揭开隐藏140年的霍尔效应秘密

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IBM研究人员发现了一个与霍尔效应相关的140年的秘密，这个之前不为人所知的特性可望为改善半导体性能开辟一个新的途径。

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几十年来，研究人员对半导体材料和半导体组件进行了实验，以充分了解它们的物理特性。产业人员透过确定某种材料或设备的物理极限，了解到使用任何给定的材料可以实现哪些性能提升，并据此规划产品路线图。众所周知，大多数此类实验都揭示了其局限性。然而，IBM在《自然(Nature)》杂志发表的由其引导的合作项目研究却表示，实验结果是相反的；研究人员发现了一个与霍尔效应相关的140年的秘密，这个之前不为人所知的特性可望为改善半导体性能开辟一个新的途径。

霍尔效应(Hall effect)


首先，让我们回顾一下霍尔效应。半导体材料中电荷载流子(正电荷或负电荷)的基本属性是它们在外加电场下的速度及其在材料中的密度。1879年，物理学家Edwin Hall发现了一种确定这些性质的方法。他发现磁场改变了导体内电子电荷的运动方向，偏转量可以用霍尔电压来测量。该电压与标准电导率测量相结合，提供了有关电荷类型、迁移率(μ)和半导体内部密度的信息。

图1 霍尔效应的布局。为n型半导体施加电流I和垂直于表面(z轴)的磁场B，所产生的电压差VH称为霍尔效应
霍尔效应是指当磁场影响流经导体(或半导体)的电流时，通过导体(或半导体)的可测量电压。由于Lorentz力和电流的平衡，产生了垂直于外加电流的横向电压。这种物理效应在许多解决方案中都有应用，特别是在现代家电和汽车应用领域。霍尔传感器的使用提高了可靠性和耐久性，消除了运动的机械磨损(图1)。图1显示了电荷通过磁场中半导体时的情况，霍尔电压(VH)垂直于电流方向：
其中H是霍尔系数，如果大多数载流子是电子，则为负；如果大多数载流子是空穴，则为正。I是电流，Bz是垂直磁场，w是样品厚度。如果存在两个载流子，霍尔系数如下：
其中n是电子的浓度，p是空穴的浓度，μN是电子的迁移率，μP是空穴的迁移率，q是电子的电荷。多数和少数载流子的性质，如类型、密度和迁移率，是决定半导体组件性能的基本因素。在光照下同时获得这些信息将可以揭示许多关键参数，这对光电组件和太阳能电池至关重要，但这一目标尚未明确实现。

物理学的进展


来自IBM、韩国科学技术研究所(KAIST)、韩国化学技术研究所(KRICT)和杜克大学(Duke University)的研究人员能够利用霍尔效应，以光作为测试源，撷取这些属性，同时获得多数和少数载流子的密度和迁移率、载流子寿命和扩散长度等信息。其实际应用包括新的和更快的半导体特性、性能更好的光电组件，以及可用于人工智能(AI)技术的新材料和新组件。
“我们所取得的进步是基于对光的霍尔效应新认识，它可以用一个简洁的方程式来概括：Δμ=d(σ2H)/dσ，自1879年发现霍尔效应以来的140年里，这方程来一直不为人所知。这个公式表达的是关于空穴和电子的迁移率差的新信息，有助于我们解决一个长期存在的问题，即如何同时提取半导体组件中的空穴和电子载流子信息。我认为这是一个令人兴奋的进展，因为我们现在可以更深入地研究半导体材料。”该论文的主要作者，IBM Thomas J Watson研究中心物理科学系的研究人员Oki Gunawan说。
在这个实验中，两个载流子都会引起电导率(σ)和霍尔系数(H)的变化，这与霍尔电压和磁场的比值成正比。关键判断在于测量电导率和霍尔系数作为光强的函数，然后通过查看σ-H图(图2)并分析问题，以使用新公式提取各种参数。
该研究小组称这项新技术为载流子消散光电霍尔(CRPH)测量。该项技术需要对霍尔讯号进行精确的测量。为此，必须使用振荡磁场(AC)进行霍尔测量。在这种情况下，利用锁定检测技术提取与振荡磁场相同相位的讯号就显得尤为重要。
利用IBM先前的研究成果，可以获得单向纯谐波磁场的强振荡。这项研究与磁场约束的一种新效应有关，这种效应被称为「驼峰(camelback)」效应，它发生在超过临界长度的两行横向偶极子之间(图2和图3)。
图2 (a)霍尔效应(b)载流子消散光电霍尔(CRPH)效应(c)CRPH分析。关键的信息来源于测量作测量电导率和霍尔系数作为光强度的函数。隐藏在电导率-霍尔系数(σ-H)曲线的轨迹中，揭示了一个重要的新信息：两个载流子的迁移率差。(数据源：Oki Gunawan/IBM Research)

图3 (a)驼峰场限制效应(b)平行偶极线(PDL)陷阱系统(c)IBM PDL霍尔系统。(数据源：Oki Gunawan/IBM Research)
“利用一种叫做亥姆霍兹线圈(Helmholtz coil)的巨大线圈施加静磁场是传统的霍尔效应应用方式。因为它是一个巨大的电感，所以对交流磁场的产生没有那么有效。在本实验中，我们使用了一种基于平行偶极线(PDL)磁阱系统的新型系统来产生交流磁场，该磁阱系统表现出一种新型的场约束效应，称为“驼峰效应”。如图3(a)和(b)所示。当旋转PDL系统时，它是产生交流磁场的理想系统，因为该磁场是单向的、纯谐波的，并且有足够的空间发光(图3c)。”Gunawan说。
IBM提出的这项新技术允许从半导体中提取大量的信息。使用传统霍尔测量方法只能获取很少(三个)的参数，而这种新技术可以测量电子和空穴在不同光强下的其他参数，如迁移率、扩散长度、密度和复合寿命。本实验的主要目的是测量不同光强下恒速振荡磁场下的霍尔讯号。
“通常情况下，我们每分钟旋转一次，这实际上相当慢，因为如果旋转磁铁太快，可能会有额外的寄生效应，如法拉第电动势电压，这可能会与期望获得的霍尔效应相矛盾。真正的光电霍尔讯号是与振荡磁场具有相同频率和相位的讯号。所以，如果用直流(静态)磁场做这个实验，你想要的霍尔讯号将被掩埋。所以，我们相信这也是为什么人们在一百多年内不能解决这个问题的另一个原因，因为必须用交流磁场来获得精确的实验数据。”Gunawan说。
这项新的发现和技术将有助于推动半导体的发展，这要归功于能够详细撷取半导体材料物理特性的知识和工具。霍尔技术已在各种应用中取代了许多传统测量技术，包括水位测量和马达控制。有几种方法可用于确定位置：例如，如果应用需要一个有限和离散的位置，可以使用简单的开关，如Allegro A1120或A321X。图4显示了检测皮带断裂的可能电路，它利用连接至旋转滚筒和固定霍尔开关的固定磁铁来工作。

图4 霍尔传感器在电路中的应用。
马达的电流消耗与马达施加的转矩成正比。因此，在微处理器中测量电流消耗是控制马达速度和力的典型方法。微处理器可以计算是否必须向马达施加电流以达到所需速度。霍尔效应电流传感器可以直接与马达串联，因为它们的电阻很低。在全球磁场传感器市场上，汽车产业一直处于领先地位，其市场份额超过40%。

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霍尔效应相关的140年的秘密

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