IBM Research-dən müəlliflərin məqaləsinin tərcüməsi.
Fizikada əhəmiyyətli bir irəliləyiş yarımkeçiricilərin fiziki xüsusiyyətlərini daha ətraflı öyrənməyə imkan verəcəkdir. Bu, yeni nəsil yarımkeçirici texnologiyanın inkişafını sürətləndirməyə kömək edə bilər.
Müəlliflər:
— Personal Üzvü, IBM Research
Doug Bishop - Xarakterləşdirmə Mühəndisi, IBM Research
Yarımkeçiricilər bugünkü rəqəmsal elektron əsrin əsas tikinti bloklarıdır və bizə kompüterlər, smartfonlar və digər mobil cihazlar kimi müasir həyatımıza fayda verən müxtəlif cihazlar təqdim edir. Yarımkeçiricilərin funksionallığı və performansındakı təkmilləşdirmələr həmçinin hesablama, hissetmə və enerji çevrilməsində yeni nəsil yarımkeçirici tətbiqlərə imkan verir. Tədqiqatçılar yarımkeçirici cihazların və qabaqcıl yarımkeçirici materialların içərisindəki elektron yükləri tam başa düşmək qabiliyyətimizdəki məhdudiyyətləri aradan qaldırmaq üçün uzun müddət mübarizə apardılar.
Jurnalda yeni bir araşdırmada IBM Research-in rəhbərlik etdiyi tədqiqat əməkdaşlığı fizikada 140 illik sirrin həllində maraqlı sıçrayışı təsvir edir ki, bu da bizə yarımkeçiricilərin fiziki xüsusiyyətlərini daha ətraflı öyrənməyə və yeni və təkmilləşdirilmiş yarımkeçirici materialların hazırlanmasına imkan verəcək.
Yarımkeçiricilərin fizikasını həqiqətən başa düşmək üçün ilk növbədə materialların içərisində yük daşıyıcılarının əsas xassələrini, onların mənfi və ya müsbət hissəciklər olub-olmamasını, tətbiq olunan elektrik sahəsində sürətini və materialın içərisində nə qədər sıx yığıldığını başa düşməliyik. Fizik Edvin Hall 1879-cu ildə bir maqnit sahəsinin keçirici daxilində elektron yüklərinin hərəkətini əyri edəcəyini və əyilmənin miqdarının yüklülərin istiqamətli axınına perpendikulyar olan potensial fərq kimi ölçülə biləcəyini aşkar etdikdə bu xassələri təyin etməyin bir yolunu tapdı. hissəciklər, Şəkil 1a-da göstərildiyi kimi. Hall gərginliyi kimi tanınan bu gərginlik yarımkeçiricidəki yük daşıyıcıları, o cümlədən onların mənfi elektronlar və ya “deşiklər” adlanan müsbət kvazirəciklər olub-olmaması, elektrik sahəsində nə qədər sürətlə hərəkət etdikləri və ya onların “hərəkətliliyi” (µ) haqqında əhəmiyyətli məlumatları ortaya qoyur. ), və yarımkeçirici daxilində onların konsentrasiyası (n).
140 illik sirr
Hollin kəşfindən onilliklər sonra tədqiqatçılar həmçinin işıqla Hall effektini ölçə biləcəklərini kəşf etdilər - foto-Hall adlı təcrübələr, Şəkil 1b-ə baxın. Belə təcrübələrdə işığın işıqlandırılması yarımkeçiricilərdə çoxlu daşıyıcı və ya elektron-deşik cütləri yaradır. Təəssüf ki, əsas Hall effekti haqqında anlayışımız yalnız əksər (və ya çoxluq) yük daşıyıcıları haqqında məlumat verdi. Tədqiqatçılar eyni vaxtda hər iki mediadan (əsas və əsas olmayan) parametrləri çıxara bilmədilər. Bu cür məlumatlar günəş panelləri və digər optoelektronik cihazlar kimi bir çox işıqla əlaqəli tətbiqlər üçün açardır.
IBM Research jurnalının araşdırması Hall effektinin çoxdan saxlanılan sirlərindən birini açır. Koreya Qabaqcıl Elm və Texnologiya İnstitutundan (KAIST), Koreya Tədqiqat Kimya Texnologiyaları İnstitutundan (KRICT), Duke Universitetindən və IBM-dən olan tədqiqatçılar bizə eyni vaxtda əsas və qeyri-əsas məlumatlar haqqında məlumat çıxarmağa imkan verən yeni düstur və texnika kəşf ediblər. onların konsentrasiyası və hərəkətliliyi kimi daşıyıcıları, həmçinin daşıyıcının ömrü, diffuziya uzunluğu və rekombinasiya prosesi haqqında əlavə məlumat əldə edir.
Daha dəqiq desək, foto-Hall təcrübəsində hər iki daşıyıcı keçiricilik (σ) və Hall əmsalında (H, Hall gərginliyinin maqnit sahəsinə nisbətinə mütənasib) dəyişikliklərə töhfə verir. Əsas anlayışlar işığın intensivliyinin funksiyası kimi keçiriciliyin və Hall əmsalının ölçülməsindən əldə edilir. Keçiricilik-Hall əmsalı əyrisi (σ-H) şəklində gizlədilmiş prinsipcə yeni məlumatları göstərir: hər iki daşıyıcının hərəkətliliyindəki fərq. Məqalədə müzakirə edildiyi kimi, bu əlaqə zərif şəkildə ifadə edilə bilər:
$$ekran$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$ekran$$
Qaranlıqda ənənəvi Hall ölçülməsindən məlum olan əksər daşıyıcı sıxlığından başlayaraq, işıq intensivliyinin funksiyası olaraq həm çoxluq, həm də azlıq daşıyıcısının hərəkətliliyini və sıxlığını aşkar edə bilərik. Komanda yeni ölçmə metodunu adlandırdı: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). İşıqlandırmanın məlum intensivliyi ilə daşıyıcının ömrü oxşar şəkildə müəyyən edilə bilər. Bu əlaqə və onun həlli yolları Holl effektinin kəşfindən sonra demək olar ki, əsr yarım ərzində gizlədilib.
Bu nəzəri anlayışda irəliləyişlərlə yanaşı, eksperimental metodlardakı irəliləyişlər də bu yeni metodu işə salmaq üçün çox vacibdir. Metod Hall siqnalının təmiz ölçülməsini tələb edir ki, bu da Hall siqnalının zəif olduğu materiallar üçün (məsələn, aşağı hərəkətliliyə görə) və ya güclü işıq şüalanması ilə olduğu kimi əlavə arzuolunmaz siqnallar mövcud olduqda çətin ola bilər. Bunun üçün salınan maqnit sahəsindən istifadə edərək Hall ölçmə aparmaq lazımdır. Radioya qulaq asarkən olduğu kimi, səs-küy kimi fəaliyyət göstərən bütün digər tezlikləri ataraq, istədiyiniz stansiyanın tezliyini seçməlisiniz. CRPH metodu bir addım daha irəli gedir və sinxron algılama adlanan metoddan istifadə etməklə təkcə istədiyiniz tezliyi deyil, həm də salınan maqnit sahəsinin fazasını seçir. Salınan Hall ölçülərinin bu konsepsiyası çoxdan məlumdur, lakin salınan maqnit sahəsi yaratmaq üçün elektromaqnit bobinlər sistemindən istifadənin ənənəvi üsulu təsirsiz idi.
Əvvəlki kəşf
Elmdə tez-tez baş verdiyi kimi, bir sahədəki irəliləyişlər başqa bir sahədəki kəşflərdən qaynaqlanır. 2015-ci ildə IBM Research, Şəkil 2a-da göstərildiyi kimi, kritik uzunluğu keçdikdə iki eninə dipol xətti arasında baş verən “dəvə donqar” effekti adlanan yeni maqnit sahəsinin məhdudlaşdırılması effekti ilə bağlı fizikada əvvəllər naməlum bir fenomeni bildirdi. Effekt Şəkil 2b-də göstərildiyi kimi paralel dipol xətti tələsi (PDL tələsi) adlanan yeni növ təbii maqnit tələsinə imkan verən əsas xüsusiyyətdir. Maqnit PDL tələsi tiltmetr, seysmometr (zəlzələ sensoru) kimi müxtəlif sensor tətbiqləri üçün yeni platforma kimi istifadə edilə bilər. Böyük verilənlər texnologiyaları ilə birləşən bu cür yeni sensor sistemləri bir çox yeni proqramlar aça bilər və IBM Tədqiqat qrupu tərəfindən çoxlu coğrafi məkan məlumatları ehtiva edən IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS) adlı böyük verilənlər analitikası platforması işlənib hazırlanır. və Əşyaların İnterneti məlumatları (IoT).
Təəccüblüdür ki, eyni PDL elementinin başqa bir unikal tətbiqi var. Döndürüldükdə, maqnit sahəsinin bir istiqamətli və təmiz harmonik salınımını əldə etmək üçün ideal foto-Zal eksperiment sistemi kimi xidmət edir (Şəkil 2c). Daha da əhəmiyyətlisi, sistem nümunənin geniş sahəsini işıqlandırmaq üçün kifayət qədər yer təmin edir ki, bu da foto Hall təcrübələrində vacibdir.
Təsir
Hazırladığımız yeni foto-zal üsulu yarımkeçiricilərdən heyrətamiz miqdarda məlumat çıxarmağa imkan verir. Klassik Hall ölçməsində əldə edilən yalnız üç parametrdən fərqli olaraq, bu yeni üsul sınaqdan keçirilmiş işıq intensivliyinin hər birində yeddi parametrə qədər verir. Buraya həm elektronların, həm də dəliklərin hərəkətliliyi daxildir; işığın təsiri altında onların daşıyıcısının konsentrasiyası; rekombinasiya ömrü; elektronlar, deşiklər və ambipolyar tiplər üçün diffuziya uzunluğu. Bütün bunlar N dəfə təkrarlana bilər (yəni təcrübədə istifadə olunan işıq intensivliyi parametrlərinin sayı).
Bu yeni kəşf və texnologiya həm mövcud, həm də inkişaf edən texnologiyalarda yarımkeçirici irəliləyişləri inkişaf etdirməyə kömək edəcək. İndi yarımkeçirici materialların fiziki xüsusiyyətlərini ətraflı şəkildə çıxarmaq üçün lazım olan bilik və alətlərə sahibik. Məsələn, bu, daha yaxşı günəş panelləri, daha yaxşı optoelektronik cihazlar və süni intellekt texnologiyaları üçün yeni materiallar və cihazlar kimi yeni nəsil yarımkeçirici texnologiyanın inkişafını sürətləndirməyə kömək edəcək.
7 oktyabr 2019-cu ildə dərc olunmuş məqalə .
Tərcümə: Nikolay Marin (), IBM-in Rusiya və MDB ölkələrində baş texnologiya direktoru.
Mənbə: www.habr.com