幾十年來，研究人員對半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體器件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以充分了解它們的物理特性。通過確定一種材料或設(shè)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(shí)現(xiàn)哪些性能改進(jìn)，并可以相應(yīng)地規(guī)劃產(chǎn)品路線圖。這是一個(gè)事實(shí)，大多數(shù)這樣的實(shí)驗(yàn)揭示了局限性，但在IBM領(lǐng)導(dǎo)的合作組織《自然》雜志上的一項(xiàng)新研究中，結(jié)果恰恰相反；研究伙伴發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與霍爾效應(yīng)有關(guān)的140年前的秘密，一種先前未知的特性有望為改善半導(dǎo)體性能開辟全新的途徑。

霍爾效應(yīng)首先，讓我們回顧一下霍爾效應(yīng)。半導(dǎo)體材料中電荷載流子（正電荷或負(fù)電荷）的基本性質(zhì)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(xué)家埃德溫·霍爾找到了一種測定這些性質(zhì)的方法。他發(fā)現(xiàn)磁場改變了導(dǎo)體內(nèi)電子電荷的運(yùn)動(dòng)，偏轉(zhuǎn)量可以用霍爾電壓來測量。該電壓與標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率測量相結(jié)合，可提供半導(dǎo)體內(nèi)部電荷類型、遷移率（μ）和密度的信息。霍爾效應(yīng)是指當(dāng)磁場影響流過導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）的電流時(shí)，通過導(dǎo)體（或半導(dǎo)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(yīng)在許多解決方案中都有應(yīng)用，特別是在現(xiàn)代家電和汽車應(yīng)用領(lǐng)域。霍爾傳感器的實(shí)現(xiàn)提高了可靠性和耐用性，消除了運(yùn)動(dòng)的機(jī)械磨損（圖1）。圖1顯示了在磁場中通過半導(dǎo)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(fù)；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(gè)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(zhì)，如類型、密度和遷移率是決定半導(dǎo)體器件性能的基本因素。在光照下同時(shí)獲得這些信息將釋放許多對光電器件和太陽能電池至關(guān)重要的關(guān)鍵參數(shù)，但這一目標(biāo)尚未明確實(shí)現(xiàn)。

物理學(xué)進(jìn)展

來自IBM、KAIST（韓國高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所）、KRICT（韓國化學(xué)技術(shù)研究所）和杜克大學(xué)的研究人員能夠利用光作為測試源的霍爾效應(yīng)來提取這些特性，同時(shí)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(kuò)散長度等信息。實(shí)際應(yīng)用包括新的和更快的半導(dǎo)體特性，更好的光電性能，以及人工智能技術(shù)的新材料和新器件。

從187年開始，我們可以總結(jié)出一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)，即σd。這個(gè)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(gè)長期存在的問題，即如何同時(shí)提取半導(dǎo)體中的空穴和電子載流子信息。我認(rèn)為這是一個(gè)令人興奮的進(jìn)步，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在可以更詳細(xì)地研究半導(dǎo)體材料了。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，兩種載流子都會(huì)引起電導(dǎo)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(guān)鍵直覺來自于測量導(dǎo)電率和霍爾系數(shù)（作為光強(qiáng)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(xiàng)新技術(shù)為載體分辨光霍爾（CRPH）測量。這種技術(shù)需要對霍爾信號(hào)進(jìn)行干凈的測量。為此，有必要使用振蕩磁場（AC）進(jìn)行霍爾測量。用這種方法，用一種稱為鎖定檢測的技術(shù)來提取與振蕩磁場具有相同相位的信號(hào)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(qiáng)振蕩。這項(xiàng)研究與磁場約束的一種新效應(yīng)有關(guān)，稱為“駝峰效應(yīng)”，當(dāng)兩條橫向偶極子線超過臨界長度時(shí)，會(huì)發(fā)生這種效應(yīng)（圖2和圖3）。

傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)的表現(xiàn)方式是使用一個(gè)叫做亥姆霍茲線圈的巨大線圈施加一個(gè)靜態(tài)磁場。因?yàn)樗且粋€(gè)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(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們使用了一個(gè)新的系統(tǒng)來產(chǎn)生交流磁場，這個(gè)系統(tǒng)基于一個(gè)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(yīng)，稱為“駝峰效應(yīng)”，如圖3（a）和（b）所示。Gunawan說：“當(dāng)你旋轉(zhuǎn)PDL系統(tǒng)時(shí)，它是為我們的光廳實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生交流磁場的理想系統(tǒng)，因?yàn)榇艌鍪菃蜗虻模冎C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(shù)允許從半導(dǎo)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(gè)（三）個(gè)參數(shù)相反，這種新技術(shù)允許測量電子和空穴在不同光強(qiáng)度水平下的其他參數(shù)，如遷移率、擴(kuò)散長度、密度和復(fù)合壽命。本實(shí)驗(yàn)的主要目的是在恒定速率的振蕩磁場下，測量不同光強(qiáng)下的霍爾信號(hào)。

“通常情況下，我們每分鐘旋轉(zhuǎn)一次，這實(shí)際上相當(dāng)慢，因?yàn)槿绻阈D(zhuǎn)磁鐵的速度太快，可能會(huì)產(chǎn)生額外的寄生效應(yīng)，比如法拉第電動(dòng)勢電壓，它可以與期望的霍爾效應(yīng)相抗衡。真正的光霍爾信號(hào)是與振蕩磁場具有相同頻率和相位的信號(hào)。所以，如果你用直流（靜態(tài)）磁場做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，你想要的霍爾信號(hào)就會(huì)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(gè)問題的另一個(gè)原因，因?yàn)槟阏娴男枰媒涣鞔艌鰜慝@得干凈的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，”Gunawan說。

這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)將有助于推動(dòng)半導(dǎo)體的進(jìn)步，這要?dú)w功于能夠詳細(xì)提取半導(dǎo)體材料物理特性的知識(shí)和工具。霍爾技術(shù)已取代了許多傳統(tǒng)測量技術(shù)在各種應(yīng)用中，包括水平測量和電機(jī)控制。有幾種方法可用于確定位置：例如，如果應(yīng)用程序需要有限和離散的位置，則可以使用簡單的開關(guān)，如Allegro A1120或A321x。圖4顯示了一個(gè)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(guān)來工作。

電動(dòng)機(jī)的電流消耗與電動(dòng)機(jī)施加的轉(zhuǎn)矩成正比。因此，控制施加在電動(dòng)機(jī)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(jì)算是否必須向電機(jī)施加電流以達(dá)到所需的速度。霍爾效應(yīng)電流傳感器可以直接與電機(jī)串聯(lián)，因?yàn)樗鼈兊碾娮璺浅５汀Ｔ谌虼艌鰝鞲衅魇袌觯囆袠I(yè)一直處于領(lǐng)先地位，占市場份額超過40%。