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Recherche sur les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite – Un nouveau monde de défis
L’effort à fournir pour augmenter la densité et les performances de l’appareil tout en réduisant la consommation électrique a poussé les chercheurs à se tourner vers des solides en 2 dimensions (2D) uniques offrant une excellente mobilité de porteur de charge et une meilleure conductivité, ainsi que vers les semi-conducteurs organiques et les circuits nanoélectroniques. La volonté d’utiliser des solutions de génération d’alimentation plus vertes pousse les investigations vers les superconducteurs à des températures supérieures et les semi-conducteurs de puissance qui sont essentiels à la conversion de puissance. Les matériaux tels que l’arséniure de gallium (GaAs) et le carbure de silicium (SiC) seront incontournables pour les futures technologies de transmission de puissance. La science des matériaux tient également une place centrale dans l’efficacité de la conversion et la puissance en sortie des cellules photovoltaïques. Tektronix et Keithley ont ouvert la voie en créant des instruments de test et de mesure parmi les plus sensibles au monde, permettant ainsi aux chercheurs, scientifiques et ingénieurs d'exploiter le potentiel de nouveaux matériaux.
Techniques pour effectuer des mesures reproductibles en matière de science des matériaux
Configuration de résistivité de sonde colinéaire quatre points.
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Technique de mesure avec une sonde quatre points
La recherche sur les matériaux semi-conducteurs et le test des dispositifs impliquent souvent de déterminer la résistivité et la mobilité de Hall d'un échantillon. La résistivité d'un matériau semi-conducteur dépend principalement du dopage du bloc. Dans un appareil, la résistivité peut affecter la capacité, la résistance série et la tension de seuil. La résistivité du semi-conducteur est souvent déterminée à l'aide d'une sonde quatre points. L’utilisation de quatre sondes élimine les erreurs de mesure dues à la résistance de la sonde, à la résistance d’étalement sous chaque sonde et à la résistance de contact entre chaque sonde métallique et le matériau semi-conducteur.
Méthode de mesure de résistivité van der Pauw
La résistivité des matériaux semi-conducteur est souvent déterminée au moyen de la technique van der Pauw (vdp). Cette méthode à quatre fils est utilisée sur de petits échantillons plats d'épaisseur uniforme avec quatre bornes. La méthode van der Pauw consiste à appliquer un courant et à mesurer la tension en utilisant quatre petits contacts sur la circonférence d'un échantillon plat de forme arbitraire et d'épaisseur uniforme. Cette méthode est particulièrement utile pour mesurer de très petits échantillons, car l'espacement géométrique des contacts n'est pas important. Les effets dus à la taille d'un échantillon, à savoir l'espacement approximatif des sondes, ne sont pas pertinents. Cette méthode permet de déterminer la résistivité à partir d'un total de huit mesures effectuées à la périphérie de l'échantillon.
Conventions en matière de résistivité van der Pauw.
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Mesures de résistivité à quatre sondes et de tension Hall avec le modèle 4200-SCS
Illustration de l'effet Hall.
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Mesures de l’effet Hall pour la caractérisation des matériaux
Mesures de l’effet Hall pour la caractérisation des matériaux
Les mesures de l’effet Hall sont importantes pour les matériaux semi-conducteurs. La tension Hall peut être mesurée avec un champ magnétique appliqué. Un système de mesure de l’effet Hall peut effectivement être utilisé pour déterminer un certain nombre de paramètres des matériaux, mais le principal est la tension Hall (VH). D’autres paramètres importants tels que la mobilité de l'onde porteuse, la concentration de l'onde porteuse (n), le coefficient de Hall (RH), la résistivité, la magnétorésistance (R) et le type de conductivité (N ou P) sont tous dérivés de la mesure de la tension de Hall. Les mesures de l'effet Hall sont utiles pour caractériser quasiment tous les matériaux utilisés dans la production de semi-conducteurs, tels que le silicium (Si) et le germanium (Ge), ainsi que la plupart des matériaux semi-conducteurs, notamment le silicium-germanium (SiGe), le carbure de silicium (SiC), l’arséniure de gallium (GaAs), l'arséniure d'aluminium et de gallium (AlGaAs), l'arséniure d'indium (InAs), l'arséniure d'indium-gallium (InGaAs), le phosphure d'indium (InP), le tellurure de cadmium (CdTe) et le tellurure de mercure-cadmium (HgCdTe).
