Yarıiletken Aygıt Karakterizasyonu için Arduino UNO Tabanlı Otomatik Hall/Direnç Ölçüm Sistem Tasarımı ve Uygulaması

Abstract

Bu çalışmada, yarıiletkenlerin aygıt karakterizasyonu için ortam koşullarına bağlı değişimlerde olası kullanıcı hatalarını, maliyet ve zahmeti azaltmak amacıyla Arduino UNO ile kontrol edilen otomatik Hall/Direnç (OHD) ölçüm sistem tasarımı yapılarak, çeşitli yarıiletken örnekler üzerinde kullanımı test edilmiştir. Geliştirilen bu sistemde yarıiletken örnek yüzeyinde oluşturulan Van der Pauw konfigürasyonundaki elektriksel kontaklar, on iki adet tek-kontak rölenin uygun olan çıkışlarına 8-bitlik kontrol sinyali ile yönlendirilmiştir. Bu işlem, uygun kontrol sinyalleri ile test edilen devre elemanının (DUT) belirli terminallerinden akım uygulanmasını ve bu akımın neden olduğu gerilim farkının ilgili kontaklar arasından ölçülmesini sağlamaktadır. Deneysel verilerin toplanması, istatiksel analiz ve gerekli diğer hesaplamalar ardışık olarak aynı bilgisayar programı içinde yapılabilmektedir. Dolayısıyla sistematik, hızlı ve güvenilir bir karakterizasyon yapılması mümkün hale gelmektedir. Tararlanan bu sistem ile seri şekilde yüzey direnci, özdirenç ile manyetik alan etkisindeki taşıyıcı konsantrasyonu, taşıyıcı türü, mobilite değerleri belirlenebilmektedir. Sistemin uygulamadaki performansı referans örnekler için test edildiğinde, elde edilen ölçüm sonuçları arasında oldukça iyi bir uyum olduğu gözlenmiştir. Diğer taraftan yeni tasarım ölçüm sistemi ile daha düşük maliyetli ve taşınabilir bir yapı oluşturulabilmiştir. Bu tasarlanan yeni OHD ölçüm sistemi yarıiletkenlerin sıcaklık, ışık şiddeti ve dalgaboyuna bağlı olarak karakterize edilmesi için de oldukça elverişli özelliklere sahiptir.

Keywords

• Hall mobilitesi
• Taşıyıcı konsantrasyonu
• Van der Pauw tekniği
• Yüzey direnci
• Arduino UNO

Arduino UNO Based Automated Hall/Resistance Measurement System Design and Application for Semiconductor Device Characterization

Abstract

In this study, to reduce potential user errors, cost, and effort due to changes in environmental conditions for device characterization of semiconductors an automatic Hall/Resistance (AHD) measurement system was designed with Arduino UNO and the system was tested on various semiconductor samples. In this developed system, electrical contacts in Van der Pauw configuration formed on the semiconductor sample surface directed to the appropriate outputs of twelve single-contact relays with an 8-bit control signal. This process ensures that current applied from certain terminals of the tested circuit element (DUT) with appropriate control signals and the voltage difference caused by this current measured between the relevant contacts. Collection of experimental data, statistical analysis, and other necessary calculations can be done sequentially in the same computer program. Therefore, a systematic, fast and reliable characterization becomes possible. With this designed system, surface resistance, resistivity, and carrier concentration under the influence of the magnetic field, carrier type, and mobility values can be determined in series. When the application performance of the system was tested for reference samples, it was observed that there was a very good agreement between the measurement results obtained. On the other hand, a lower cost and portable structure created with the new design measurement system. This new designed AHD measuring system also has very convenient properties for characterizing semiconductors based on temperature, light intensity, and wavelength.

Keywords

• Hall mobility
• Carrier concentration
• Van der pauw technique
• Sheet resistance
• Arduino UNO.

References

1. [1] Beck, W.A., Anderson, J.R. 1987. Determination of electrical transport properties using a novel magnetic field-dependent Hall technique, Journal of Applied Physics, Vol. 62, p. 541–554. DOI:10.1063/1.339780.
2. [2] Wernera, F. 2017. Hall measurements on low-mobility thin films. Journal of Applied Physics, Vol. 122, (13), p. 135306-(1-13). DOI:10.1063/1.4990470.
3. [3] Microchip. https://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega2560 (Erişim Tarihi: 06.12.2020).
4. [4] S. Ja’afaru, S., Dogara, M.D., Isaac, H.D., Gyuk, P.M., Iyen, C. 2018. Comparison Between a Constructed Arduino Based System and Keithley Sourcemeter 2400 on Some Electronics Devıces, Science World Journal, Vol.13, No(2), p.55-57.
5. [5] Guvench, S., Denton, M., Rollins, M., Guvench, M. 2000, Automated Semiconductor Device/Sensor Measurement System For Temperature And Magnetic Field Characterization, 2000 Annual Conference, 18-21.06.2000, St. Louis, Missouri, p. 5.119.1 - 5.119.8, DOI: 10.18260/1-2--8177.
6. [6] Güngör T , Uslu B , Güngör E , Böbrek A. 2019. Arduino Tabanlı Döndürerek İnce Film Kaplama Sistemi Tasarımı ve MgO İnce Film Üretimi, Uluslararası Mühendislik Tasarım ve Teknoloji Dergisi, Cilt 1. (1), s. 31-35.
7. [7] Van der Pauw, L. J., 1958. A method of measuring specifc resistivity and Hall efect of discs of arbitrary shape. Philips Research Reports, Vol. 13, p.1–9.
8. [8] Van der Pauw, L. J., 1958/1959. A. Method of measuring the resistivity and hall coefcient on lamellae of arbitrary shape. Philips Research Reports, Vol.20, p.220–224.

9. [9] NIST, https://www.nist.gov/pml/nanoscale-device-characterization-division/popular-links/hall-effect (Erişim Tarihi: 06.12.2020).
10. [10] El-Hinnawy, N. https://www.microwaves101.com/encyclopedias/van-der-pauw-measurements (Erişim Tarihi: 06.12.2020).
11. [11] Kasl, C. Kasl, M.J.R. 2005. Efects of sample thickness on the van der Pauw technique for resistivity measurements. Review of Scientific Instruments, Vol. 76, p033907-(1-4). DOI:10.1063/1.1866232.
12. [12] Smith, B. J., Chwang, R.,Crowell, C. R. 1974. Contact size efects on the van der Pauw method for resistivity and Hall coefcient measurement. Solid-State Electronics, Vol. 17, p-1217-1227. DOI:10.1016/0038-1101(74)90001-X.
13. [13] Koon, D.W. 1989. Efect of contact size and placement, and of resistive inhomogeneities on van der Pauw measurements. Review of Scientific Instruments, Vol. 60, p 271-274. DOI:10.1063/1.1140422.
14. [14] Wu, B., Huang X., Han, Y., Gao, C., Peng, G., Liu, C., Wang, Y., Cul, X., Zou, G. 2010. Finite element analysis of the efect of electrodes placement on accurate resistivity measurement in a diamond anvil cell with van der Pauw technique. Journal of Applied Physics, Vol. 107, p-104903-(1-4). DOI:10.1063/1.3374466.
15. [15] Matsumura, T., Sato, Y.A. 2010. Theoretical study on van der Pauw measurement values of inhomogeneous compound semiconductor thin flms. J. Mod. Phys. Vol. 1, p340-347.DOI:10.4236/jmp.2010.15048.
16. [16] Reveil, M., Sorg, V.c, Cheng, E.R., Ezzyat, T., Clancy, P., Michael, O.T. 2017. Finite element and analytical solutions for van der Pauw and four-point probe correction factors when multiple non-ideal measurement conditions coexist. Review of Scientific Instruments, Vol. 88, p094704-(1-12). DOI:10.1063/1.5001830.
17. [17] Hall, E.H. 1879. On a New Action of the Magnet on Electrical Current. The American Journal of Mathematics, Vol. 2, p-287-292. DOI:10.2307/2369245.
18. [18] Ausserlechner, U. 2016. Closed form expressions for sheet resistance and mobility from Van-der-Pauw measurement on 90° symmetric devices with four arbitrary contacts. Solid-State Electronics, Vol. 116, p-46-55. DOI: 10.1016/j.sse.2015.11.030.