IBM Research авторларының мақаласының аудармасы.
Физикадағы маңызды жаңалық жартылай өткізгіштердің физикалық сипаттамаларын анағұрлым егжей-тегжейлі зерттеуге мүмкіндік береді. Бұл келесі буын жартылай өткізгіш технологиясының дамуын жеделдетуге көмектесуі мүмкін.
Авторлар:
— Қызметкер мүшесі, IBM Research
Даг Бишоп - мінездеме бойынша инженер, IBM Research
Жартылай өткізгіштер бүгінгі цифрлық электронды дәуірдің негізгі құрылыс блоктары болып табылады, олар бізге компьютерлер, смартфондар және басқа да мобильді құрылғылар сияқты заманауи өмірімізге пайдалы әр түрлі құрылғыларды ұсынады. Жартылай өткізгіштердің функционалдығы мен өнімділігінің жақсаруы сонымен қатар есептеу, сезу және энергияны түрлендіруде келесі буын жартылай өткізгіш қолданбаларына мүмкіндік береді. Зерттеушілер біздің алға жылжу қабілетімізді тежейтін жартылай өткізгіш құрылғылар мен жетілдірілген жартылай өткізгіш материалдардың ішіндегі электронды зарядтарды толық түсіну қабілетіміздегі шектеулерді еңсеру үшін ұзақ уақыт күресті.
Журналдағы жаңа зерттеуде IBM Research жетекшілігімен жүргізілген зерттеу ынтымақтастығы физикадағы 140 жылдық құпияны шешудегі қызықты серпінді сипаттайды, ол бізге жартылай өткізгіштердің физикалық сипаттамаларын әлдеқайда егжей-тегжейлі зерттеуге және жаңа және жетілдірілген жартылай өткізгіш материалдарды жасауға мүмкіндік береді.
Жартылай өткізгіштердің физикасын шынымен түсіну үшін алдымен материалдардағы заряд тасымалдаушылардың негізгі қасиеттерін, олардың теріс немесе оң бөлшектер екенін, қолданылатын электр өрісіндегі жылдамдығын және олардың материал ішінде қаншалықты тығыз орналасқанын түсінуіміз керек. Физик Эдвин Холл 1879 жылы магнит өрісі өткізгіштегі электрон зарядтарының қозғалысын ауытқытатынын және ауытқу шамасын зарядталған зарядтардың бағытталған ағынына перпендикуляр потенциалдар айырмасы ретінде өлшеуге болатынын анықтаған кезде бұл қасиеттерді анықтаудың жолын тапты. бөлшектер, 1а-суретте көрсетілгендей. Холл кернеуі деп аталатын бұл кернеу жартылай өткізгіштегі заряд тасымалдаушылар туралы маңызды ақпаратты, соның ішінде олардың теріс электрондар немесе «тесік» деп аталатын оң квазибөлшектері, электр өрісінде қаншалықты жылдам қозғалатыны немесе олардың «ұтқырлығы» (µ) туралы маңызды ақпаратты ашады. ), және олардың жартылай өткізгіш ішіндегі концентрациясы (n).
140 жылдық жұмбақ
Холл ашқаннан кейін ондаған жылдар өткен соң зерттеушілер Холл эффектісін жарықпен өлшеуге болатынын анықтады — фото Холл деп аталатын эксперименттер, 1b суретін қараңыз. Мұндай тәжірибелерде жарықтандыру жартылай өткізгіштерде бірнеше тасымалдаушыларды немесе электронды-тесік жұптарын тудырады. Өкінішке орай, біздің негізгі Холл эффектісі туралы түсінігіміз тек көпшілік (немесе көпшілік) заряд тасымалдаушылар туралы түсінік берді. Зерттеушілер екі медиадан (негізгі және негізгі емес) параметрлерді бір уақытта шығара алмады. Мұндай ақпарат күн панельдері және басқа оптоэлектрондық құрылғылар сияқты жарыққа қатысты көптеген қолданбалар үшін маңызды.
IBM Research журналының зерттеуі Холл эффектінің бұрыннан сақталған құпияларының бірін ашады. Кореяның ғылым және технологияның алдыңғы қатарлы институтының (KAIST), Кореяның химиялық технология ғылыми-зерттеу институтының (KRICT), Дьюк университетінің және IBM зерттеушілері бір уақытта негізгі және негізгі емес мәліметтер туралы ақпаратты алуға мүмкіндік беретін жаңа формула мен әдістемені тапты. олардың концентрациясы мен қозғалғыштығы сияқты тасымалдаушылар, сондай-ақ тасымалдаушының өмір сүру ұзақтығы, диффузия ұзақтығы және рекомбинация процесі туралы қосымша ақпарат алады.
Нақтырақ айтқанда, фотохолл тәжірибесінде екі тасымалдаушы да өткізгіштік (σ) мен Холл коэффициентінің (H, Холл кернеуінің магнит өрісіне қатынасына пропорционал) өзгеруіне ықпал етеді. Негізгі түсініктер жарық қарқындылығының функциясы ретінде өткізгіштік пен Холл коэффициентін өлшеуден келеді. Өткізгіштік-Холл коэффицентінің қисығы (σ-Н) пішінінде жасырылған принципті жаңа ақпаратты көрсетеді: екі тасымалдаушының да қозғалғыштығындағы айырмашылық. Мақалада талқыланғандай, бұл қатынасты талғампаз түрде көрсетуге болады:
$$дисплей$$ Δμ = d (σ²H)/dσ$$дисплей$$
Қараңғыда дәстүрлі Холл өлшеуінен белгілі көпшілік тасымалдаушы тығыздығынан бастап, біз көпшілік үшін де, азшылық үшін де тасымалдаушылардың қозғалғыштығы мен тығыздығын жарық қарқындылығының функциясы ретінде аша аламыз. Топ жаңа өлшеу әдісін атады: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Жарық жарықтандырудың белгілі қарқындылығымен тасымалдаушының қызмет ету мерзімін ұқсас жолмен орнатуға болады. Бұл байланыс және оның шешімдері Холл эффектісі ашылғаннан бері бір жарым ғасырға жуық уақыт бойы жасырылды.
Осы теориялық түсініктегі жетістіктерден басқа, эксперименттік әдістердегі жетістіктер де осы жаңа әдісті іске қосу үшін маңызды. Әдіс Холл сигналын таза өлшеуді талап етеді, бұл Холл сигналы әлсіз (мысалы, төмен қозғалғыштыққа байланысты) немесе күшті жарық сәулеленуі сияқты қосымша қажетсіз сигналдар болған кезде қиын болуы мүмкін. Ол үшін тербелмелі магнит өрісінің көмегімен Холл өлшеуін жүргізу қажет. Радио тыңдау кезіндегі сияқты, шу ретінде әрекет ететін барлық басқа жиіліктерді алып тастап, қалаған станцияның жиілігін таңдау керек. CRPH әдісі бір қадам алға жылжып, синхронды зондтау деп аталатын әдіс арқылы қажетті жиілікті ғана емес, тербелмелі магнит өрісінің фазасын да таңдайды. Тербелмелі Холл өлшеуінің бұл тұжырымдамасы бұрыннан белгілі, бірақ тербелмелі магнит өрісін құру үшін электромагниттік катушкалар жүйесін пайдаланудың дәстүрлі әдісі тиімсіз болды.
Алдыңғы жаңалық
Ғылымда жиі орын алатындай, бір саладағы ілгерілеу басқа саладағы жаңалықтарға байланысты. 2015 жылы IBM Research 2а-суретте көрсетілгендей, көлденең дипольдердің екі сызығы критикалық ұзындықтан асқанда пайда болатын «түйе өркеші» эффектісі деп аталатын жаңа магнит өрісін шектеу әсерімен байланысты физикадағы бұрын белгісіз құбылыс туралы хабарлады. Эффект 2b-суретте көрсетілгендей параллельді дипольдік сызық тұзағы (PDL тұзағы) деп аталатын табиғи магниттік тұзақтың жаңа түрін қамтамасыз ететін негізгі мүмкіндік болып табылады. Магниттік PDL тұзағын көлбеу өлшегіш, сейсмометр (жер сілкінісі сенсоры) сияқты әртүрлі сезу қолданбалары үшін жаңа платформа ретінде пайдалануға болады. Мұндай жаңа сенсорлық жүйелер үлкен деректер технологияларымен үйлескенде көптеген жаңа қолданбаларды ашуы мүмкін және оларды IBM зерттеу тобы көптеген геокеңістіктік мүмкіндіктерді қамтитын IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS) деп аталатын үлкен деректерді талдау платформасын әзірлеуде. және Интернет деректері (IoT).
Бір таңқаларлығы, сол PDL элементінің басқа бірегей қолданбасы бар. Айналдыру кезінде ол магнит өрісінің бір бағытты және таза гармоникалық тербелісін алу үшін идеалды фото-холл эксперимент жүйесі ретінде қызмет етеді (2в-сурет). Ең бастысы, жүйе үлгінің кең аймағын жарықтандыруға мүмкіндік беретін жеткілікті кеңістікті қамтамасыз етеді, бұл фотохолл эксперименттерінде өте маңызды.
Әсер ету
Біз әзірлеген жаңа фотохолл әдісі жартылай өткізгіштерден таңғажайып ақпаратты алуға мүмкіндік береді. Классикалық Холл өлшеуінде алынған үш параметрден айырмашылығы, бұл жаңа әдіс сыналған жарық қарқындылығының әрқайсысында жеті параметрге дейін береді. Бұл электрондардың да, тесіктердің де қозғалғыштығын қамтиды; жарықтың әсерінен олардың тасымалдаушысының концентрациясы; рекомбинацияның өмір сүру ұзақтығы; және электрондар, тесіктер және амбиполярлық типтер үшін диффузия ұзындығы. Мұның барлығын N рет қайталауға болады (яғни тәжірибеде қолданылатын жарық қарқындылығының параметрлерінің саны).
Бұл жаңа ашылу мен технология жартылай өткізгіштердің қолданыстағы және жаңа технологиялардағы жетістіктерін ілгерілетуге көмектеседі. Қазір бізде жартылай өткізгіш материалдардың физикалық сипаттамаларын егжей-тегжейлі алу үшін қажетті білім мен құралдар бар. Мысалы, бұл жақсы күн панельдері, жақсырақ оптоэлектрондық құрылғылар және жасанды интеллект технологияларына арналған жаңа материалдар мен құрылғылар сияқты жаңа буын жартылай өткізгіш технологиясының дамуын жеделдетуге көмектеседі.
7 жылдың 2019 қазанында жарияланған мақала .
Аударма: Николай Марин (), IBM компаниясының Ресейдегі және ТМД елдеріндегі бас технологиялық директоры.
Ақпарат көзі: www.habr.com