Pomiary efektu Halla DC i AC
Analiza efektu Halla materiału jest wykorzystywana w szczególności do określenia współczynnika Halla, a także koncentracji nośników ładunku, typu nośników ładunku i ruchliwości. Umożliwia to ocenę i optymalizację wydajności materiałów stosowanych w komponentach elektronicznych, np. w technologii termoelektrycznej, technologii ogniw słonecznych lub elektronice organicznej.
Efekt Halla występuje, gdy pole magnetyczne jest przyłożone prostopadle do przewodnika przewodzącego prąd i opisuje zjawisko powstawania napięcia, które jest prostopadłe zarówno do kierunku przepływu prądu, jak i pola magnetycznego. Napięcie to nazywane jest napięciem Halla, zwykle VH, i można je obliczyć w następujący sposób,
Z Van der Pauw idealne byłyby na przykład cztery styki punktowe w rogu idealnie jednolitej kwadratowej próbki. Współczynnik niewspółosiowości i napięcie wynosiłyby wtedy zero. Jednak w praktycznych pomiarach zwykle występują odchylenia od idealnego przypadku. Ponieważ podczas pomiarów stykają się ze sobą dwa materiały, a mianowicie materiał i materiał kontaktowy, występują również efekty termoelektryczne, które prowadzą do przesunięcia napięcia termoelektrycznego. Skutkuje to następującym równaniem dla zmierzonego napięcia Vm, gdzie α jest tak zwanym współczynnikiem przesunięcia.
Pola magnetyczne DC są zwykle używane do pomiarów Halla. W tym przypadku dwa występujące napięcia przesunięcia można wyeliminować poprzez odwrócenie pola magnetycznego i prądu. Napięcie termoelektryczne jest usuwane przez przełączenie prądu, a odwrócenie pola magnetycznego umożliwia usunięcie napięcia przesunięcia.
W materiałach o niskiej ruchliwości, zwłaszcza poniżej 1 cm2/Vs, napięcie przemieszczenia i napięcie termoelektryczne są znacznie wyższe w porównaniu do napięcia Halla,
Tak więc metoda pomiaru pola DC osiąga swoje granice, ponieważ niezwykle trudno jest wyodrębnić małe napięcie Halla z mierzonego napięcia całkowitego.
W tym przypadku ugruntowała się metoda prądu przemiennego, która oferuje lepsze rozwiązania do analizy właściwości materiałów o niskiej ruchliwości. Ponieważ napięcie Halla jest proporcjonalne do pola magnetycznego, napięcie Halla generowane przez zmienne pole magnetyczne jest również sygnałem prądu zmiennego.
Zaletą jest to, że napięcie sekwencji zerowej i napięcie termoelektryczne nie zależą od pola magnetycznego, a zatem są napięciami stałymi, dzięki czemu można je stosunkowo łatwo oddzielić. W eksperymencie zastosowanie wzmacniacza lock-in w elektronice pomiarowej umożliwia precyzyjne oddzielenie pożądanego sygnału AC od niepożądanego sygnału DC. W zmierzonym napięciu pojawia się jednak nowy człon, który jest proporcjonalny do pochodnej czasowej pola magnetycznego i indukcyjności próbki, a także do przewodów użytych w pomiarze. Zmierzone napięcie można zapisać w następujący sposób,
gdzie β oznacza stałą proporcjonalności. Ponieważ nowy człon jest niezależny od prądu, można go usunąć poprzez inwersję prądu. Jest on również 90° poza fazą z sygnałem AC, więc rozdzielczość fazowa we wzmacniaczu lock-in może wyeliminować ten nowy człon
