霍爾效應(yīng)是電磁效應(yīng)的一種，當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng)，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)廣泛應(yīng)用于材料表征和磁場(chǎng)感應(yīng)。

材料表征

在材料表征應(yīng)用中，材料放置在已知的磁場(chǎng) B 之中。同時(shí)，測(cè)量霍爾電壓 VXY(圖1)、通過(guò)樣本的電壓 VXX 和通過(guò)材料的電流 IR。根據(jù)這些測(cè)量值，我們可以推斷材料性質(zhì)，例如載流子密度、載流子極性、載流子遷移率和材料的導(dǎo)電性。

這項(xiàng)技術(shù)還可用于測(cè)量量子霍爾效應(yīng)以及整數(shù)、分?jǐn)?shù)、自旋、逆自旋等多種衍生效應(yīng)，從而測(cè)量二維電子氣 (2DEG) 材料的新物理性質(zhì)。

磁場(chǎng)感應(yīng)

當(dāng)材料性質(zhì)已知時(shí)，霍爾效應(yīng)可用于推斷多個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)的外部磁場(chǎng)強(qiáng)度?？梢酝ㄟ^(guò)向樣本施加直流電壓來(lái)執(zhí)行測(cè)量，但是通常交流測(cè)量的速度更快、結(jié)果更準(zhǔn)確。交流測(cè)量的其他優(yōu)點(diǎn)還包括精度和靈敏度更高，能夠在更大的測(cè)量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高信噪比 (SNR)。

圖1.測(cè)量霍爾電壓結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，測(cè)量需要使用兩個(gè)鎖相放大器。賽恩科儀OE1022D是一款雙通道鎖相放大器，擁有2個(gè)獨(dú)立同步的鎖放單元，一臺(tái)鎖相放大器就可以滿足測(cè)量需求。

(圖中表示為 LIA A通道)提供恒定交流電壓以使樣本中產(chǎn)生電流。通常情況下，只需放置一個(gè)遠(yuǎn)大于電路中所有其他電阻之和的限流電阻 RL，即可假定電流在測(cè)量過(guò)程中保持恒定。測(cè)量通過(guò)樣本的電流，即可實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的測(cè)量。鎖相放大器 1 測(cè)量霍爾電壓 VXY，而鎖相放大器 2(圖中表示為 LIA B通道)測(cè)量通過(guò)樣本的電壓 VXX。

審核編輯 黃宇