Pag-abli sa usa ka 140 ka tuig nga sekreto sa pisika

Paghubad sa usa ka artikulo sa mga tagsulat gikan sa IBM Research.

Usa ka importante nga kalampusan sa pisika magtugot kanato sa pagtuon sa pisikal nga mga kinaiya sa mga semiconductor sa mas dako nga detalye. Mahimong makatabang kini nga mapadali ang pag-uswag sa sunod nga henerasyon nga teknolohiya sa semiconductor.

Mga tagsulat:
Oki Gunawan - Staff Member, IBM Research
Doug Bishop - Characterization Engineer, IBM Research

Ang mga semiconductor mao ang sukaranan nga mga bloke sa pagtukod sa karon nga digital nga elektronik nga edad, nga naghatag kanamo sa lainlaing mga aparato nga makabenepisyo sa among modernong kinabuhi, sama sa mga kompyuter, smartphone ug uban pang mga mobile device. Ang mga pagpaayo sa semiconductor functionality ug performance makapahimo usab sa sunod nga henerasyon nga semiconductor applications sa computing, sensing, ug energy conversion. Ang mga tigdukiduki dugay nang nanlimbasug sa pagbuntog sa mga limitasyon sa atong abilidad nga hingpit nga masabtan ang mga electronic charges sulod sa mga semiconductor device ug advanced semiconductor nga mga materyales nga nagpugong sa atong abilidad sa pagpadayon.

Sa usa ka bag-ong pagtuon sa journal Kinaiyahan Ang usa ka kolaborasyon sa panukiduki nga gipangulohan sa IBM Research naghulagway sa usa ka kulbahinam nga kalampusan sa pagsulbad sa usa ka 140 ka tuig nga misteryo sa pisika, usa nga magtugot kanato sa pagtuon sa pisikal nga mga kinaiya sa mga semiconductor sa mas dako nga detalye ug makahimo sa pagpalambo sa bag-o ug gipaayo nga mga materyales sa semiconductor.

Aron tinuod nga masabtan ang pisika sa mga semiconductor, kinahanglan una natong masabtan ang sukaranan nga mga kabtangan sa mga tagdala sa bayad sulod sa mga materyales, negatibo man o positibo nga mga partikulo, ang ilang katulin sa usa ka gipadapat nga natad sa kuryente, ug kung unsa kini ka dasok sa sulod sa materyal. Ang pisiko nga si Edwin Hall nakakaplag ug paagi sa pagtino niini nga mga kabtangan niadtong 1879 sa dihang iyang nadiskobrehan nga ang usa ka magnetic field mopatipas sa paglihok sa mga singil sa elektron sulod sa usa ka konduktor, ug nga ang gidaghanon sa pagtipas mahimong masukod ingon nga ang potensyal nga kalainan tul-id sa direksiyon nga dagan sa gikargahan. mga partikulo, ingon sa gipakita sa Figure 1a. Kini nga boltahe, nailhan nga boltahe sa Hall, nagpadayag sa mahinungdanong impormasyon bahin sa mga tigdala sa karga sa semiconductor, lakip na kon sila mga negatibo nga electron o positibo nga mga quasiparticle nga gitawag og "mga lungag," unsa ka paspas ang ilang paglihok sa usa ka electric field, o ang ilang "mobility" (µ ), ug ang ilang konsentrasyon (n) sulod sa semiconductor.

140-anyos nga misteryo

Mga dekada human sa pagkadiskobre ni Hall, nadiskobrehan usab sa mga tigdukiduki nga makahimo sila sa pagsukod sa epekto sa Hall gamit ang kahayag—mga eksperimento nga gitawag ug photo-Hall, tan-awa ang Figure 1b. Sa ingon nga mga eksperimento, ang kahayag sa kahayag makamugna og daghang mga carrier, o mga pares sa electron-hole, sa mga semiconductor. Ikasubo, ang among pagsabut sa sukaranan nga epekto sa Hall nakahatag ug panabut sa kadaghanan (o kadaghanan) nga mga tagdala sa bayad. Ang mga tigdukiduki wala makahimo sa pagkuha sa mga parameter gikan sa duha ka media (major ug non-major) nga dungan. Ang ingon nga kasayuran hinungdanon alang sa daghang mga aplikasyon nga may kalabotan sa kahayag, sama sa mga solar panel ug uban pang mga aparato nga optoelectronic.

Pagtuon sa magasin sa IBM Research Kinaiyahan nagpadayag sa usa sa dugay nang gitago nga mga sekreto sa epekto sa Hall. Ang mga tigdukiduki gikan sa Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke University, ug IBM nakadiskobre og bag-ong pormula ug teknik nga nagtugot kanato sa dungan nga pagkuha sa impormasyon mahitungod sa sukaranan ug dili sukaranan. carriers, sama sa ilang konsentrasyon ug paglihok, ingon man usab sa pagkuha sa dugang nga impormasyon mahitungod sa tibuok kinabuhi sa carrier, pagsabwag gitas-on ug sa recombination proseso.

Labaw nga espesipiko, sa usa ka eksperimento sa photo-Hall, ang duha nga mga carrier nakatampo sa mga pagbag-o sa conductivity (σ) ug Hall coefficient (H, proporsyonal sa ratio sa Hall boltahe sa magnetic field). Ang importante nga mga insight naggikan sa pagsukod sa conductivity ug Hall coefficient isip function sa light intensity. Gitago sa porma sa conductivity-Hall coefficient curve (σ-H) nagpakita sa batakang bag-ong impormasyon: ang kalainan sa paglihok sa duha ka mga carrier. Sama sa gihisgutan sa artikulo, kini nga relasyon mahimong ipahayag nga elegante:

$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$

Sugod sa usa ka nahibal-an nga kadaghanan nga densidad sa carrier gikan sa usa ka tradisyonal nga pagsukod sa Hall sa kangitngit, mahimo naton ipadayag ang kadali sa paglihok ug densidad sa kadaghanan ug minorya nga carrier ingon usa ka function sa intensity sa kahayag. Ginganlan sa team ang bag-ong pamaagi sa pagsukod: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Uban sa usa ka nahibal-an nga intensity sa kahayag nga kahayag, ang kinabuhi sa carrier mahimong maestablisar sa susama nga paagi. Kini nga koneksyon ug ang mga solusyon niini gitago sa hapit usa ka siglo ug tunga sukad sa pagkadiskobre sa Hall effect.

Gawas sa mga pag-uswag niining teoretikal nga pagsabot, ang mga pag-uswag sa mga pamaagi sa eksperimento kritikal usab aron mahimo kining bag-ong pamaagi. Ang pamaagi nanginahanglan usa ka putli nga pagsukod sa signal sa Hall, nga mahimong lisud alang sa mga materyales diin ang signal sa Hall huyang (pananglitan, tungod sa ubos nga paglihok) o kung adunay mga dugang nga dili gusto nga mga signal, sama sa kusog nga pag-iilaw sa kahayag. Aron mahimo kini, gikinahanglan ang paghimo sa usa ka pagsukod sa Hall gamit ang usa ka oscillating magnetic field. Sama sa pagpaminaw sa radyo, kinahanglan nimo nga pilion ang frequency sa gusto nga estasyon, isalikway ang tanan nga ubang mga frequency nga molihok ingon kasaba. Ang pamaagi sa CRPH nagpadayon sa usa ka lakang ug gipili dili lamang ang gitinguha nga frequency kondili ang hugna usab sa oscillating magnetic field gamit ang pamaagi nga gitawag ug synchronous sensing. Kini nga konsepto sa pagsukod sa oscillating Hall dugay na nga nahibal-an, apan ang tradisyonal nga pamaagi sa paggamit sa usa ka sistema sa electromagnetic coils aron makamugna usa ka oscillating magnetic field dili epektibo.

Nadiskobrehan kaniadto

Sama sa kanunay nga mahitabo sa siyensya, ang mga pag-uswag sa usa ka lugar gimaneho sa mga nadiskobrehan sa lain. Sa 2015, ang IBM Research nagtaho sa usa ka wala pa nahibal-an nga panghitabo sa pisika nga may kalabutan sa usa ka bag-ong magnetic field confinement effect nga gitawag nga "camel hump" nga epekto, nga mahitabo tali sa duha ka linya sa transverse dipoles kung kini molapas sa usa ka kritikal nga gitas-on, ingon sa gipakita sa Figure 2a. Ang epekto kay usa ka yawe nga bahin nga makapahimo sa usa ka bag-ong tipo sa natural nga magnetic trap nga gitawag og parallel dipole line trap (PDL trap), sama sa gipakita sa Figure 2b. Ang magnetic PDL trap mahimong gamiton isip nobela nga plataporma para sa lain-laing mga sensing applications sama sa tiltmeter, seismometer (sensor sa linog). Ang ingon nga mga bag-ong sistema sa sensor, inubanan sa dagkong mga teknolohiya sa datos, mahimong magbukas sa daghang mga bag-ong aplikasyon, ug gisusi sa IBM Research team nga nagpalambo sa usa ka dako nga platform sa analytics sa datos nga gitawag nga IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), nga adunay daghang mga geospatial. ug datos sa Internet of Things (IoT).

Katingad-an, ang parehas nga elemento sa PDL adunay lain nga talagsaon nga aplikasyon. Kung gituyok, nagsilbi kini nga usa ka sulundon nga sistema sa eksperimento sa photo-Hall aron makakuha usa ka unidirectional ug puro nga harmonic oscillation sa magnetic field (Figure 2c). Labaw sa tanan, ang sistema naghatag igo nga wanang aron tugotan ang pag-iilaw sa usa ka halapad nga lugar sa sample, nga hinungdanon sa mga eksperimento sa photo-Hall.

Epekto

Ang bag-ong pamaagi sa photo-hall nga among naugmad nagtugot kanamo sa pagkuha sa usa ka talagsaon nga kantidad sa impormasyon gikan sa semiconductors. Sukwahi sa tulo ra ka mga parameter nga nakuha sa klasikal nga pagsukod sa Hall, kining bag-ong pamaagi makahatag hangtod sa pito ka mga parameter sa matag usa sa mga intensity sa kahayag nga gisulayan. Naglakip kini sa paglihok sa mga electron ug mga lungag; ang konsentrasyon sa ilang carrier ubos sa impluwensya sa kahayag; tibuok kinabuhi nga rekombinasyon; ug gidugayon sa pagsabwag alang sa mga electron, mga lungag ug mga tipo sa ambipolar. Kining tanan mahimong masubli N nga mga panahon (ie ang gidaghanon sa kahayag intensity parameters nga gigamit sa eksperimento).

Kining bag-ong pagkadiskobre ug teknolohiya makatabang sa pag-uswag sa semiconductor sa kasamtangan ug sa mga bag-ong teknolohiya. Kita karon adunay kahibalo ug mga himan nga gikinahanglan aron makuha ang pisikal nga mga kinaiya sa mga materyales sa semiconductor sa daghang detalye. Pananglitan, kini makatabang sa pagpadali sa pag-uswag sa sunod nga henerasyon nga teknolohiya sa semiconductor, sama sa mas maayo nga mga solar panel, mas maayo nga optoelectronic nga mga himan, ug bag-ong mga materyales ug mga himan alang sa artipisyal nga paniktik nga mga teknolohiya.

Orihinal artikulo nga gipatik sa Oktubre 7, 2019 sa IBM Research blog.
Paghubad: Nikolay Marin (NikolayMarin), Chief Technology Officer IBM sa Russia ug sa mga nasud sa CIS.

Source: www.habr.com