苦等140年后一个新公式奠定半导体电学丈量新里程碑

近来，一篇刊登于Nature期刊的文章向世人展现了一项霍尔效应苦等 140 年的运用。

这篇文章的姓名非常简略：“Carrier-resolved photo-Hall effect”，意为“能解析载流子信息的光霍尔效应”。文章中介绍了一种全新的丈量办法，能够一同丈量导电材猜中两种载流子的重要信息，可认为新式的太阳能电池资料和光电资料供给有力的检测手法和辅导方向；一同，这一打破能够让咱们愈加翔实地了解半导体的物理特性，对研制和改善半导体资料有着重大意义。

咱们现在的日子中，处处可见的是林林总总的电子科技类产品，电脑、手机乃至许多工厂的出产设备都有电子芯片和电路的身影。

而这些电子科技类产品的中心资料之一便是半导体资料，怎么充沛了解和运用半导体资料是一个联系电子技术及相关范畴开展的重要课题。

可是将近一个半世纪以来，科学家一向被一个问题所困扰，他们无法彻底了解半导体器材和先进的半导体资料内部的电荷方面的限制性，而这种限制影响了半导体研讨的进一步开展。

最直接的，科学家期望知道半导体资料的导电功能怎么，详细来说，需求重视半导体中的载流子品种、密度以及迁移率等参数，这些是表现半导体资料导电功能的要害参数。

其间，载流子（Carrier）分两种，电子（Electron）和空穴（Hole），别离带一个单位负电荷和正电荷，不同的载流子决议了半导体最基本的导电状况。载流子密度决议导电时有多少载流子能参加导电，载流子迁移率决议载流子能跑多快，这些参数其实能一同呈现在导体通电电流的表达式中，它们一同决议导体通电时电流的巨细。

1879 年，美国物理学家埃德温·霍尔（Edwin Hall）发现了一种能够确认这些特点的办法。他发现，将一个通电的导体放置在笔直磁场中，就会在笔直于磁场和电流的方向上测到一个电势差，这个现象就被称为霍尔效应（Hall Effect）。原理上来说，霍尔效应是一种非常奇妙的电磁现象，是发作在通电导体中的电流因为外加磁场发作偏转而导致导体旁边面构成电势差的现象。

（图 | 霍尔效应示意图）

简略地运用霍尔效应能一并将这些参数丈量出来。霍尔电势差 VH（如图所示），会跟着材猜中载流子品种、密度以及迁移率等参数改变而改变。最简略的，载流子品种能决议霍尔电势差的极性，因为电子和空穴在磁场中的偏转状况是相反的，那么抵达导体旁边面上的电荷也是相反的，所形成的电势差的极性方向也会相反。

经过对带电粒子的受力剖析之后，咱们不难得到这样一个公式：

（其间 B 是外加磁场磁感应强度，I 为导体电流，b 为导体延磁场方向的厚度，n 是导体载流子的体密度，q 是带电粒子的电量，H 是霍尔系数，可由丈量仪器直接得出。）

不难看出，霍尔电势差的巨细遭到磁场、导体电流、导体几许尺度、导体内部载流子浓度和载流子电量的影响。其间，前三个都能事前丈量出来，霍尔电势差 VH也能在试验中测得，咱们再运用这样的物理联系，就能丈量导电资料的载流子浓度。

可是，关于太阳能电池资料和光电资料来说，简略的霍尔效应并不能满意电学丈量要求。原因首要在于，简略的霍尔效应只能丈量一种载流子的信息，因为霍尔电势差只能表现两个旁边面因为电荷堆集呈现的差值，而不能表现这两者的详细信息。这和一般半导体的导电状况非常符合，虽然一般半导体导电时，也存在两种载流子，别离被称为“多子（Majority Carriers）”和“少子（Minority Carriers）”，但多子浓度高，少子浓度低，少子的效果往往被忽视。

不同于一般的半导体资料，在太阳能电池材猜中参加导电的一般有两种载流子，而且两种载流子的浓度适当。咱们咱们能够从原理上来剖析，太阳能电池之所以能够发电，是因为光发作了电，其实是光的能量被半导体资料吸收，而且发作了成对的电子和空穴。此刻假如不将它们分隔，它们又会结合在一同，所以咱们应该在太阳能电池南北极衔接上导线和用电器，只要这样电才干被咱们运用。所以说，假如要丈量太阳能电池资料和光电资料的电学特性，需求一同获取两种载流子的信息。

来自美国 IBM 纽约 Watson 研讨中心的 Oki Gunawan 博士想出了一种全新的办法，他独出机杼地在试验中参加了“光”这一变量，将霍尔效应晋级为“光-霍尔效应（Photo-Hall effect）”，并改善了试验的丈量战略和公式，成功地在一次丈量中丈量出有关两种载流子的7种不同数据。参加光之后，在原处于稳态的太阳能电池内部必定会发作显着的改变——呈现许多电子和空穴，也必定会对其导电特性发作影响。

Gunawan 特别设置了两种资料，并将它们在光照下进行霍尔效应测验的成果放在一同，比照试验成果，得出一个奇特的公式：

其间的 μH是两种载流子霍尔迁移率之差，H 是霍尔系数，σ 是电导。这成为了解决问题的金钥匙，根据这个方程能够将有关两种载流子的 7 种不同参数推出，包含浓度、迁移率、分散长度和载流子寿数等。

能够说，这打破了霍尔效应呈现以来 140 年的沉寂，又将霍尔效应面向了运用的前沿阵地。理论上的打破还远远不够，还需求试验来验证和完成，怎么完成又是另一个故事了。光霍尔效应理论上需求很“纯洁”的霍尔信号，而太阳能电池，特别是文中选用的“钙钛矿（Perovskites）”资料的电导很小，会发作巨大的霍尔信号搅扰。

因而，Gunawan 选用了沟通（振动）磁场并衔接傅里叶剖析进行霍尔丈量。如下图，经过傅里叶变换，能够找到信号最显着的当地，再进行剖析就好，这就好像是在收音机中找你最喜欢的电台相同，其他频率都是噪声，而特定的频率就会有电台节目。

新的光霍尔效应或许能成为新的电学丈量东西，为电子资料的研讨翻开新的篇章，它将咱们应该用其他精密仪器分隔进行丈量的 7 种参数，一次丈量出来，大大增大功率。

关于光霍尔效应丈量，Gunawan 博士表明：“咱们还想了解更多，假如咱们选用的资料不是特制的，又或许这个公式中的资料模型并不如咱们假定相同抱负，应该怎么处理。更重要的是咱们必定要了解到这个办法的限制性，这套体系明显不能适用于金属。需求选用高能激光来激起金属中的电子，可是有必定的概率会在激起之前将金属熔化。咱们将致力于将这套体系的运用面推行，并将这个公式推出更一般化的定论。”

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