ભૌતિકશાસ્ત્રમાં 140 વર્ષ જૂનું રહસ્ય ખોલવું

IBM રિસર્ચના લેખકો દ્વારા એક લેખનો અનુવાદ.

ભૌતિકશાસ્ત્રમાં એક મહત્વપૂર્ણ પ્રગતિ આપણને સેમિકન્ડક્ટર્સની ભૌતિક લાક્ષણિકતાઓનો વધુ વિગતવાર અભ્યાસ કરવા દેશે. આ આગામી પેઢીની સેમિકન્ડક્ટર ટેક્નોલોજીના વિકાસને વેગ આપવામાં મદદ કરી શકે છે.

લેખકો:
ઓકી ગુણવાન - સ્ટાફ મેમ્બર, IBM રિસર્ચ
ડગ બિશપ - કેરેક્ટરાઇઝેશન એન્જિનિયર, IBM રિસર્ચ

સેમિકન્ડક્ટર એ આજના ડિજિટલ ઈલેક્ટ્રોનિક યુગના મૂળભૂત બિલ્ડીંગ બ્લોક્સ છે, જે આપણને વિવિધ પ્રકારના ઉપકરણો પ્રદાન કરે છે જે આપણા આધુનિક જીવનને લાભ આપે છે, જેમ કે કમ્પ્યુટર, સ્માર્ટફોન અને અન્ય મોબાઈલ ઉપકરણો. સેમિકન્ડક્ટર કાર્યક્ષમતા અને પ્રદર્શનમાં સુધારણાઓ આગામી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર એપ્લિકેશનને કમ્પ્યુટિંગ, સેન્સિંગ અને ઊર્જા રૂપાંતરણમાં પણ સક્ષમ કરી રહ્યા છે. સંશોધકોએ સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણો અને અદ્યતન સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીની અંદરના ઇલેક્ટ્રોનિક ચાર્જને સંપૂર્ણ રીતે સમજવાની અમારી ક્ષમતામાં રહેલી મર્યાદાઓને દૂર કરવા માટે લાંબા સમયથી સંઘર્ષ કર્યો છે જે અમારી આગળ વધવાની ક્ષમતાને રોકે છે.

જર્નલમાં નવા અભ્યાસમાં કુદરત IBM રિસર્ચની આગેવાની હેઠળનું સંશોધન સહયોગ ભૌતિકશાસ્ત્રમાં 140 વર્ષ જૂના રહસ્યને ઉકેલવામાં એક આકર્ષક સફળતાનું વર્ણન કરે છે, જે આપણને સેમિકન્ડક્ટર્સની ભૌતિક લાક્ષણિકતાઓનો વધુ વિગતવાર અભ્યાસ કરવાની અને નવી અને સુધારેલી સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીના વિકાસને સક્ષમ કરવાની મંજૂરી આપશે.

સેમિકન્ડક્ટર્સના ભૌતિકશાસ્ત્રને સાચી રીતે સમજવા માટે, આપણે સૌપ્રથમ સામગ્રીની અંદરના ચાર્જ કેરિયર્સના મૂળભૂત ગુણધર્મોને સમજવું જોઈએ, પછી ભલે તે નકારાત્મક હોય કે સકારાત્મક કણો, લાગુ ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડમાં તેમની ગતિ અને તે સામગ્રીની અંદર કેટલી ગીચતાથી ભરેલા હોય. ભૌતિકશાસ્ત્રી એડવિન હોલે 1879 માં આ ગુણધર્મોને નિર્ધારિત કરવાનો માર્ગ શોધી કાઢ્યો જ્યારે તેણે શોધ્યું કે ચુંબકીય ક્ષેત્ર વાહકની અંદર ઇલેક્ટ્રોન ચાર્જની ગતિને વિચલિત કરશે, અને વિચલનની માત્રાને ચાર્જના દિશાત્મક પ્રવાહના લંબરૂપ સંભવિત તફાવત તરીકે માપી શકાય છે. કણો, આકૃતિ 1a માં બતાવ્યા પ્રમાણે. આ વોલ્ટેજ, જેને હોલ વોલ્ટેજ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, તે સેમિકન્ડક્ટરમાં ચાર્જ કેરિયર્સ વિશે નોંધપાત્ર માહિતી દર્શાવે છે, જેમાં તે ઋણ ઇલેક્ટ્રોન છે કે "છિદ્રો" તરીકે ઓળખાતા હકારાત્મક ક્વાસિપાર્ટિકલ્સ, ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રમાં તેઓ કેટલી ઝડપથી આગળ વધે છે, અથવા તેમની "ગતિશીલતા" (µ) ) , અને તેમની સાંદ્રતા (n) સેમિકન્ડક્ટરની અંદર.

140 વર્ષ જૂનું રહસ્ય

હોલની શોધના દાયકાઓ પછી, સંશોધકોએ એ પણ શોધ્યું કે તેઓ પ્રકાશ સાથે હોલની અસરનું માપન કરી શકે છે - ફોટો-હોલ તરીકે ઓળખાતા પ્રયોગો, આકૃતિ 1b જુઓ. આવા પ્રયોગોમાં, પ્રકાશ રોશની સેમિકન્ડક્ટર્સમાં બહુવિધ કેરિયર્સ અથવા ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડી પેદા કરે છે. કમનસીબે, મૂળભૂત હોલ ઈફેક્ટ વિશેની અમારી સમજણએ માત્ર બહુમતી (અથવા બહુમતી) ચાર્જ કેરિયર્સની સમજ આપી છે. સંશોધકો એક સાથે બંને માધ્યમો (મુખ્ય અને બિન-મુખ્ય) માંથી પરિમાણો કાઢવામાં અસમર્થ હતા. આવી માહિતી ઘણી પ્રકાશ-સંબંધિત એપ્લિકેશનો માટે ચાવીરૂપ છે, જેમ કે સૌર પેનલ્સ અને અન્ય ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો.

IBM સંશોધન મેગેઝિન અભ્યાસ કુદરત હોલ ઇફેક્ટના લાંબા સમયથી રાખેલા રહસ્યોમાંથી એક છતી કરે છે. કોરિયા એડવાન્સ્ડ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑફ સાયન્સ એન્ડ ટેક્નોલોજી (KAIST), કોરિયા રિસર્ચ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઑફ કેમિકલ ટેક્નૉલૉજી (KRICT), ડ્યુક યુનિવર્સિટી અને IBMના સંશોધકોએ એક નવી ફોર્મ્યુલા અને ટેકનિક શોધી કાઢી છે જે અમને એકસાથે મૂળભૂત અને બિન-મૂળભૂત વિશેની માહિતી મેળવવાની મંજૂરી આપે છે. વાહકો, જેમ કે તેમની એકાગ્રતા અને ગતિશીલતા, તેમજ વાહકના જીવનકાળ, પ્રસરણ લંબાઈ અને પુનઃસંયોજન પ્રક્રિયા વિશે વધારાની માહિતી મેળવે છે.

વધુ વિશિષ્ટ રીતે, ફોટો-હોલ પ્રયોગમાં, બંને વાહકો વાહકતા (σ) અને હોલ ગુણાંક (H, ચુંબકીય ક્ષેત્રના હોલ વોલ્ટેજના ગુણોત્તરના પ્રમાણસર) માં ફેરફારમાં ફાળો આપે છે. મુખ્ય આંતરદૃષ્ટિ પ્રકાશની તીવ્રતાના કાર્ય તરીકે વાહકતા અને હોલ ગુણાંકને માપવાથી આવે છે. વાહકતા-હોલ ગુણાંક વળાંક (σ-H) ના આકારમાં છુપાયેલું મૂળભૂત રીતે નવી માહિતી દર્શાવે છે: બંને વાહકોની ગતિશીલતામાં તફાવત. લેખમાં ચર્ચા કર્યા મુજબ, આ સંબંધ સુંદર રીતે વ્યક્ત કરી શકાય છે:

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

અંધારામાં પરંપરાગત હોલ માપનથી જાણીતી બહુમતી વાહક ઘનતા સાથે શરૂ કરીને, અમે પ્રકાશની તીવ્રતાના કાર્ય તરીકે બહુમતી અને લઘુમતી વાહક ગતિશીલતા અને ઘનતા બંને માટે જાહેર કરી શકીએ છીએ. ટીમે માપનની નવી પદ્ધતિને નામ આપ્યું: કેરિયર-રિઝોલ્વ્ડ ફોટો હોલ (CRPH). પ્રકાશ પ્રકાશની જાણીતી તીવ્રતા સાથે, વાહકના જીવનકાળને સમાન રીતે સ્થાપિત કરી શકાય છે. આ જોડાણ અને તેના ઉકેલો હોલ ઇફેક્ટની શોધ પછી લગભગ દોઢ સદીથી છુપાયેલા છે.

આ સૈદ્ધાંતિક સમજણમાં પ્રગતિ ઉપરાંત, આ નવી પદ્ધતિને સક્ષમ કરવા માટે પ્રાયોગિક પદ્ધતિઓમાં પ્રગતિ પણ મહત્વપૂર્ણ છે. પદ્ધતિ માટે હોલ સિગ્નલના શુદ્ધ માપની જરૂર છે, જે સામગ્રી માટે મુશ્કેલ હોઈ શકે છે જ્યાં હોલ સિગ્નલ નબળો હોય (ઉદાહરણ તરીકે, ઓછી ગતિશીલતાને કારણે) અથવા જ્યારે વધારાના અનિચ્છનીય સંકેતો હાજર હોય, જેમ કે મજબૂત પ્રકાશ ઇરેડિયેશન સાથે. આ કરવા માટે, ઓસીલેટીંગ ચુંબકીય ક્ષેત્રનો ઉપયોગ કરીને હોલ માપન કરવું જરૂરી છે. જેમ કે રેડિયો સાંભળતી વખતે, તમારે ઇચ્છિત સ્ટેશનની આવર્તન પસંદ કરવાની જરૂર છે, અન્ય તમામ ફ્રીક્વન્સીઝ કે જે અવાજ તરીકે કાર્ય કરે છે તેને છોડી દે છે. CRPH પદ્ધતિ એક પગલું આગળ વધે છે અને સિંક્રનસ સેન્સિંગ તરીકે ઓળખાતી પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને માત્ર ઇચ્છિત આવર્તન જ નહીં પણ ઓસીલેટીંગ ચુંબકીય ક્ષેત્રનો તબક્કો પણ પસંદ કરે છે. ઓસીલેટીંગ હોલ માપનનો આ ખ્યાલ લાંબા સમયથી જાણીતો છે, પરંતુ ઓસીલેટીંગ મેગ્નેટિક ફિલ્ડ જનરેટ કરવા માટે ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક કોઇલની સિસ્ટમનો ઉપયોગ કરવાની પરંપરાગત પદ્ધતિ બિનઅસરકારક હતી.

અગાઉની શોધ

વિજ્ઞાનમાં ઘણી વાર થાય છે તેમ, એક ક્ષેત્રની પ્રગતિ બીજા ક્ષેત્રની શોધ દ્વારા ચલાવવામાં આવે છે. 2015 માં, IBM રિસર્ચએ "કેમલ હમ્પ" અસર તરીકે ઓળખાતી નવી ચુંબકીય ક્ષેત્રની બંધન અસર સાથે સંકળાયેલ ભૌતિકશાસ્ત્રમાં અગાઉની અજાણી ઘટનાની જાણ કરી હતી, જે આકૃતિ 2a માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ટ્રાંસવર્સ ડીપોલ્સની બે રેખાઓ વચ્ચે જ્યારે તેઓ નિર્ણાયક લંબાઈ કરતાં વધી જાય છે ત્યારે થાય છે. અસર એ મુખ્ય લક્ષણ છે જે આકૃતિ 2b માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સમાંતર દ્વિધ્રુવીય લાઇન ટ્રેપ (PDL ટ્રેપ) તરીકે ઓળખાતા નવા પ્રકારના કુદરતી ચુંબકીય જાળને સક્ષમ કરે છે. મેગ્નેટિક પીડીએલ ટ્રેપનો ઉપયોગ વિવિધ સેન્સિંગ એપ્લીકેશન જેમ કે ટિલ્ટમીટર, સિસ્મોમીટર (ભૂકંપ સેન્સર) માટે એક નવતર પ્લેટફોર્મ તરીકે થઈ શકે છે. આવી નવી સેન્સર સિસ્ટમ્સ, મોટી ડેટા ટેક્નોલોજી સાથે જોડાયેલી, ઘણી નવી એપ્લિકેશનો ખોલી શકે છે, અને IBM રિસર્ચ ટીમ દ્વારા IBM ફિઝિકલ એનાલિટિક્સ ઇન્ટિગ્રેટેડ રિપોઝીટરી સર્વિસ (PAIRS) નામનું એક મોટું ડેટા એનાલિટિક્સ પ્લેટફોર્મ વિકસાવી રહી છે, જેમાં ભૌગોલિક સંપદાનો સમાવેશ થાય છે. અને ઇન્ટરનેટ ઓફ થિંગ્સ ડેટા (IoT).

આશ્ચર્યજનક રીતે, સમાન PDL તત્વ અન્ય અનન્ય એપ્લિકેશન ધરાવે છે. જ્યારે ફેરવવામાં આવે છે, ત્યારે તે ચુંબકીય ક્ષેત્ર (આકૃતિ 2c) ની દિશાહીન અને શુદ્ધ હાર્મોનિક ઓસિલેશન મેળવવા માટે એક આદર્શ ફોટો-હોલ પ્રયોગ સિસ્ટમ તરીકે સેવા આપે છે. વધુ મહત્ત્વની વાત એ છે કે, સિસ્ટમ નમૂનાના વિશાળ વિસ્તારને પ્રકાશિત કરવા માટે પૂરતી જગ્યા પૂરી પાડે છે, જે ફોટો-હોલ પ્રયોગોમાં મહત્વપૂર્ણ છે.

પ્રભાવ

અમે વિકસિત કરેલી નવી ફોટો-હોલ પદ્ધતિ અમને સેમિકન્ડક્ટરમાંથી અદ્ભુત માત્રામાં માહિતી મેળવવાની મંજૂરી આપે છે. ક્લાસિકલ હોલ માપનમાં મેળવેલા માત્ર ત્રણ પરિમાણોથી વિપરીત, આ નવી પદ્ધતિ પરીક્ષણ કરેલ દરેક પ્રકાશની તીવ્રતા પર સાત પરિમાણો સુધીની ઉપજ આપે છે. આમાં ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો બંનેની ગતિશીલતા શામેલ છે; પ્રકાશના પ્રભાવ હેઠળ તેમના વાહકની સાંદ્રતા; પુનઃસંયોજન જીવનકાળ; અને ઇલેક્ટ્રોન, છિદ્રો અને એમ્બિપોલર પ્રકારો માટે પ્રસરણ લંબાઈ. આ બધું N વખત પુનરાવર્તિત થઈ શકે છે (એટલે ​​​​કે પ્રયોગમાં ઉપયોગમાં લેવાતા પ્રકાશની તીવ્રતાના પરિમાણોની સંખ્યા).

આ નવી શોધ અને ટેકનોલોજી હાલની અને ઉભરતી બંને ટેકનોલોજીમાં સેમિકન્ડક્ટર એડવાન્સમેન્ટને આગળ વધારવામાં મદદ કરશે. હવે અમારી પાસે સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલની ભૌતિક લાક્ષણિકતાઓને ખૂબ વિગતવાર બહાર કાઢવા માટે જરૂરી જ્ઞાન અને સાધનો છે. ઉદાહરણ તરીકે, તે નેક્સ્ટ જનરેશન સેમિકન્ડક્ટર ટેક્નોલોજીના વિકાસને વેગ આપવામાં મદદ કરશે, જેમ કે બહેતર સોલર પેનલ્સ, બહેતર ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો અને આર્ટિફિશિયલ ઈન્ટેલિજન્સ ટેક્નોલોજી માટે નવી સામગ્રી અને ઉપકરણો.

મૂળ ઑક્ટોબર 7, 2019 ના રોજ પ્રકાશિત થયેલ લેખ IBM સંશોધન બ્લોગ.
અનુવાદ: નિકોલે મારિન (નિકોલેમારિન), રશિયા અને CIS દેશોમાં મુખ્ય ટેકનોલોજી અધિકારી IBM.

સોર્સ: www.habr.com