Traduzzione di un articulu da l'autori da IBM Research.
Un avanzatu impurtante in a fisica ci permetterà di studià e caratteristiche fisiche di i semiconduttori in più dettagliu. Questu pò aiutà à accelerà u sviluppu di a tecnulugia di semiconductor di prossima generazione.
Autori:
— Membru di u staffu, IBM Research
Doug Bishop - Ingegnere di Caratterizazione, Ricerca IBM
I semiconduttori sò i blocchi di basi di l'età elettronica digitale d'oghje, chì ci furnisce una varietà di dispusitivi chì benefiziu a nostra vita muderna, cum'è l'urdinatori, i smartphones è altri dispositi mobili. I miglioramenti in a funziunalità è u rendiment di i semiconduttori permettenu ancu l'applicazioni di semiconduttori di a prossima generazione in l'informatica, a sensazione è a cunversione di energia. I ricercatori anu longu luttatu per superà e limitazioni in a nostra capacità di capisce cumplettamente i carichi elettronici in i dispositi semiconduttori è i materiali semiconduttori avanzati chì frenanu a nostra capacità di avanzà.
In un novu studiu in u ghjurnale Una cullaburazione di ricerca guidata da IBM Research descrive una svolta eccitante in a risoluzione di un misteru di fisica di 140 anni, quellu chì ci permetterà di studià e caratteristiche fisiche di i semiconduttori in più dettagliu è permette u sviluppu di materiali semiconduttori novi è migliurati.
Per capisce veramente a fisica di i semiconduttori, duvemu prima capisce e proprietà fundamentali di i trasportatori di carica in i materiali, ch'elli sò particeddi negativi o pusitivi, a so velocità in un campu elettricu applicatu, è quantu densamente sò imballati in u materiale. U fisicu Edwin Hall hà truvatu un modu per determinà queste proprietà in u 1879, quandu hà scupertu chì un campu magneticu devia u muvimentu di e carichi elettroni in un cunduttore, è chì a quantità di deflessione pò esse misurata cum'è a diferenza potenziale perpendiculare à u flussu direzionale di carica. particelle, cum'è mostra in Figura 1a. Questa tensione, cunnisciuta cum'è a tensione di Hall, palesa infurmazione significativa nantu à i trasportatori di carica in u semiconduttore, cumpresu s'ellu sò elettroni negativi o quasiparticule pusitivi chjamati "buchi", quantu si muvianu in un campu elettricu, o a so "mobilità" (µ). ), è a so cuncentrazione (n) in u semiconductor.
Un misteru di 140 anni
Dicenni dopu à a scuperta di Hall, i circadori anu scupertu ancu chì puderanu fà misurazioni di l'effettu Hall cù luce - esperimenti chjamati photo-Hall, vede Figura 1b. In tali esperimenti, l'illuminazione di luce genera parechji trasportatori, o coppie elettroni-buchi, in semiconduttori. Sfurtunatamente, a nostra cunniscenza di l'effettu Hall di basa hà furnitu insight in solu i trasportatori di carica di maiuranza (o maiurità). I circadori ùn anu pussutu estrae parametri da i dui media (major è micca maiò) simultaneamente. Tali infurmazione hè chjave per parechje applicazioni di luce, cum'è pannelli solari è altri apparecchi optoelettronici.
Studiu di a rivista IBM Research revela unu di i secreti longu guardati di l'effettu Hall. I circadori di l'Istitutu Avanzatu di Scienza è Tecnulugia di Corea (KAIST), l'Istitutu di Ricerca Coreana di Tecnulugia Chimica (KRICT), l'Università Duke è l'IBM anu scupertu una nova formula è tecnica chì ci permette di estrae simultaneamente infurmazioni nantu à i basi è micca basi. traspurtadore, cum'è a so cuncentrazione è a mobilità, è ancu ottene infurmazioni supplementari nantu à a vita di u traspurtadore, a durata di diffusione è u prucessu di recombinazione.
Più specificamente, in un esperimentu photo-Hall, i dui carrieri cuntribuiscenu à i cambiamenti in a conduttività (σ) è u coefficient Hall (H, proporzionale à u rapportu di a tensione Hall à u campu magneticu). Insights chjave venenu da a misurazione di a conduttività è u coefficient Hall in funzione di l'intensità di a luce. Hidden in a forma di a curva di coefficient conductivity-Hall (σ-H) mostra infurmazione fundamentale nova: a diffarenza in a mobilità di i dui trasportatori. Comu discutitu in l'articulu, sta relazione pò esse spressione elegante:
$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$
Partendu cù una densità di trasportatore maiurità cunnisciuta da una misura tradiziunale di Hall in u bughju, pudemu revelà per a mobilità è a densità di u trasportatore maiurità è minurità cum'è una funzione di intensità di luce. A squadra hà chjamatu u novu metudu di misurazione: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Cù una intensità cunnisciuta di l'illuminazione luminosa, a vita di u traspurtadore pò esse stabilitu in modu simili. Sta cunnessione è e so suluzioni sò stati oculati per quasi un seculu è mezu da a scuperta di l'effettu Hall.
In più di i prugressi in questa cunniscenza teorica, l'avanzati in i metudi sperimentali sò ancu critichi per attivà stu novu metudu. U metudu hè bisognu di una misura pura di u signalu Hall, chì pò esse difficiule per i materiali induve u signale Hall hè debbule (per esempiu, per via di a bassa mobilità) o quandu i signali supplementari indesiderati sò prisenti, cum'è cù una forte irradiazione di luce. Per fà questu, hè necessariu di realizà una misura Hall cù un campu magneticu oscillante. Cum'è quandu si sente a radiu, avete bisognu di selezziunà a freccia di a stazione desiderata, scartendu tutte l'altri frequenze chì agiscenu cum'è rumore. U metudu CRPH va un passu più luntanu è selezziunate micca solu a frequenza desiderata, ma ancu a fase di u campu magneticu oscillante utilizendu un metudu chjamatu sensazione sincrona. Stu cuncettu di misura Hall oscillating hè statu longu cunnisciutu, ma u metudu tradiziunale di usu di un sistema di bobine elettromagnetica à generà un campu magneticu oscillating era inefficace.
Scuperta precedente
Cum'è spessu accade in a scienza, i prugressi in una zona sò guidati da scuperte in un altru. In 2015, IBM Research hà riportatu un fenomenu scunnisciutu prima in fisica assuciatu à un novu effettu di confinamentu di u campu magneticu chjamatu effettu "camel hump", chì si trova trà duie linee di dipoli trasversali quandu superanu una lunghezza critica, cum'è mostra in Figura 2a. L'effettu hè una funzione chjave chì permette un novu tipu di trappula magnetica naturali chjamata trappula di linea dipolu parallela (trappula PDL), cum'è mostra in a Figura 2b. A trappula PDL magnetica pò esse usata cum'è una piattaforma nova per una varietà di applicazioni di sensazione cum'è tiltmeter, sismometer (sensore di terramotu). Tali sistemi di sensori novi, accumpagnati da tecnulugii di big data, puderanu apre parechje applicazioni novi, è sò stati esplorati da a squadra di ricerca IBM chì sviluppa una piattaforma di analisi di dati grandi chjamata IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), chì cuntene una ricchezza di geospatial. e dati di l'Internet of Things (IoT).
Sorprendentemente, u listessu elementu PDL hà una altra applicazione unica. Quandu si gira, serve cum'è un sistema di sperimentu foto-Hall ideale per ottene una oscillazione armonica unidirezionale è pura di u campu magneticu (Figura 2c). A più impurtante, u sistema furnisce abbastanza spaziu per permette l'illuminazione di una larga zona di u sample, chì hè critica in esperimenti photo-Hall.
Impact
U novu metudu di photo-hall chì avemu sviluppatu ci permette di caccià una quantità incredibile di informazioni da i semiconduttori. In cuntrastu à solu trè paràmetri ottenuti in a misura classica di Hall, stu novu metudu rende finu à sette paràmetri à ognuna di l'intensità di luce pruvata. Questu include a mobilità di l'elettroni è i buchi; a cuncentrazione di u so trasportatore sottu a influenza di a luce; a vita di recombinazione; è a lunghezza di diffusione per l'elettroni, i buchi è i tipi ambipolari. Tuttu chistu pò esse ripetutu N volte (vale à dì u numeru di paràmetri di intensità di luce utilizati in l'esperimentu).
Questa nova scuperta è tecnulugia aiuterà à avanzà l'avanzamenti di i semiconduttori in e tecnulugia esistenti è emergenti. Avemu avà a cunniscenza è l'arnesi necessarii per caccià e caratteristiche fisiche di i materiali semiconduttori in grande dettaglio. Per esempiu, aiuterà à accelerà u sviluppu di a tecnulugia di semiconductor di prossima generazione, cum'è megliu pannelli solari, megliu apparecchi optoelettronici, è novi materiali è dispusitivi per e tecnulugia di intelligenza artificiale.
articulu publicatu u 7 d'ottobre di u 2019 in .
Traduzione: Nikolay Marin (), Chief Technology Officer IBM in Russia è i paesi CIS.
Source: www.habr.com