ترجمة مقالة لمؤلفين من IBM Research.
سيسمح لنا التقدم المهم في الفيزياء بدراسة الخصائص الفيزيائية لأشباه الموصلات بتفصيل أكبر. قد يساعد هذا في تسريع تطوير الجيل التالي من تكنولوجيا أشباه الموصلات.
المؤلفون:
— عضو هيئة التدريس بشركة IBM للأبحاث
دوغ بيشوب - مهندس التوصيف، أبحاث IBM
تعد أشباه الموصلات اللبنات الأساسية لعصر الإلكترونيات الرقمية اليوم، حيث تزودنا بمجموعة متنوعة من الأجهزة التي تفيد حياتنا الحديثة، مثل أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية وغيرها من الأجهزة المحمولة. كما تعمل التحسينات في وظائف وأداء أشباه الموصلات على تمكين تطبيقات أشباه الموصلات من الجيل التالي في الحوسبة والاستشعار وتحويل الطاقة. لقد ناضل الباحثون منذ فترة طويلة للتغلب على القيود المفروضة على قدرتنا على الفهم الكامل للشحنات الإلكترونية داخل أجهزة أشباه الموصلات ومواد أشباه الموصلات المتقدمة التي تعيق قدرتنا على المضي قدمًا.
في دراسة جديدة في المجلة يصف التعاون البحثي الذي تقوده شركة IBM Research تقدمًا مثيرًا في حل لغز عمره 140 عامًا في الفيزياء، وهو ما سيسمح لنا بدراسة الخصائص الفيزيائية لأشباه الموصلات بتفصيل أكبر بكثير ويتيح تطوير مواد أشباه الموصلات جديدة ومحسنة.
لفهم فيزياء أشباه الموصلات حقًا، يجب علينا أولاً أن نفهم الخصائص الأساسية لحاملات الشحنة داخل المواد، سواء كانت جسيمات سالبة أو موجبة، وسرعتها في المجال الكهربائي المطبق، ومدى كثافتها داخل المادة. وجد الفيزيائي إدوين هول طريقة لتحديد هذه الخصائص في عام 1879 عندما اكتشف أن المجال المغناطيسي سوف يحرف حركة شحنات الإلكترون داخل الموصل، وأنه يمكن قياس مقدار الانحراف على أنه فرق الجهد المتعامد مع التدفق الاتجاهي للشحنات المشحونة. الجسيمات، كما هو مبين في الشكل 1A. يكشف هذا الجهد، المعروف باسم جهد هول، عن معلومات مهمة حول حاملات الشحنة في شبه الموصل، بما في ذلك ما إذا كانت إلكترونات سالبة أو أشباه جسيمات موجبة تسمى "الثقوب"، أو مدى سرعة تحركها في المجال الكهربائي، أو "قابليتها للتنقل" (μ). ) وتركيزها (ن) داخل شبه الموصل.
لغز عمره 140 عاما
بعد عقود من اكتشاف هول، اكتشف الباحثون أيضًا أنه يمكنهم إجراء قياسات لتأثير هول باستخدام الضوء، في تجارب تسمى فوتو هول، انظر الشكل 1ب. في مثل هذه التجارب، تولد الإضاءة الضوئية حاملات متعددة، أو أزواج ثقب الإلكترون، في أشباه الموصلات. ولسوء الحظ، فإن فهمنا لتأثير هول الأساسي قد وفر نظرة ثاقبة فقط على حاملات الشحن الأغلبية (أو الأغلبية). لم يتمكن الباحثون من استخراج المعلمات من كلا الوسائط (الرئيسية وغير الرئيسية) في وقت واحد. تعتبر هذه المعلومات أساسية للعديد من التطبيقات المتعلقة بالضوء، مثل الألواح الشمسية وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الضوئية.
دراسة مجلة أبحاث آي بي إم يكشف عن أحد أسرار تأثير هول التي تم الاحتفاظ بها منذ فترة طويلة. اكتشف باحثون من المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST)، ومعهد الأبحاث الكوري للتكنولوجيا الكيميائية (KRICT)، وجامعة ديوك، وشركة IBM صيغة وتقنية جديدة تسمح لنا باستخراج المعلومات حول العناصر الأساسية وغير الأساسية في وقت واحد. الناقلات، مثل تركيزها وحركتها، بالإضافة إلى الحصول على معلومات إضافية حول عمر الناقل وطول الانتشار وعملية إعادة التركيب.
وبشكل أكثر تحديدًا، في تجربة Photo-Hall، تساهم كلتا الحاملتين في حدوث تغييرات في الموصلية (σ) ومعامل Hall (H، بما يتناسب مع نسبة جهد Hall إلى المجال المغناطيسي). تأتي الأفكار الرئيسية من قياس الموصلية ومعامل هول كدالة لشدة الضوء. يُظهر المخفي في شكل منحنى معامل التوصيل-Hall (σ-H) معلومات جديدة بشكل أساسي: الفرق في حركة كلتا الناقلتين. وكما تمت مناقشته في المقال، يمكن التعبير عن هذه العلاقة بشكل أنيق:
$$display$$ Δμ = d (σ²H)/dσ$$display$$
بدءًا من كثافة الموجة الحاملة للأغلبية المعروفة من قياس القاعة التقليدي في الظلام، يمكننا الكشف عن حركة وكثافة الموجة الحاملة للأغلبية والأقلية كدالة لشدة الضوء. أطلق الفريق على طريقة القياس الجديدة اسم: قاعة الصور ذات الدقة الحاملة (CRPH). ومع شدة الإضاءة الضوئية المعروفة، يمكن تحديد عمر الحامل بطريقة مماثلة. لقد تم إخفاء هذا الارتباط وحلوله لمدة قرن ونصف تقريبًا منذ اكتشاف تأثير هول.
وبصرف النظر عن التقدم في هذا الفهم النظري، فإن التقدم في الأساليب التجريبية يعد أيضًا أمرًا بالغ الأهمية لتمكين هذا الأسلوب الجديد. تتطلب الطريقة قياسًا خالصًا لإشارة Hall، وهو ما قد يكون صعبًا بالنسبة للمواد التي تكون فيها إشارة Hall ضعيفة (على سبيل المثال، بسبب انخفاض الحركة) أو عند وجود إشارات إضافية غير مرغوب فيها، كما هو الحال مع إشعاع الضوء القوي. للقيام بذلك، من الضروري إجراء قياس هول باستخدام مجال مغناطيسي متذبذب. تمامًا كما هو الحال عند الاستماع إلى الراديو، تحتاج إلى تحديد تردد المحطة المطلوبة، والتخلص من جميع الترددات الأخرى التي تعمل كضوضاء. تذهب طريقة CRPH خطوة أخرى إلى الأمام وتختار ليس فقط التردد المطلوب ولكن أيضًا مرحلة المجال المغناطيسي المتذبذب باستخدام طريقة تسمى الاستشعار المتزامن. إن مفهوم قياس هول المتذبذب معروف منذ زمن طويل، لكن الطريقة التقليدية المتمثلة في استخدام نظام من الملفات الكهرومغناطيسية لتوليد مجال مغناطيسي متذبذب كانت غير فعالة.
الاكتشاف السابق
وكما يحدث غالبًا في العلوم، فإن التقدم في مجال ما يكون مدفوعًا باكتشافات في مجال آخر. في عام 2015، أبلغت أبحاث IBM عن ظاهرة غير معروفة سابقًا في الفيزياء مرتبطة بتأثير حبس المجال المغناطيسي الجديد يسمى تأثير "سنام الجمل"، والذي يحدث بين خطين من ثنائيات القطب المستعرضة عندما يتجاوزان الطول الحرج، كما هو موضح في الشكل 2 أ. يعد هذا التأثير ميزة أساسية تتيح إنشاء نوع جديد من المصيدة المغناطيسية الطبيعية تسمى مصيدة خط ثنائي القطب المتوازي (PDL trap)، كما هو موضح في الشكل 2ب. يمكن استخدام مصيدة PDL المغناطيسية كمنصة جديدة لمجموعة متنوعة من تطبيقات الاستشعار مثل مقياس الميل ومقياس الزلازل (مستشعر الزلازل). يمكن لأنظمة الاستشعار الجديدة هذه، إلى جانب تقنيات البيانات الضخمة، أن تفتح العديد من التطبيقات الجديدة، ويتم استكشافها من قبل فريق أبحاث IBM الذي يقوم بتطوير منصة لتحليل البيانات الضخمة تسمى IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS)، والتي تحتوي على ثروة من المعلومات الجغرافية المكانية. وبيانات إنترنت الأشياء (IoT).
والمثير للدهشة أن نفس عنصر PDL له تطبيق فريد آخر. عند تدويره، فإنه بمثابة نظام تجربة قاعة الصور المثالي للحصول على تذبذب توافقي أحادي الاتجاه ونقي للمجال المغناطيسي (الشكل 2C). والأهم من ذلك، أن النظام يوفر مساحة كافية للسماح بإضاءة مساحة واسعة من العينة، وهو أمر بالغ الأهمية في تجارب قاعة الصور.
تأثير
تسمح لنا طريقة قاعة الصور الجديدة التي قمنا بتطويرها باستخراج كمية مذهلة من المعلومات من أشباه الموصلات. وعلى النقيض من ثلاثة معلمات فقط تم الحصول عليها في قياس هول الكلاسيكي، فإن هذه الطريقة الجديدة تنتج ما يصل إلى سبعة معلمات في كل من شدة الضوء التي تم اختبارها. وهذا يشمل حركة كل من الإلكترونات والثقوب؛ تركيز الناقل تحت تأثير الضوء. عمر إعادة التركيب؛ وطول الانتشار للإلكترونات والثقوب والأنواع ثنائية القطب. كل هذا يمكن تكراره N مرات (أي عدد معلمات شدة الضوء المستخدمة في التجربة).
سيساعد هذا الاكتشاف والتكنولوجيا الجديدة على تعزيز التقدم في أشباه الموصلات في كل من التقنيات الحالية والناشئة. لدينا الآن المعرفة والأدوات اللازمة لاستخراج الخصائص الفيزيائية للمواد شبه الموصلة بقدر كبير من التفصيل. على سبيل المثال، سوف يساعد في تسريع تطوير الجيل التالي من تكنولوجيا أشباه الموصلات، مثل الألواح الشمسية الأفضل، والأجهزة الإلكترونية الضوئية الأفضل، والمواد والأجهزة الجديدة لتقنيات الذكاء الاصطناعي.
تم نشر المقال في 7 أكتوبر 2019 في .
ترجمة: نيكولاي مارين ()، كبير مسؤولي التكنولوجيا في شركة IBM في روسيا ودول رابطة الدول المستقلة.
المصدر: www.habr.com