幾十年來，研究人員對半導體材料和半導體器件進行了實驗，以充分了解它們的物理特性。通過確定一種材料或設備的物理極限，工業(yè)界了解到使用任何給定的材料都可以實現(xiàn)哪些性能改進，并可以相應地規(guī)劃產(chǎn)品路線圖。這是一個事實，大多數(shù)這樣的實驗揭示了局限性，但在IBM領導的合作組織《自然》雜志上的一項新研究中，結果恰恰相反；研究伙伴發(fā)現(xiàn)了一個與霍爾效應有關的140年前的秘密，一種先前未知的特性有望為改善半導體性能開辟全新的途徑。

霍爾效應首先，讓我們回顧一下霍爾效應。半導體材料中電荷載流子（正電荷或負電荷）的基本性質是它們在外加電場下的速度以及它們在材料中的密度。1879年，物理學家埃德溫·霍爾找到了一種測定這些性質的方法。他發(fā)現(xiàn)磁場改變了導體內電子電荷的運動，偏轉量可以用霍爾電壓來測量。該電壓與標準電導率測量相結合，可提供半導體內部電荷類型、遷移率（μ）和密度的信息。霍爾效應是指當磁場影響流過導體（或半導體）的電流時，通過導體（或半導體）的可測量電壓。由于洛倫茲力和電力的平衡，產(chǎn)生了垂直于外加電流的橫向電壓。這種物理效應在許多解決方案中都有應用，特別是在現(xiàn)代家電和汽車應用領域。霍爾傳感器的實現(xiàn)提高了可靠性和耐用性，消除了運動的機械磨損（圖1）。圖1顯示了在磁場中通過半導體的電荷發(fā)生了什么。霍爾電壓（VH）垂直于電流流向：其中H是霍爾系數(shù)，如果大多數(shù)載流子是電子，則為負；如果大多數(shù)載流子是空穴，則為正。I是電流，Bz是垂直磁場，d是樣品的厚度。如果存在兩個載波，霍爾系數(shù)如下：

其中n是電子的濃度，p是空穴的濃度，μn是電子的遷移率，μp是空穴的遷移率，q是電子的電荷。大多數(shù)和少數(shù)載流子的性質，如類型、密度和遷移率是決定半導體器件性能的基本因素。在光照下同時獲得這些信息將釋放許多對光電器件和太陽能電池至關重要的關鍵參數(shù)，但這一目標尚未明確實現(xiàn)。

物理學進展

來自IBM、KAIST（韓國高級科學技術研究所）、KRICT（韓國化學技術研究所）和杜克大學的研究人員能夠利用光作為測試源的霍爾效應來提取這些特性，同時獲得大多數(shù)和少數(shù)載流子的密度和遷移率、載流子壽命和擴散長度等信息。實際應用包括新的和更快的半導體特性，更好的光電性能，以及人工智能技術的新材料和新器件。

從187年開始，我們可以總結出一個新的發(fā)現(xiàn)，即σd。這個公式告訴你空穴和電子遷移率差異的新信息。它幫助我們解決了一個長期存在的問題，即如何同時提取半導體中的空穴和電子載流子信息。我認為這是一個令人興奮的進步，因為我們現(xiàn)在可以更詳細地研究半導體材料了。

在這個實驗中，兩種載流子都會引起電導率（σ）和霍爾系數(shù)（H，與霍爾電壓和磁場的比值成正比）的變化。關鍵直覺來自于測量導電率和霍爾系數(shù)（作為光強度的函數(shù)），然后通過查看σ-H圖（圖2）分析問題，以使用新公式提取各種參數(shù)。

研究小組稱這項新技術為載體分辨光霍爾（CRPH）測量。這種技術需要對霍爾信號進行干凈的測量。為此，有必要使用振蕩磁場（AC）進行霍爾測量。用這種方法，用一種稱為鎖定檢測的技術來提取與振蕩磁場具有相同相位的信號是很重要的。

利用IBM以前的研究成果，可以獲得單向純諧波磁場的強振蕩。這項研究與磁場約束的一種新效應有關，稱為“駝峰效應”，當兩條橫向偶極子線超過臨界長度時，會發(fā)生這種效應（圖2和圖3）。

傳統(tǒng)的霍爾效應的表現(xiàn)方式是使用一個叫做亥姆霍茲線圈的巨大線圈施加一個靜態(tài)磁場。因為它是一個巨大的電感器，所以它對交流磁場的產(chǎn)生效率不高。在這個實驗中，我們使用了一個新的系統(tǒng)來產(chǎn)生交流磁場，這個系統(tǒng)基于一個稱為平行偶極子線（PDL）的磁阱系統(tǒng)，它表現(xiàn)出一種新型的場限制效應，稱為“駝峰效應”，如圖3（a）和（b）所示。Gunawan說：“當你旋轉PDL系統(tǒng)時，它是為我們的光廳實驗產(chǎn)生交流磁場的理想系統(tǒng)，因為磁場是單向的，純諧波的，并且有足夠的空間來發(fā)光（圖3c）。”。

IBM合作提出的新技術允許從半導體中提取出驚人數(shù)量的信息。與經(jīng)典霍爾測量中僅有的幾個（三）個參數(shù)相反，這種新技術允許測量電子和空穴在不同光強度水平下的其他參數(shù)，如遷移率、擴散長度、密度和復合壽命。本實驗的主要目的是在恒定速率的振蕩磁場下，測量不同光強下的霍爾信號。

“通常情況下，我們每分鐘旋轉一次，這實際上相當慢，因為如果你旋轉磁鐵的速度太快，可能會產(chǎn)生額外的寄生效應，比如法拉第電動勢電壓，它可以與期望的霍爾效應相抗衡。真正的光霍爾信號是與振蕩磁場具有相同頻率和相位的信號。所以，如果你用直流（靜態(tài)）磁場做這個實驗，你想要的霍爾信號就會被掩埋。因此，我們相信這也是為什么人們在一百多年里都不能解決這個問題的另一個原因，因為你真的需要用交流磁場來獲得干凈的實驗數(shù)據(jù)，”Gunawan說。

這項新發(fā)現(xiàn)和新技術將有助于推動半導體的進步，這要歸功于能夠詳細提取半導體材料物理特性的知識和工具。霍爾技術已取代了許多傳統(tǒng)測量技術在各種應用中，包括水平測量和電機控制。有幾種方法可用于確定位置：例如，如果應用程序需要有限和離散的位置，則可以使用簡單的開關，如Allegro A1120或A321x。圖4顯示了一個可能的檢測皮帶斷裂的電路，它使用固定的磁鐵和固定的霍爾開關來工作。

電動機的電流消耗與電動機施加的轉矩成正比。因此，控制施加在電動機上的速度和力的典型方法是在微處理器中測量電流消耗。然后微處理器可以計算是否必須向電機施加電流以達到所需的速度。霍爾效應電流傳感器可以直接與電機串聯(lián)，因為它們的電阻非常低。在全球磁場傳感器市場，汽車行業(yè)一直處于領先地位，占市場份額超過40%。