IBM Research-ի հեղինակների հոդվածի թարգմանությունը:
Ֆիզիկայի կարևոր առաջընթացը թույլ կտա մեզ շատ ավելի մանրամասն ուսումնասիրել կիսահաղորդիչների ֆիզիկական բնութագրերը: Սա կարող է օգնել արագացնել հաջորդ սերնդի կիսահաղորդչային տեխնոլոգիայի զարգացումը:
Հեղինակներ:
— IBM Research-ի աշխատակազմի անդամ
Դագ Բիշոփ - Բնութագրման ինժեներ, IBM Research
Կիսահաղորդիչները այսօրվա թվային էլեկտրոնային դարաշրջանի հիմնական շինանյութերն են, որոնք մեզ տրամադրում են մի շարք սարքեր, որոնք օգտակար են մեր ժամանակակից կյանքի համար, ինչպիսիք են համակարգիչները, սմարթֆոնները և այլ շարժական սարքեր: Կիսահաղորդիչների ֆունկցիոնալության և կատարողականի բարելավումները հնարավորություն են տալիս նաև հաջորդ սերնդի կիսահաղորդիչների կիրառմանը հաշվողական, զգայական և էներգիայի փոխակերպման մեջ: Հետազոտողները երկար ժամանակ պայքարում էին հաղթահարելու մեր ունակության սահմանափակումները կիսահաղորդչային սարքերի և առաջադեմ կիսահաղորդչային նյութերի ներսում ամբողջությամբ հասկանալու էլեկտրոնային լիցքերը, որոնք խանգարում են առաջ շարժվելու մեր կարողությանը:
Ամսագրում կատարված նոր ուսումնասիրության մեջ IBM Research-ի ղեկավարած գիտահետազոտական համագործակցությունը նկարագրում է ֆիզիկայի 140-ամյա առեղծվածը լուծելու հետաքրքիր առաջընթաց, որը թույլ կտա մեզ շատ ավելի մանրամասն ուսումնասիրել կիսահաղորդիչների ֆիզիկական բնութագրերը և թույլ տալ նոր և կատարելագործված կիսահաղորդչային նյութերի մշակումը:
Կիսահաղորդիչների ֆիզիկան իսկապես հասկանալու համար մենք նախ պետք է հասկանանք նյութերի ներսում լիցքակիրների հիմնարար հատկությունները, դրանք բացասական թե դրական մասնիկներ են, դրանց արագությունը կիրառական էլեկտրական դաշտում և որքան խիտ են դրանք նյութի ներսում: Ֆիզիկոս Էդվին Հոլը գտավ այս հատկությունները որոշելու միջոցը 1879 թվականին, երբ հայտնաբերեց, որ մագնիսական դաշտը կշեղի հաղորդիչի ներսում էլեկտրոնային լիցքերի շարժումը, և որ շեղման չափը կարող է չափվել որպես լիցքավորման ուղղորդված հոսքին ուղղահայաց պոտենցիալ տարբերություն։ մասնիկներ, ինչպես ցույց է տրված Նկար 1ա-ում: Այս լարումը, որը հայտնի է որպես Hall լարում, բացահայտում է զգալի տեղեկատվություն կիսահաղորդչի լիցքակիրների մասին, ներառյալ՝ դրանք բացասական էլեկտրոններ են կամ դրական քվազիմասնիկներ, որոնք կոչվում են «անցքեր», թե որքան արագ են դրանք շարժվում էլեկտրական դաշտում, կամ դրանց «շարժունակությունը» (µ ) , և դրանց կոնցենտրացիան (n) կիսահաղորդչի ներսում։
140-ամյա առեղծված
Հոլի հայտնագործությունից տասնամյակներ անց հետազոտողները նաև հայտնաբերեցին, որ նրանք կարող են չափումներ կատարել Հոլի էֆեկտի լույսի միջոցով. փորձեր, որոնք կոչվում են ֆոտո-Հոլ, տես Նկար 1b: Նման փորձերի ժամանակ լույսի լուսավորությունը կիսահաղորդիչներում առաջացնում է բազմաթիվ կրիչներ կամ էլեկտրոն-անցք զույգեր: Ցավոք սրտի, հիմնական Hall-ի էֆեկտի մեր ըմբռնումը թույլ է տվել պատկերացում կազմել լիցքավորման կրիչների միայն մեծամասնության (կամ մեծամասնության) մասին: Հետազոտողները չեն կարողացել միաժամանակ պարամետրեր կորզել երկու լրատվամիջոցներից (հիմնական և ոչ հիմնական): Նման տեղեկատվությունը առանցքային է լույսի հետ կապված բազմաթիվ ծրագրերի համար, ինչպիսիք են արևային մարտկոցները և օպտոէլեկտրոնային այլ սարքերը:
IBM Research ամսագրի ուսումնասիրություն բացահայտում է Հոլի էֆեկտի երկար պահված գաղտնիքներից մեկը: Կորեայի առաջադեմ գիտության և տեխնոլոգիաների ինստիտուտի (KAIST), Կորեայի քիմիական տեխնոլոգիաների գիտահետազոտական ինստիտուտի (KRICT), Դյուկի համալսարանի և IBM-ի հետազոտողները հայտնաբերել են նոր բանաձև և տեխնիկա, որը թույլ է տալիս մեզ միաժամանակ տեղեկատվություն ստանալ հիմնական և ոչ հիմնականի մասին: կրիչներ, ինչպիսիք են դրանց կոնցենտրացիան և շարժունակությունը, ինչպես նաև լրացուցիչ տեղեկություններ ստանալ կրիչի կյանքի տևողության, դիֆուզիայի երկարության և ռեկոմբինացիայի գործընթացի մասին:
Ավելի կոնկրետ, ֆոտո-Հոլլ փորձի ժամանակ երկու կրիչներն էլ նպաստում են հաղորդունակության (σ) և Hall գործակցի փոփոխությանը (H, համաչափ Հոլի լարման և մագնիսական դաշտի հարաբերակցությանը): Հիմնական պատկերացումները գալիս են հաղորդունակության և Hall գործակիցի չափումից՝ որպես լույսի ինտենսիվության ֆունկցիա: Հաղորդականություն-Hall գործակից կորի (σ-H) ձևի մեջ թաքնված է սկզբունքորեն նոր տեղեկություն՝ երկու կրիչների շարժունակության տարբերությունը: Ինչպես քննարկվել է հոդվածում, այս հարաբերությունները կարելի է էլեգանտ կերպով արտահայտել.
$$ցուցադրել$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$ցուցադրել$$
Սկսելով հայտնի մեծամասնության կրիչի խտությունից՝ ավանդական Hall չափումից մթության մեջ, մենք կարող ենք բացահայտել ինչպես մեծամասնության, այնպես էլ փոքրամասնության կրիչի շարժունակությունը և խտությունը՝ որպես լույսի ինտենսիվության ֆունկցիա: Թիմը անվանել է չափման նոր մեթոդ՝ Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH): Լույսի լուսավորության հայտնի ինտենսիվության դեպքում կրիչի կյանքի տևողությունը կարող է սահմանվել նույն կերպ: Այս կապը և դրա լուծումները թաքնված են եղել Հոլի էֆեկտի հայտնաբերումից հետո գրեթե մեկուկես դար։
Բացի այս տեսական ըմբռնման առաջընթացից, փորձարարական մեթոդների առաջընթացը նույնպես կարևոր է այս նոր մեթոդը հնարավոր դարձնելու համար: Մեթոդը պահանջում է Hall ազդանշանի մաքուր չափում, որը կարող է դժվար լինել այն նյութերի համար, որտեղ Hall ազդանշանը թույլ է (օրինակ՝ ցածր շարժունակության պատճառով) կամ երբ առկա են լրացուցիչ անցանկալի ազդանշաններ, ինչպես օրինակ ուժեղ լույսի ճառագայթման դեպքում: Դա անելու համար անհրաժեշտ է կատարել Hall-ի չափում` օգտագործելով տատանվող մագնիսական դաշտ: Ինչպես ռադիո լսելիս, դուք պետք է ընտրեք ցանկալի կայանի հաճախականությունը՝ հրաժարվելով աղմուկի դեր կատարող մնացած բոլոր հաճախականություններից: CRPH մեթոդը մեկ քայլ առաջ է գնում և ընտրում է ոչ միայն ցանկալի հաճախականությունը, այլ նաև տատանվող մագնիսական դաշտի փուլը՝ օգտագործելով համաժամանակյա զգայություն կոչվող մեթոդը: Տատանվող Hall-ի չափման այս հայեցակարգը վաղուց հայտնի է, բայց տատանվող մագնիսական դաշտ ստեղծելու համար էլեկտրամագնիսական պարույրների համակարգի օգտագործման ավանդական մեթոդն անարդյունավետ էր:
Նախորդ բացահայտումը
Ինչպես հաճախ է պատահում գիտության մեջ, մի ոլորտում առաջընթացը պայմանավորված է մյուսի բացահայտումներով: 2015 թվականին IBM Research-ը զեկուցեց ֆիզիկայում նախկինում անհայտ երևույթի մասին, որը կապված է մագնիսական դաշտի սահմանափակման նոր էֆեկտի հետ, որը կոչվում է «ուղտի կուզ» էֆեկտ, որը տեղի է ունենում լայնակի դիպոլների երկու գծերի միջև, երբ դրանք գերազանցում են կրիտիկական երկարությունը, ինչպես ցույց է տրված Նկար 2ա-ում: Էֆեկտը հիմնական հատկանիշն է, որը հնարավորություն է տալիս ստեղծել բնական մագնիսական թակարդի նոր տեսակ, որը կոչվում է զուգահեռ դիպոլային գծի թակարդ (PDL թակարդ), ինչպես ցույց է տրված Նկար 2b-ում: Մագնիսական PDL թակարդը կարող է օգտագործվել որպես նոր հարթակ մի շարք զգայական ծրագրերի համար, ինչպիսիք են թեքաչափը, սեյսմոմետրը (երկրաշարժի սենսոր): Նման նոր սենսորային համակարգերը, որոնք զուգորդվում են մեծ տվյալների տեխնոլոգիաների հետ, կարող են բացել բազմաթիվ նոր հավելվածներ, և դրանք ուսումնասիրվում են IBM հետազոտական թիմի կողմից, որը մշակում է տվյալների վերլուծության մեծ հարթակ, որը կոչվում է IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), որը պարունակում է մեծ քանակությամբ աշխարհատարածական: և իրերի ինտերնետի տվյալները (IoT):
Զարմանալիորեն, նույն PDL տարրը մեկ այլ եզակի կիրառություն ունի. Երբ պտտվում է, այն ծառայում է որպես իդեալական ֆոտո-Հոլլ փորձարարական համակարգ՝ մագնիսական դաշտի միակողմանի և մաքուր ներդաշնակ տատանում ստանալու համար (Նկար 2c): Ավելի կարևոր է, որ համակարգը բավականաչափ տարածություն է տրամադրում, որպեսզի թույլ տա նմուշի լայն տարածքի լուսավորությունը, ինչը կարևոր է ֆոտոդահլիճի փորձերում:
Հարված
Նոր ֆոտոդահլիճի մեթոդը, որը մենք մշակել ենք, թույլ է տալիս կիսահաղորդիչներից կորզել զարմանալի քանակությամբ տեղեկատվություն: Ի տարբերություն միայն երեք պարամետրի, որոնք ստացվել են դասական Hall-ի չափման ժամանակ, այս նոր մեթոդը տալիս է մինչև յոթ պարամետր՝ յուրաքանչյուր փորձարկված լույսի ինտենսիվության դեպքում: Սա ներառում է ինչպես էլեկտրոնների, այնպես էլ անցքերի շարժունակությունը. դրանց կրիչի կոնցենտրացիան լույսի ազդեցության տակ. ռեկոմբինացիայի կյանքի տևողությունը; և էլեկտրոնների, անցքերի և երկբևեռ տեսակների դիֆուզիայի երկարությունը: Այս ամենը կարելի է կրկնել N անգամ (այսինքն՝ փորձարկման ժամանակ օգտագործված լույսի ինտենսիվության պարամետրերի քանակը):
Այս նոր հայտնագործությունը և տեխնոլոգիան կօգնեն առաջ մղել կիսահաղորդչային առաջընթացը ինչպես առկա, այնպես էլ նոր տեխնոլոգիաներում: Այժմ մենք ունենք գիտելիքներ և գործիքներ, որոնք անհրաժեշտ են կիսահաղորդչային նյութերի ֆիզիկական բնութագրերը մանրամասնորեն հանելու համար: Օրինակ, դա կօգնի արագացնել հաջորդ սերնդի կիսահաղորդչային տեխնոլոգիաների զարգացումը, ինչպիսիք են ավելի լավ արևային մարտկոցները, ավելի լավ օպտոէլեկտրոնային սարքերը և արհեստական ինտելեկտի տեխնոլոգիաների նոր նյութերն ու սարքերը:
հոդվածը հրապարակվել է 7 թվականի հոկտեմբերի 2019-ին .
Թարգմանություն Նիկոլայ Մարին (), IBM-ի գլխավոր տեխնոլոգիական տնօրեն Ռուսաստանում և ԱՊՀ երկրներում։
Source: www.habr.com