DC 및 AC 홀 효과 측정
물질의 홀 효과 조사는 홀 계수뿐만 아니라 캐리어 농도, 캐리어 유형 및 이동성을 결정하는 데 특별히 사용됩니다.
이를 통해 열전 기술, 태양 전지 기술 또는 유기 전자 장치와 같은 전자 장치에서 사용되는 재료의 성능을 평가하고 최적화할 수 있습니다.
홀 효과 홀 효과 는 전류가 흐르는 도체에 수직으로 자기장을 가할 때 나타나는 현상으로, 전류의 흐름 방향과 자기장에 모두 수직인 전압이 생성되는 현상을 설명합니다. 이 전압을 홀 전압(일반적으로 VH)이라고 하며 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
여기서 RH는 재료에 따라 달라집니다. 홀 상수는 도체를 통과하는 전류의 세기, B는 자기장 세기, d는 자기장 방향에 평행한 도체의 두께입니다.
홀 전압의 부호는 전하 캐리어의 유형을 나타내며 캐리어 농도 n은 기본 전하를 나타내는 e를 통해 결정할 수 있습니다. 홀 상수 RH와 전기 저항률 ρ을 사용하여 이동도 µ도 계산할 수 있습니다. 이상적으로는 자기장이 인가되지 않은 상태에서 홀 전압은 0이어야 하지만 실제로는 작은 오프셋 전압이 감지될 수 있으며, 이는 오정렬 전압 VMA와 열전 전압 VTE가 원인인 것으로 밝혀졌습니다. 오정렬 전압은 저항과 전류에 비례하며 샘플 형상에 따라 달라집니다.
예를 들어 Van-der-Pauw 구성에서 이상적인 구성은 완벽하게 균일한 정사각형 샘플의 모서리에 4개의 점 접점이 있는 것입니다. 오정렬 계수와 전압은 0이 되지만, 실제 측정에서는 일반적으로 이상적인 경우와 편차가 있습니다. 또한 측정 중에 두 가지 재료, 즉 재료와 접촉 재료가 접촉하기 때문에 열전 효과가 나타나 열전 전압 상쇄 기여도가 발생합니다. 따라서 측정된 전압 Vm은 다음 방정식이 되며, 여기서 α는 소위 오정렬 계수입니다.
를 사용하면 전체 측정 전압에서 작은 홀 전압을 추출하기가 매우 어렵기 때문에 DC 필드 측정 방법이 한계에 도달하게 됩니다.
이 경우, 교류 방식은 이동도가 낮은 물질의 특성을 연구하는 데 더 나은 솔루션을 제공하는 확립된 방법이 되었습니다. 홀 전압은 자기장에 비례하기 때문에 AC 자기장에 의해 생성된 홀 전압도 AC 신호가 됩니다.
오정렬 전압과 열전 전압은 자기장에 의존하지 않으므로 DC 전압이므로 쉽게 분리할 수 있다는 장점이 있습니다. 이 실험에서는 측정 전자장치에 락인 앰프를 사용하면 원하지 않는 DC 신호에서 원하는 AC 신호를 정밀하게 분리할 수 있습니다. 그러나 측정된 전압에는 자기장의 시간 미분과 측정에 사용된 리드뿐만 아니라 시료의 인덕턴스에 비례하는 새로운 항이 있습니다. 그러면 측정된 전압은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.
여기서 β는 비례 상수를 나타냅니다. 이 새로운 항은 전류와 무관하므로 전류 반전으로 제거할 수 있습니다. 또한 이 항은 AC 신호의 위상과 90° 어긋나기 때문에 락인 앰프의 위상 분해능으로 이 새로운 항을 제거할 수 있습니다.
결론적으로 교류 방식을 사용하면 DC 필드 방식에 비해 1000배 낮은 10-3 cm2/Vs의 낮은 범위에서 이동도를 측정할 수 있습니다. 이는 유기 전자 재료뿐만 아니라 태양광 및 대체 에너지 응용 분야에서 특히 유용합니다.
