Oersetting fan in artikel troch auteurs fan IBM Research.
In wichtige trochbraak yn de natuerkunde sil tastean ús te bestudearjen de fysike skaaimerken fan semiconductors yn folle grutter detail. Dit kin helpe om de ûntwikkeling fan folgjende-generaasje semiconductortechnology te fersnellen.
De auteurs:
- Meiwurker, IBM Research
Doug Bishop - Characterization Engineer, IBM Research
Semiconductors binne de basisboustiennen fan it hjoeddeiske digitale elektroanyske leeftyd, en jouwe ús in ferskaat oan apparaten dy't profitearje fan ús moderne libben, lykas kompjûters, smartphones en oare mobile apparaten. Ferbetteringen yn funksjonaliteit en prestaasjes fan semiconductor meitsje ek de folgjende generaasje semiconductor-applikaasjes mooglik yn komputer, sensing en enerzjykonverzje. Undersikers hawwe lang muoite om de beheiningen te oerwinnen yn ús fermogen om de elektroanyske ladingen yn semiconductor-apparaten en avansearre semiconductor-materialen folslein te begripen dy't ús fermogen om foarút te gean hâlde.
Yn in nije stúdzje yn it tydskrift In ûndersyksgearwurking ûnder lieding fan IBM Research beskriuwt in spannende trochbraak yn it oplossen fan in 140-jier-âld mystearje yn 'e natuerkunde, ien dy't ús de fysike skaaimerken fan semiconductors yn folle mear detail kin studearje en de ûntwikkeling fan nije en ferbettere semiconductormaterialen mooglik meitsje.
Om de natuerkunde fan semiconductors wirklik te begripen, moatte wy earst de fûnemintele eigenskippen fan ladingdragers binnen materialen begripe, oft se negative of positive dieltsjes binne, har snelheid yn in tapast elektrysk fjild, en hoe ticht se yn it materiaal binne ynpakt. Natuerkundige Edwin Hall fûn in manier om dizze eigenskippen te bepalen yn 1879 doe't hy ûntduts dat in magnetysk fjild de beweging fan elektroanenladingen binnen in dirigint ôfwike sil, en dat de hoemannichte ôfbuiging kin wurde mjitten as it potinsjele ferskil loodrecht op de rjochtingsstream fan laden dieltsjes, lykas werjûn yn figuer 1a. Dizze spanning, bekend as de Hall-spanning, ûntbleatet wichtige ynformaasje oer de ladingsdragers yn 'e semiconductor, ynklusyf oft se negative elektroanen binne as positive kwasipartikels neamd "gaten", hoe fluch se bewege yn in elektrysk fjild, of har "mobiliteit" (µ ), en harren konsintraasje (n) binnen de semiconductor.
140 jier âld mystearje
Desennia nei Hall syn ûntdekking, ûndersikers ek ûntdutsen dat se koenen meitsje mjittings fan de Hall effekt mei ljocht-eksperiminten neamd photo-Hall, sjoch figuer 1b. Yn sokke eksperiminten genereart ljochtferljochting meardere dragers, of elektron-gat-pearen, yn semiconductors. Spitigernôch hat ús begryp fan 'e basis Hall-effekt ynsjoch levere yn allinich de mearderheid (of mearderheid) ladingdragers. De ûndersikers wiene net yn steat om parameters út beide media (grutte en net-major) tagelyk te ekstrahearjen. Sokke ynformaasje is kaai foar in protte ljocht-relatearre applikaasjes, lykas sinnepanielen en oare opto-elektroanyske apparaten.
IBM Research tydskrift stúdzje ûntbleatet ien fan 'e lang bewarre geheimen fan it Hall-effekt. Undersikers fan it Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke University, en IBM hawwe in nije formule en technyk ûntdutsen dy't ús tagelyk ynformaasje kinne ekstrahearje oer de basis en net-basyske dragers, lykas har konsintraasje en mobiliteit, en ek krije ekstra ynformaasje oer it libben fan 'e drager, diffusion lingte en it rekombinaasje proses.
Mear spesifyk, yn in foto-Hall-eksperimint, drage beide dragers by oan feroaringen yn konduktiviteit (σ) en Hall-koëffisjint (H, evenredich mei de ferhâlding fan 'e Hall-spanning nei it magnetyske fjild). Wichtige ynsjoggen komme út it mjitten fan konduktiviteit en Hall-koëffisjint as funksje fan ljochtintensiteit. Ferburgen yn 'e foarm fan' e konduktiviteit-Hall-koëffisjintkromme (σ-H) toant yn prinsipe nije ynformaasje: it ferskil yn 'e mobiliteit fan beide dragers. Lykas besprutsen yn it artikel, kin dizze relaasje elegant útdrukt wurde:
$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$
Begjinnend mei in bekende mearderheid drager tichtens fan in tradysjonele Hall mjitting yn it tsjuster, kinne wy reveal foar sawol de mearderheid en minderheid drager mobiliteit en tichtens as in funksje fan ljocht yntinsiteit. It team neamde de nije mjitmetoade: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Mei in bekende yntensiteit fan ljochtferljochting kin it libben fan 'e drager op in fergelykbere manier wurde fêststeld. Dizze ferbining en har oplossingen binne sûnt de ûntdekking fan it Hall-effekt al hast oardel ieu ferburgen.
Neist foarútgong yn dit teoretyske begryp, binne foarútgong yn eksperimintele metoaden ek kritysk om dizze nije metoade mooglik te meitsjen. De metoade fereasket in suvere mjitting fan it Hall-sinjaal, wat lestich kin wêze foar materialen wêr't it Hall-sinjaal swak is (bygelyks troch lege mobiliteit) of as ekstra net winske sinjalen oanwêzich binne, lykas by sterke ljochtbestraling. Om dit te dwaan, is it nedich om in Hall-mjitting út te fieren mei in oscillerend magnetysk fjild. Krekt as by it harkjen nei de radio, moatte jo de frekwinsje fan it winske stasjon selektearje, en alle oare frekwinsjes dy't as lûd fungearje, ferwiderje. De CRPH-metoade giet ien stap fierder en selekteart net allinich de winske frekwinsje, mar ek de faze fan it oscillerend magnetysk fjild mei in metoade neamd syngroane sensing. Dit konsept fan oscillerende Hall-mjitting is al lang bekend, mar de tradisjonele metoade foar it brûken fan in systeem fan elektromagnetyske spoelen om in oscillerend magnetysk fjild te generearjen wie net effektyf.
Foarige ûntdekking
Lykas faak bart yn 'e wittenskip, wurde foarútgong op ien gebiet oandreaun troch ûntdekkingen yn in oar. Yn 2015, IBM Research rapportearre in earder ûnbekend ferskynsel yn de natuerkunde ferbûn mei in nij magnetysk fjild opsluting effekt neamd de "camel hump" effekt, dat optreedt tusken twa rigels fan dwerse dipoles as se boppe in krityske lingte, lykas werjûn yn figuer 2a. It effekt is in kaai funksje dy't mooglik makket in nij soarte fan natuerlike magnetyske trap neamd in parallel dipole line trap (PDL trap), lykas werjûn yn figuer 2b. Magnetic PDL trap kin brûkt wurde as in nij platfoarm foar in ferskaat oan sensing applikaasjes lykas tiltmeter, seismometer (ierdbeving sensor). Sokke nije sensorsystemen, keppele oan technologyen foar grutte gegevens, kinne in protte nije applikaasjes iepenje, en wurde ûndersocht troch it IBM-ûndersyksteam dy't in grutte data-analytykplatfoarm ûntwikkele mei de namme IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), dy't in rykdom oan geospatial befettet. en Internet of Things-gegevens. (IoT).
Ferrassend, itselde PDL-elemint hat in oare unike applikaasje. Wannear't rotearre, it tsjinnet as in ideaal foto-Hall eksperimint systeem te krijen in unidirectional en suver harmonic oscillation fan it magnetysk fjild (figuer 2c). Noch wichtiger, it systeem biedt genôch romte om ferljochting fan in breed gebiet fan 'e stekproef mooglik te meitsjen, wat kritysk is yn foto-Hall-eksperiminten.
Ynfloed
De nije foto-halmetoade dy't wy hawwe ûntwikkele lit ús in geweldige hoemannichte ynformaasje ekstrahearje fan semiconductors. Yn tsjinstelling ta mar trije parameters krigen yn 'e klassike Hall-mjitting, jout dizze nije metoade maksimaal sân parameters op elk fan' e testte ljochtintensiteiten. Dit omfettet de mobiliteit fan sawol elektroanen as gatten; de konsintraasje fan har drager ûnder de ynfloed fan ljocht; rekombinaasje libben; en diffusion lingte foar elektroanen, gatten en ambipolar typen. Dit alles kin N kear werhelle wurde (dus it oantal ljochtintensiteitsparameters brûkt yn it eksperimint).
Dizze nije ûntdekking en technology sil helpe foarútgong fan semiconductor yn sawol besteande as opkommende technologyen. Wy hawwe no de kennis en ark dy't nedich binne om de fysike skaaimerken fan halfgeleidermaterialen yn grut detail te ekstrahearjen. Bygelyks, it sil helpe te fersnellen de ûntwikkeling fan de folgjende-generaasje semiconductor technology, lykas bettere sinnepanielen, bettere opto-elektroanyske apparaten, en nije materialen en apparaten foar keunstmjittige yntelliginsje technologyen.
artikel publisearre op 7 oktober 2019 yn .
Oersetting: Nikolai Marin (), Chief Technology Officer IBM yn Ruslân en de GOS-lannen.
Boarne: www.habr.com