IBM Research autoru raksta tulkojums.
SvarÄ«gs sasniegums fizikÄ Ä¼aus mums daudz detalizÄtÄk izpÄtÄ«t pusvadÄ«tÄju fizikÄlÄs Ä«paŔības. Tas var palÄ«dzÄt paÄtrinÄt nÄkamÄs paaudzes pusvadÄ«tÄju tehnoloÄ£ijas attÄ«stÄ«bu.
Autori:
ā IBM Research darbinieks
Dags BiÅ”ops ā IBM pÄtniecÄ«bas raksturojuma inženieris
PusvadÄ«tÄji ir mÅ«sdienu digitÄlÄs elektronikas laikmeta pamatelementi, kas nodroÅ”ina mÅ«s ar dažÄdÄm ierÄ«cÄm, kas sniedz labumu mÅ«su mÅ«sdienu dzÄ«vei, piemÄram, datorus, viedtÄlruÅus un citas mobilÄs ierÄ«ces. PusvadÄ«tÄju funkcionalitÄtes un veiktspÄjas uzlabojumi arÄ« ļauj izmantot nÄkamÄs paaudzes pusvadÄ«tÄju lietojumus skaitļoÅ”anÄ, sensoros un enerÄ£ijas pÄrveidoÅ”anÄ. PÄtnieki jau ilgu laiku ir cÄ«nÄ«juÅ”ies, lai pÄrvarÄtu ierobežojumus mÅ«su spÄjai pilnÄ«bÄ izprast elektroniskos lÄdiÅus pusvadÄ«tÄju ierÄ«cÄs un progresÄ«vos pusvadÄ«tÄju materiÄlos, kas kavÄ mÅ«su spÄju virzÄ«ties uz priekÅ”u.
JaunÄ Å¾urnÄla pÄtÄ«jumÄ IBM Research vadÄ«tÄ pÄtniecÄ«bas sadarbÄ«ba apraksta aizraujoÅ”u izrÄvienu 140 gadus veca fizikas noslÄpuma atrisinÄÅ”anÄ, kas ļaus mums daudz detalizÄtÄk izpÄtÄ«t pusvadÄ«tÄju fizikÄlÄs Ä«paŔības un ļaus izstrÄdÄt jaunus un uzlabotus pusvadÄ«tÄju materiÄlus.
Lai patiesi izprastu pusvadÄ«tÄju fiziku, mums vispirms ir jÄsaprot materiÄlos esoÅ”o lÄdiÅu nesÄju pamatÄ«paŔības neatkarÄ«gi no tÄ, vai tÄs ir negatÄ«vas vai pozitÄ«vas daļiÅas, to Ätrums pielietotajÄ elektriskajÄ laukÄ un cik blÄ«vi tie ir iepakoti materiÄlÄ. FiziÄ·is EdvÄ«ns Hols atrada veidu, kÄ noteikt Ŕīs Ä«paŔības 1879. gadÄ, kad viÅÅ” atklÄja, ka magnÄtiskais lauks novirzÄ«s elektronu lÄdiÅu kustÄ«bu vadÄ«tÄjÄ un ka novirzes lielumu var izmÄrÄ«t kÄ potenciÄlu starpÄ«bu, kas ir perpendikulÄra lÄdÄta virziena plÅ«smai. daļiÅas, kÄ parÄdÄ«ts 1.a attÄlÄ. Å is spriegums, kas pazÄ«stams kÄ Hola spriegums, atklÄj nozÄ«mÄ«gu informÄciju par lÄdiÅa nesÄjiem pusvadÄ«tÄjÄ, tostarp par to, vai tie ir negatÄ«vi elektroni vai pozitÄ«vas kvazidaļiÅas, ko sauc par "caurumiem", cik Ätri tie pÄrvietojas elektriskajÄ laukÄ vai to "mobilitÄti" (Āµ ) un to koncentrÄcija (n) pusvadÄ«tÄja iekÅ”pusÄ.
140 gadus vecs noslÄpums
Gadu desmitiem pÄc Hola atklÄjuma pÄtnieki arÄ« atklÄja, ka viÅi var veikt Hola efekta mÄrÄ«jumus ar gaismu ā eksperimentus, ko sauc par fotozÄli, skatiet 1.b attÄlu. Å Ädos eksperimentos gaismas apgaismojums pusvadÄ«tÄjos rada vairÄkus nesÄjus vai elektronu caurumu pÄrus. DiemžÄl mÅ«su izpratne par Halla pamata efektu ir sniegusi ieskatu tikai lielÄkajÄ daÄ¼Ä (vai vairÄkuma) lÄdiÅu nesÄju. PÄtnieki nevarÄja iegÅ«t parametrus no abiem plaÅ”saziÅas lÄ«dzekļiem (galvenajiem un nenozÄ«mÄ«gÄkajiem) vienlaikus. Å Äda informÄcija ir bÅ«tiska daudzÄm ar gaismu saistÄ«tÄm lietojumprogrammÄm, piemÄram, saules paneļiem un citÄm optoelektroniskÄm ierÄ«cÄm.
IBM Research žurnÄla pÄtÄ«jums atklÄj vienu no sen glabÄtajiem Hallas efekta noslÄpumiem. PÄtnieki no Korejas ZinÄtÅu un tehnoloÄ£iju progresÄ«vÄ institÅ«ta (KAIST), Korejas ĶīmiskÄs tehnoloÄ£ijas pÄtniecÄ«bas institÅ«ta (KRICT), DjÅ«ka universitÄtes un IBM ir atklÄjuÅ”i jaunu formulu un paÅÄmienu, kas ļauj vienlaikus iegÅ«t informÄciju par pamata un nepamatotu. nesÄjus, piemÄram, to koncentrÄciju un mobilitÄti, kÄ arÄ« iegÅ«t papildu informÄciju par nesÄja kalpoÅ”anas laiku, difÅ«zijas garumu un rekombinÄcijas procesu.
PrecÄ«zÄk, foto-Hall eksperimentÄ abi nesÄji veicina izmaiÅas vadÄ«tspÄjÄ (Ļ) un Hola koeficientÄ (H, proporcionÄli Hola sprieguma attiecÄ«bai pret magnÄtisko lauku). GalvenÄs atziÅas rodas, mÄrot vadÄ«tspÄju un Hola koeficientu kÄ gaismas intensitÄtes funkciju. PaslÄpts vadÄ«tspÄjas-Hola koeficienta lÄ«knes formÄ (Ļ-H) parÄda principiÄli jaunu informÄciju: abu nesÄju mobilitÄtes atŔķirÄ«bas. KÄ minÄts rakstÄ, Ŕīs attiecÄ«bas var izteikt eleganti:
$$displejs$$ ĪĀµ = d (ĻĀ²H)/dĻ$$displejs$$
SÄkot ar zinÄmo vairÄkuma nesÄju blÄ«vumu no tradicionÄlÄ Hola mÄrÄ«juma tumsÄ, mÄs varam atklÄt gan lielÄkÄs daļas, gan mazÄkuma nesÄju mobilitÄti un blÄ«vumu kÄ gaismas intensitÄtes funkciju. Komanda nosauca jauno mÄrÄ«Å”anas metodi: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Ar zinÄmu gaismas apgaismojuma intensitÄti nesÄja kalpoÅ”anas laiku var noteikt lÄ«dzÄ«gÄ veidÄ. Å Ä« saikne un tÄs risinÄjumi ir slÄpti gandrÄ«z pusotru gadsimtu kopÅ” Hallas efekta atklÄÅ”anas.
Papildus sasniegumiem Å”ajÄ teorÄtiskajÄ izpratnÄ, eksperimentÄlo metožu sasniegumi ir arÄ« bÅ«tiski, lai nodroÅ”inÄtu Å”o jauno metodi. Metode prasa tÄ«ru Hall signÄla mÄrÄ«jumu, kas var bÅ«t sarežģīts materiÄliem, kur Hall signÄls ir vÄjÅ” (piemÄram, zemas mobilitÄtes dÄļ) vai ja ir papildu nevÄlami signÄli, piemÄram, ar spÄcÄ«gu gaismas apstaroÅ”anu. Lai to izdarÄ«tu, ir nepiecieÅ”ams veikt Holas mÄrÄ«jumu, izmantojot oscilÄjoÅ”u magnÄtisko lauku. TÄpat kÄ klausoties radio, ir jÄizvÄlas vÄlamÄs stacijas frekvence, atmetot visas pÄrÄjÄs frekvences, kas darbojas kÄ troksnis. CRPH metode iet vienu soli tÄlÄk un izvÄlas ne tikai vÄlamo frekvenci, bet arÄ« oscilÄjoÅ”Ä magnÄtiskÄ lauka fÄzi, izmantojot metodi, ko sauc par sinhrono sensoru. Å Ä« oscilÄjoÅ”Ä Hola mÄrÄ«juma koncepcija ir zinÄma jau sen, taÄu tradicionÄlÄ metode elektromagnÄtisko spoļu sistÄmas izmantoÅ”anai svÄrstÄ«ga magnÄtiskÄ lauka Ä£enerÄÅ”anai bija neefektÄ«va.
IepriekÅ”Äjais atklÄjums
KÄ tas bieži notiek zinÄtnÄ, progresu vienÄ jomÄ virza atklÄjumi citÄ jomÄ. 2015. gadÄ IBM Research ziÅoja par iepriekÅ” nezinÄmu fenomenu fizikÄ, kas saistÄ«ts ar jaunu magnÄtiskÄ lauka ierobežojuma efektu, ko sauc par ākamieļa kupraā efektu, kas rodas starp divÄm ŔķÄrsvirziena dipolu lÄ«nijÄm, kad tÄs pÄrsniedz kritisko garumu, kÄ parÄdÄ«ts 2.a attÄlÄ. Efekts ir galvenÄ iezÄ«me, kas nodroÅ”ina jauna veida dabisko magnÄtisko slazdu, ko sauc par paralÄlÄs dipola lÄ«nijas slazdu (PDL slazdu), kÄ parÄdÄ«ts 2.b attÄlÄ. MagnÄtisko PDL slazdu var izmantot kÄ jaunu platformu dažÄdiem sensoru lietojumiem, piemÄram, tiltmetram, seismometram (zemestrÄ«ces sensoram). Å Ädas jaunas sensoru sistÄmas kopÄ ar lielo datu tehnoloÄ£ijÄm varÄtu pavÄrt daudzas jaunas lietojumprogrammas, un tÄs pÄta IBM pÄtniecÄ«bas komanda, izstrÄdÄjot lielu datu analÄ«zes platformu IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), kas satur daudz Ä£eotelpisko datu. un lietiskÄ interneta dati (IoT).
PÄrsteidzoÅ”i, tam paÅ”am PDL elementam ir vÄl viena unikÄla lietojumprogramma. Pagriežot, tÄ kalpo kÄ ideÄla fotozÄles eksperimentu sistÄma, lai iegÅ«tu vienvirziena un tÄ«ru magnÄtiskÄ lauka harmonisku svÄrstÄ«bu (2.c attÄls). VÄl svarÄ«gÄk ir tas, ka sistÄma nodroÅ”ina pietiekami daudz vietas, lai varÄtu apgaismot plaÅ”u parauga laukumu, kas ir ļoti svarÄ«gi fotozÄles eksperimentos.
Trieciens
MÅ«su izstrÄdÄtÄ jaunÄ fotozÄles metode ļauj mums iegÅ«t pÄrsteidzoÅ”u informÄcijas daudzumu no pusvadÄ«tÄjiem. PretstatÄ tikai trim parametriem, kas iegÅ«ti klasiskajÄ Hall mÄrÄ«jumÄ, Ŕī jaunÄ metode nodroÅ”ina lÄ«dz pat septiÅiem parametriem katrÄ no pÄrbaudÄ«tajÄm gaismas intensitÄtÄm. Tas ietver gan elektronu, gan caurumu mobilitÄti; to nesÄja koncentrÄcija gaismas ietekmÄ; rekombinÄcijas kalpoÅ”anas laiks; un difÅ«zijas garums elektroniem, caurumiem un ambipolÄriem tipiem. To visu var atkÄrtot N reizes (t.i., eksperimentÄ izmantoto gaismas intensitÄtes parametru skaitu).
Å is jaunais atklÄjums un tehnoloÄ£ija palÄ«dzÄs uzlabot pusvadÄ«tÄju sasniegumus gan esoÅ”ajÄs, gan topoÅ”ajÄs tehnoloÄ£ijÄs. Tagad mums ir zinÄÅ”anas un instrumenti, kas nepiecieÅ”ami, lai ļoti detalizÄti iegÅ«tu pusvadÄ«tÄju materiÄlu fizikÄlÄs Ä«paŔības. PiemÄram, tas palÄ«dzÄs paÄtrinÄt nÄkamÄs paaudzes pusvadÄ«tÄju tehnoloÄ£iju attÄ«stÄ«bu, piemÄram, labÄkus saules paneļus, labÄkas optoelektroniskÄs ierÄ«ces un jaunus materiÄlus un ierÄ«ces mÄkslÄ«gÄ intelekta tehnoloÄ£ijÄm.
raksts publicÄts 7. gada 2019. oktobrÄ« .
Tulkojums: Nikolajs Marins (), IBM tehnoloÄ£iju direktors KrievijÄ un NVS valstÄ«s.
Avots: www.habr.com