Traduko de artikolo de aŭtoroj de IBM Research.
Grava sukceso en fiziko permesos al ni studi la fizikajn karakterizaĵojn de duonkonduktaĵoj en multe pli detale. Ĉi tio povas helpi akceli la evoluon de venontgeneracia duonkondukta teknologio.
Aŭtoroj:
— Laborantarano, IBM Research
Doug Bishop - Karakteriza Inĝeniero, IBM Research
Semikonduktaĵoj estas la bazaj konstrubriketoj de la hodiaŭa cifereca elektronika epoko, provizante al ni diversajn aparatojn, kiuj profitigas niajn modernajn vivojn, kiel komputiloj, inteligentaj telefonoj kaj aliaj porteblaj aparatoj. Pliboniĝoj en semikonduktaĵfunkcieco kaj efikeco ankaŭ ebligas venontgeneraciajn semikonduktaĵaplikojn en komputado, sentado, kaj energikonverto. Esploristoj longe luktas por venki la limigojn en nia kapablo plene kompreni la elektronikajn ŝargojn ene de duonkonduktaj aparatoj kaj altnivelaj semikonduktaĵoj, kiuj bremsas nian kapablon antaŭeniri.
En nova studo en la revuo Esplorkunlaboro gvidita de IBM Research priskribas ekscitan sukceson en solvado de 140-jaraĝa mistero en fiziko, unu kiu permesos al ni studi la fizikajn karakterizaĵojn de duonkonduktaĵoj en multe pli detale kaj ebligi la evoluon de novaj kaj plibonigitaj semikonduktaĵoj.
Por vere kompreni la fizikon de duonkonduktaĵoj, ni unue devas kompreni la fundamentajn trajtojn de ŝargportantoj ene de materialoj, ĉu ili estas negativaj aŭ pozitivaj partikloj, ilian rapidecon en aplikata elektra kampo, kaj kiom dense ili estas pakitaj ene de la materialo. Fizikisto Edwin Hall trovis manieron determini tiujn trajtojn en 1879 kiam li malkovris ke magneta kampo deviigos la movadon de elektronaj ŝargoj ene de direktisto, kaj ke la kvanto de deklino povas esti mezurita kiel la potencialdiferenco perpendikulara al la direkta fluo de ŝargita. partikloj, kiel montrite en Figuro 1a. Tiu tensio, konata kiel la Hall-tensio, rivelas signifajn informojn pri la ŝargportantoj en la duonkonduktaĵo, inkluzive ĉu ili estas negativaj elektronoj aŭ pozitivaj kvazaŭpartikloj nomitaj "truoj", kiom rapide ili moviĝas en elektra kampo, aŭ sia "movebleco" (µ). ) , kaj ilia koncentriĝo (n) ene de la duonkonduktaĵo.
140-jara mistero
Jardekojn post la malkovro de Hall, esploristoj ankaŭ malkovris, ke ili povus fari mezuradojn de la Hall-efiko per lumo - eksperimentoj nomataj foto-Halo, vidu figuron 1b. En tiaj eksperimentoj, malpeza lumo generas multoblajn portantojn, aŭ elektron-truajn parojn, en duonkonduktaĵoj. Bedaŭrinde, nia kompreno pri la baza Hall-efiko provizis sciojn pri nur la plimulto (aŭ plimulto) ŝargoportantoj. La esploristoj ne povis ĉerpi parametrojn de ambaŭ amaskomunikiloj (gravaj kaj ne-gravaj) samtempe. Tiaj informoj estas ŝlosilaj por multaj lum-rilataj aplikoj, kiel sunpaneloj kaj aliaj optoelektronikaj aparatoj.
Studo de la revuo IBM Research rivelas unu el la longe konservitaj sekretoj de la Hall-efiko. Esploristoj de la Koreia Altnivela Instituto pri Scienco kaj Teknologio (KAIST), Korea Esplorinstituto pri Kemia Teknologio (KRICT), Universitato Duke kaj IBM malkovris novan formulon kaj teknikon, kiuj ebligas al ni samtempe ĉerpi informojn pri la baza kaj nebaza. portantoj, kiel ekzemple ilia koncentriĝo kaj moviĝeblo, same kiel akiri pliajn informojn pri la vivdaŭro de la portanto, disvastigolongo kaj la rekombinigprocezo.
Pli specife, en foto-Hall-eksperimento, ambaŭ portantoj kontribuas al ŝanĝoj en kondukteco (σ) kaj Hall-koeficiento (H, proporcia al la rilatumo de la Hall-tensio al la kampo). Ŝlosilaj komprenoj venas de mezurado de kondukteco kaj Hall-koeficiento kiel funkcio de luma intenseco. Kaŝita en la formo de la kondukteco-Hall-koeficienta kurbo (σ-H) montras fundamente novajn informojn: la diferencon en la moviĝeblo de ambaŭ portantoj. Kiel diskutite en la artikolo, ĉi tiu rilato povas esti esprimita elegante:
$$montro$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$montro$$
Komencante kun konata plimulta portanta denseco de tradicia Halo-mezurado en la mallumo, ni povas malkaŝi por la majoritata kaj minoritata portanta movebleco kaj denseco kiel funkcio de luma intenseco. La teamo nomis la novan mezurmetodon: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Kun konata intenseco de malpeza lumigado, la vivdaŭro de la portanto povas esti establita en simila maniero. Ĉi tiu ligo kaj ĝiaj solvoj estas kaŝitaj dum preskaŭ jarcento kaj duono ekde la malkovro de la Hall-efiko.
Krom progresoj en ĉi tiu teoria kompreno, progresoj en eksperimentaj metodoj ankaŭ estas kritikaj por ebligi ĉi tiun novan metodon. La metodo postulas puran mezuradon de la Hall-signalo, kiu povas esti malfacila por materialoj kie la Hall-signalo estas malforta (ekzemple, pro malalta moviĝeblo) aŭ kiam kromaj nedezirataj signaloj ĉeestas, kiel kun forta malpeza surradiado. Por fari tion, necesas fari Hall-mezuradon uzante oscilan magnetan kampon. Same kiel aŭskultante la radion, vi devas elekti la frekvencon de la dezirata stacio, forĵetante ĉiujn aliajn frekvencojn kiuj funkcias kiel bruo. La CRPH-metodo iras unu paŝon plu kaj elektas ne nur la deziratan frekvencon sed ankaŭ la fazon de la oscila magneta kampo uzante metodon nomitan sinkrona sentado. Ĉi tiu koncepto de oscila Hal-mezurado estas delonge konata, sed la tradicia metodo uzi sistemon de elektromagnetaj bobenoj por generi oscilan magnetan kampon estis neefika.
Antaŭa malkovro
Kiel ofte okazas en scienco, progresoj en unu areo estas pelataj de malkovroj en alia. En 2015, IBM Research raportis antaŭe nekonatan fenomenon en fiziko asociita kun nova magnetkampa enferma efiko nomita la "kamel ĝibo-" efiko, kiu okazas inter du linioj de transversaj dipoloj kiam ili superas kritikan longon, kiel montrite en Figuro 2a. La efiko estas ŝlosila trajto kiu ebligas novan specon de natura magneta kaptilo nomita paralela dipollinia kaptilo (PDL-kaptilo), kiel montrite en Figuro 2b. Magneta PDL-kaptilo povas esti utiligita kiel nova platformo por gamo da sentaplikoj kiel ekzemple kliniĝometro, sismometro (sismosensilo). Tiaj novaj sensilsistemoj, kunligitaj kun grandaj datumteknologioj, povus malfermi multajn novajn aplikojn, kaj estas esploritaj de la IBM Research-teamo evoluiganta grandan datuman analizplatformon nomitan IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAROJ), kiu enhavas abundon da geospacaj. kaj datumoj de Interreto de Aĵoj (IoT).
Surprize, la sama PDL-elemento havas alian unikan aplikon. Kiam ĝi estas turnita, ĝi funkcias kiel ideala foto-Hall-eksperimenta sistemo por akiri unudirektan kaj puran harmonian osciladon de la magneta kampo (Figuro 2c). Pli grave, la sistemo provizas sufiĉan spacon por permesi lumigadon de larĝa areo de la specimeno, kio estas kritika en foto-Hall-eksperimentoj.
Efiko
La nova foto-hala metodo, kiun ni evoluigis, permesas al ni ĉerpi mirindan kvanton da informoj el duonkonduktaĵoj. Kontraste al nur tri parametroj akiritaj en la klasika Hal-mezurado, ĉi tiu nova metodo donas ĝis sep parametrojn ĉe ĉiu el la lumintensecoj testitaj. Ĉi tio inkluzivas la moviĝeblon de kaj elektronoj kaj truoj; la koncentriĝo de ilia portanto sub la influo de lumo; rekombina vivdaŭro; kaj difuzlongo por elektronoj, truoj kaj ambipolusaj tipoj. Ĉio ĉi povas esti ripetita N fojojn (t.e. la nombro da lumintensecaj parametroj uzitaj en la eksperimento).
Ĉi tiu nova malkovro kaj teknologio helpos antaŭenigi semikonduktaĵajn progresojn en kaj ekzistantaj kaj emerĝantaj teknologioj. Ni nun havas la scion kaj ilojn necesajn por ĉerpi la fizikajn karakterizaĵojn de duonkonduktaĵoj en granda detalo. Ekzemple, ĝi helpos akceli la evoluon de venontgeneracia duonkondukta teknologio, kiel pli bonaj sunpaneloj, pli bonaj optoelektronikaj aparatoj, kaj novaj materialoj kaj aparatoj por artefarita inteligenteco teknologioj.
artikolo publikigita la 7-an de oktobro 2019 en .
Tradukado: Nikolao Marin (), Ĉefteknologia Oficiro IBM en Rusio kaj la CIS-landoj.
fonto: www.habr.com