控制模块是电脑软件，综合控制磁场变向、电流输出及换向、电压信号采集和霍尔系数的计算。在电脑软件上输入指令，信号通过数据线传到仪器，仪器上的一个或多个对应部件开始有序运行，然后采集信号并传回电脑，软件对这些数据分析计算得到霍尔系数的结果。软件中可事先编写好磁场变向、电流输出及换向、电压信号采集和霍尔系数计算的具体运行顺序及步骤，在软件上启动采集，仪器会按照软件编写的步骤一步一步运行直到最后得到结果。
进一步地，样品台固定不动，磁场控制器控制永磁体以一定频率绕样品台旋转。
也可以永磁体固定不动，样品台以一定频率绕永磁体旋转。
本发明实施例的霍尔效应测试方法包括以下步骤：
a)在待测样品边缘制作4个对称的电极，如图1所示；
b)在待测样品两端添加正弦磁场(可将一对永磁体的两极对称固定在待测样品的两端,并按照一定的速率旋转)，通过开关矩阵调节使1-3通电流，通过锁相放大器测量2-4之间的电压vH1(锁相放大器测得于磁场同频率电压)；
c)在待测样品两端添加正弦磁场，通过开关矩阵调节使3-1通电流，4-2测电压vH2(锁相放大器测得于磁场同频率电压)；
d)计算霍尔电压VH＝(vH1-vH2)/2；
e)只改变电流大小，重复步骤b、c、d,获取多组测量数据。
f)根据所通电流和计算的霍尔电压数据拟合并计算出霍尔系数。
主要的技术优势：交变磁场可以产生交变霍尔电压，然而附效应电压、不等位电压等其他干扰电压可以看作直流信号，那么使用锁相放大器获得低干扰的的电压信号，可直接消除大多数附效应电压，即不在测量电压vH1\vH2中出现，从而避免传统方法的问题，可以测量低霍尔电压或低迁移率的样品。具体来说，锁相放大器检测交变信号，只对被测信号本身和与其同频、相关的信号有响应，附效应电压、不等位电压等干扰电压信号会被过滤掉或者说不被采集到，这样就消除了大多数的附效应电压，锁相放大器获得的是干扰较小的电压信号，即低干扰的电压信号。低霍尔电压或低迁移率的样品，产生的电压信号微弱，受到干扰产生的误差较大，本发明消除了大多数电压信号的干扰，能检测到更加精确的低霍尔电压或低迁移率的电压信号，从而达到测量低霍尔电压或低电阻率样品的目的。
改变电流重复测量，最后把多组电流和霍尔电压进行数据拟合，可消除系统误差，主要为消除系统温差。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种霍尔效应测试仪，其特征在于，包括：
控制台，该控制台上设有锁相放大器、开关矩阵、直流恒流源和磁场控制器；其中开关矩阵与待测试样品边缘的4个对称电极连接；直流恒流源与开关矩阵连接，为待测样品持续提供电流；锁相放大器与开关矩阵连接，采集待测样品产生的霍尔电压并获取低干扰电压信号；
样品台，其上放置待测样品；
永磁体，环绕在样品台周围，并与磁场控制器连接，永磁体与样品台相对运动，在样品台周围产生交变磁场。
2.根据权利要求1所述的霍尔效应测试仪，其特征在于，该控制台上还设有通讯控制模块，与磁场控制器、锁相放大器、直流恒流源均连接。
3.根据权利要求1所述的霍尔效应测试仪，其特征在于，样品台固定不动，磁场控制器控制永磁体以一定频率绕样品台旋转。
4.根据权利要求1所述的霍尔效应测试仪，其特征在于，永磁体固定不动，样品台以一定频率绕永磁体旋转。
5.一种基于权利要求1的霍尔效应测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
在待测样品边缘制作4个对称的电极；
在待测样品两端添加正弦磁场，通过开关矩阵使其中第一对对角电极之间通电流，通过锁相放大器测量第二对对角电极之间的电压vH1；
在待测样品两端添加正弦磁场，通过开关矩阵使第一对对角电极之间通反向电流，通过锁相放大器测量所述第二对对角电极之间的反向电压vH2；
计算霍尔电压VH=(vH1-vH2)/2；
根据所通电流和计算的霍尔电压计算霍尔系数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在计算霍尔系数之前还包括步骤：
多次更改电流大小，并计算相应的霍尔电压；
根据所通电流和计算的霍尔电压进行拟合并计算霍尔系数。
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