新发现：光可测量材料中不同载流子的霍尔效应_风闻

**撰文 |**二宗主

来源：原理

在发现霍尔效应数十年之后，人们意识到，利用光也可以进行霍尔效应测量，这就是所谓的光霍尔实验。然而，由于对霍尔效应的理解局限，标准的霍尔效应测量只能让科学家对占大多数的电荷载流子有所了解，而无法同时获取两种载流子的特性。

就在最近，科学家发现一种新技术——载流子解析光霍尔测量，它能够同时提取半导体中的多数和少数载流子信息，也就是能同时获得电子和空穴的密度、迁移率等信息，从而解决了长期存在于固体物理学中的“光霍尔双载流子传输”问题。

半导体是支撑着当今数字时代的基本构成部分。可以说，如果没有半导体，许多用于生活和工作的设备，包括计算机、智能手机和其他移动设备，都将无法使用。半导体在功能和性能上的不断改进，使得更新一代的计算、传感和能量转换成为可能。然而长久以来，一个与半导体有关的问题一直困扰着科学家，那就是我们无法完全理解半导体器件和先进的半导体材料内部的电荷方面的局限性，因为这种局限影响了半导体研究的进一步发展。

在一项新的研究中，物理学家作出了一项与一个已经被发现了140年之久的现象——霍尔效应——有关的突破，这一突破使得我们可以更加详尽地了解半导体的物理特性，对研发和改进半导体材料有着重大意义。

1

要真正理解半导体物理学，我们首先需要了解材料内部电荷载流子的基本性质，比如这些载流子所带的电荷为正还是负，在外电场的作用下速度如何，在半导体材料中有着怎样的密度等等。

1879年，埃德温·霍尔（Edwin Hall）发现了一种可以确定这些属性的方法。当时，他发现导体中的电荷运动会在磁场的作用下发生偏转，如果电流和磁场彼此成直角，洛伦兹力就会使带电粒子向一边偏转，一个垂直于电流和磁场方向的电压就会开始增加，这个电压就被称为霍尔电压。

霍尔效应：B代表磁场，E代表电场。这一概念解锁了许多电荷载流子在半导体中的基本信息，包括它们是否是负电子，或者说是被称为“空穴”的正准粒子，它们在电场中的移动速度（或它们的“迁移率”，μ），以及在半导体中的密度（n）。

在发现霍尔效应的几十年后，有研究人员意识到利用光也可以进行霍尔效应测量，即所谓的光霍尔实验（如下图）。在这些实验中，光照会在半导体中产生多个电荷载流子，或者说是电子-空穴对。只可惜，由于对霍尔效应的理解局限，标准的霍尔效应测量只能让科学家对占大多数的电荷载流子（取决于材料是n型还是p型）有所了解。

长期以来，他们一直无法同时获取两种载流子（多数和少数）的特性。但是两种载流子都会导致电导率（σ）和霍尔系数（H，正比于霍尔电压与磁场的比值）发生变化。因此这些信息对许多与光相关的应用（如太阳能电池、光电设备）都至关重要。

2

在新的论文中，一个国际合作的科研团队发现了一种新的技术，能够同时提取半导体中的多数和少数载流子信息，也就是能同时获得电子和空穴的密度、迁移率等信息。不仅如此，这种方法还能获取到与载流子寿命、载流子扩散长度以及复合过程有关的信息。

他们的发现可以用一个简洁的方程来表达，即

这个公式能告诉我们，在霍尔效应下，当半导体被光照射时，半导体中空穴和电子的迁移率之差。这是他们通过在不同的光强下测量电导率和霍尔系数而得到的结果。它的发现解决了长期存在于固体物理学中的“光霍尔双载流子传输”问题。

研究人员将这项新技术命名为载流子解析光霍尔（CRPH）测量。这种方法使得我们可以在已知的光照强度的情况下，求得载流子寿命。自霍尔效应被发现以来，这种关系和相关的解决方案已经被隐藏了将近一个半世纪。

有了这一发现，科学家就可以使用除了电场和磁场之外的物理学中最常见的激发源——光——来对半导体材料进行更加全面的了解。

3

除了在理论上的突破之外，在实验技术上的进步对实现这项新技术也至关重要。这项技术需要一个非常“干净”的霍尔信号测量，这一要求对于霍尔信号较弱的材料（迁移率低）或当有额外的干扰信号存在时（例如在强光照下）来说会是一个挑战。因此，他们需要使用交流（振荡）磁场进行霍尔测量。就像听收音机时一样，必须选择想要的电台频率，同时拒绝所有其他会成为噪音的频率。

CRPH技术更进了一步，它不仅可以选择所需的频率，而且还用一种称为锁相检测的技术来选择振荡磁场的相位。交流霍尔测量的概念其实早就已经存在，但传统的利用电磁线圈产生交流磁场的方法效率非常的低。

在此之前，我们必须使用各种不同的工具才能获得上面提到的七个参数中的一部分，而且由于这些技术不使用稳态光照明，因此分析结果往往很复杂。新的CRPH技术可以让我们在每次测试中，从单一的样本上获得所有七个参数的光强度函数。

4

新的光霍尔技术或许能为电子材料研究掀开新的篇章，它能让我们从半导体中提取出数量惊人的信息，其中包括电子和空穴的迁移率、它们的载流子密度、复合寿命、以及电子、空穴和双极性类型的扩散长度。而在此之前，要获得这些参数的信息必须使用各种不同的工具来才有可能。

这一新发现和技术将有助于推动半导体在现有和新兴技术方面的进步，它让我们拥有了获取半导体材料物理特性所需的知识和工具。例如，这将有助于加速下一代半导体技术的发展，如更好的太阳能电池、更好的光电子器件以及用于人工智能技术的新材料和器件。

参考来源

https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/physics-photo-hall-effect/

https://physicsworld.com/a/new-equation-unlocks-140-year-old-hall-effect-secret/

本文经授权转载自微信公众号“原理”。

特 别 提 示

1. 进入『返朴』微信公众号底部菜单“精品专栏“，可查阅不同主题系列科普文章。

2. 『返朴』提供按月检索文章功能。关注公众号，回复四位数组成的年份+月份，如“1903”，可获取2019年3月的文章索引，以此类推。