IBM Research-ийн зохиогчдын нийтлэлийн орчуулга.
Физикийн чухал нээлт нь хагас дамжуулагчийн физик шинж чанарыг илүү нарийвчлан судлах боломжийг бидэнд олгоно. Энэ нь дараагийн үеийн хагас дамжуулагч технологийн хөгжлийг хурдасгахад тусална.
Зохиогчид:
- IBM Research-ийн ажилтан
Даг Бишоп - IBM Research компанийн шинж чанарын инженер
Хагас дамжуулагч нь өнөөгийн дижитал электрон эриний үндсэн барилгын материал бөгөөд компьютер, ухаалаг гар утас болон бусад хөдөлгөөнт төхөөрөмж гэх мэт бидний орчин үеийн амьдралд тустай олон төрлийн төхөөрөмжийг бидэнд олгодог. Хагас дамжуулагчийн үйл ажиллагаа, гүйцэтгэлийн сайжруулалт нь тооцоолол, мэдрэгч, эрчим хүч хувиргах чиглэлээр дараагийн үеийн хагас дамжуулагч хэрэглээг бий болгож байна. Судлаачид хагас дамжуулагч төхөөрөмж болон дэвшилтэт хагас дамжуулагч материалын доторх электрон цэнэгийг бүрэн ойлгох чадварын хязгаарлалтыг даван туулахын тулд бидний урагшлах чадварыг саатуулж байна.
Сэтгүүлд гарсан шинэ судалгаанд IBM Research-ээр ахлуулсан судалгааны хамтын ажиллагаа нь физикийн 140 жилийн түүхтэй нууцыг тайлах сэтгэл хөдөлгөм нээлтийн тухай өгүүлдэг бөгөөд энэ нь хагас дамжуулагчийн физик шинж чанарыг илүү нарийвчлан судалж, шинэ, сайжруулсан хагас дамжуулагч материалыг бий болгох боломжийг олгоно.
Хагас дамжуулагчийн физикийг жинхэнэ утгаар нь ойлгохын тулд эхлээд материал доторх цэнэг тээвэрлэгчдийн үндсэн шинж чанаруудыг ойлгох хэрэгтэй, тэдгээр нь сөрөг эсвэл эерэг тоосонцор уу, тэдгээрийн цахилгаан орон дахь хурд, материал дотор хэр нягт савлагддагийг ойлгох хэрэгтэй. Физикч Эдвин Холл 1879 онд соронзон орон нь дамжуулагч доторх электрон цэнэгийн хөдөлгөөнийг хазайлгах бөгөөд хазайлтын хэмжээг цэнэгийн чиглэлийн урсгалд перпендикуляр потенциалын зөрүүгээр хэмжиж болохыг олж мэдсэнээр эдгээр шинж чанарыг тодорхойлох аргыг олсон юм. тоосонцор, Зураг 1а-д үзүүлсэн шиг. Холл хүчдэл гэж нэрлэгддэг энэхүү хүчдэл нь хагас дамжуулагч дахь цэнэгийн тээвэрлэгчдийн тухай чухал мэдээллийг харуулдаг бөгөөд тэдгээр нь сөрөг электрон эсвэл эерэг хагас бөөмс үү, "нүх" гэж нэрлэгддэг цахилгаан талбарт хэр хурдан хөдөлдөг, эсвэл тэдгээрийн "хөдөлгөөн" (µ) ), хагас дамжуулагчийн доторх тэдгээрийн концентраци (n).
140 жилийн нууц
Холлыг нээснээс хойш хэдэн арван жилийн дараа судлаачид гэрлийн тусламжтайгаар Холл эффектийн хэмжилт хийж болохыг олж мэдсэн - фото Холл хэмээх туршилтыг Зураг 1б-г үзнэ үү. Ийм туршилтанд гэрлийн гэрэлтүүлэг нь хагас дамжуулагчийн дотор олон зөөгч буюу электрон нүхний хосыг үүсгэдэг. Харамсалтай нь Холлын үндсэн эффектийн талаарх бидний ойлголт нь зөвхөн дийлэнх (эсвэл дийлэнх) цэнэгийн тээвэрлэгчдийн талаархи ойлголтыг өгсөн. Судлаачид хоёр мэдээллийн хэрэгслээр (гол ба үндсэн бус) параметрүүдийг нэгэн зэрэг гаргаж авч чадаагүй. Ийм мэдээлэл нь нарны хавтан болон бусад оптоэлектроник төхөөрөмжүүд гэх мэт гэрэлтэй холбоотой олон төрлийн хэрэглээний гол түлхүүр юм.
IBM Research сэтгүүлийн судалгаа Холл эффектийн удаан хадгалагдсан нууцуудын нэгийг дэлгэв. Солонгосын Шинжлэх ухаан, технологийн дэвшилтэт хүрээлэн (KAIST), Солонгосын Химийн технологийн судалгааны хүрээлэн (KRICT), Дьюкийн их сургууль, IBM-ийн судлаачид үндсэн болон үндсэн бус мэдээллийг нэгэн зэрэг гаргаж авах боломжийг олгодог шинэ томъёо, техникийг нээжээ. тэдгээрийн төвлөрөл, хөдөлгөөн зэрэг тээвэрлэгчид, түүнчлэн тээвэрлэгчийн ашиглалтын хугацаа, тархалтын урт, рекомбинацын үйл явцын талаар нэмэлт мэдээлэл авах боломжтой.
Тодруулбал, фото Холл-ын туршилтанд хоёр дамжуулагч хоёулаа цахилгаан дамжуулах чанар (σ) ба Холл коэффициент (H, Холлын хүчдэлийн соронзон оронтой пропорциональ) өөрчлөгдөхөд хувь нэмэр оруулдаг. Гол ойлголтууд нь гэрлийн эрчмийн функц болох цахилгаан дамжуулах чанар болон Холл коэффициентийг хэмжихэд ирдэг. Дамжуулах чадвар-Холл коэффицентийн муруй (σ-H) хэлбэрээр нуугдаж байгаа нь үндсэндээ шинэ мэдээллийг харуулж байна: хоёр дамжуулагчийн хөдөлгөөний ялгаа. Нийтлэлд дурдсанчлан энэ харилцааг гоёмсог байдлаар илэрхийлж болно:
$$дэлгэц$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$дэлгэц$$
Харанхуйд уламжлалт Холл хэмжилтээс мэдэгдэж буй дийлэнх тээвэрлэгчийн нягтралаас эхлэн бид олонх болон цөөнхийн зөөвөрлөгчийн хөдөлгөөн, нягтыг гэрлийн эрчмийн функц болгон илрүүлж чадна. Баг хэмжилтийн шинэ аргыг нэрлэсэн: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Гэрлийн гэрэлтүүлгийн тодорхой эрчимтэй тохиолдолд зөөгчийн ашиглалтын хугацааг ижил төстэй аргаар тогтоож болно. Холл эффектийг нээснээс хойш энэ холболт болон түүний шийдлүүд бараг зуун хагасын турш нуугдаж байсан.
Энэхүү онолын мэдлэгийн дэвшлээс гадна туршилтын аргын дэвшил нь энэхүү шинэ аргыг хэрэгжүүлэхэд чухал ач холбогдолтой юм. Энэ арга нь Холл дохиог цэвэр хэмжихийг шаарддаг бөгөөд энэ нь танхимын дохио сул байгаа материалд (жишээлбэл, хөдөлгөөн багатай тул) эсвэл хүчтэй гэрлийн цацраг туяатай адил нэмэлт хүсээгүй дохио байгаа тохиолдолд хэцүү байж болно. Үүнийг хийхийн тулд хэлбэлздэг соронзон орон ашиглан Hall хэмжилт хийх шаардлагатай. Яг л радио сонсож байхдаа дуу чимээний үүрэг гүйцэтгэдэг бусад бүх давтамжийг хаяж, хүссэн станцынхаа давтамжийг сонгох хэрэгтэй. CRPH арга нь нэг алхам урагшилж, синхрон мэдрэгч гэж нэрлэгддэг аргыг ашиглан зөвхөн хүссэн давтамжийг төдийгүй хэлбэлзэх соронзон орны фазыг сонгодог. Холлын хэлбэлзэлтэй хэмжилтийн тухай энэхүү ойлголт эрт дээр үеэс мэдэгдэж байсан боловч цахилгаан соронзон ороомгийн системийг ашиглан хэлбэлзэлтэй соронзон орон үүсгэх уламжлалт арга нь үр дүнгүй байв.
Өмнөх нээлт
Шинжлэх ухаанд ихэвчлэн тохиолддог шиг, нэг салбарт ахиц дэвшил гарахад нөгөө салбарын нээлтүүд нөлөөлдөг. 2015 онд IBM Research нь 2а-р зурагт үзүүлсэн шиг хөндлөн диполын хоёр шугамын хооронд эгзэгтэй уртаас хэтрэх үед үүсдэг "тэмээний бөмбөрцөг" хэмээх шинэ соронзон орны нөлөөлөлтэй холбоотой урьд өмнө тодорхойгүй байсан физикийн үзэгдлийг мэдээлсэн. Энэ нөлөө нь Зураг 2б-т үзүүлсэн шиг зэрэгцээ дипол шугамын урхи (PDL занга) гэж нэрлэгддэг байгалийн соронзон урхины шинэ төрлийг идэвхжүүлдэг гол онцлог юм. Соронзон PDL урхи нь налуу хэмжигч, сейсмометр (газар хөдлөлт мэдрэгч) гэх мэт янз бүрийн мэдрэгч бүхий програмуудад шинэ платформ болгон ашиглаж болно. Ийм шинэ мэдрэгч системүүд нь том өгөгдлийн технологитой хослуулан олон шинэ програмуудыг нээх боломжтой бөгөөд үүнийг IBM судалгааны баг IBM Физик Аналитик Нэгдсэн Хадгалах Үйлчилгээ (PAIRS) хэмээх том өгөгдлийн аналитик платформыг хөгжүүлж байгаа бөгөөд энэ нь гео орон зайн баялагийг агуулдаг. болон зүйлсийн интернет өгөгдөл.(IoT).
Гайхалтай нь ижил PDL элемент нь өөр өвөрмөц програмтай байдаг. Эргүүлэх үед энэ нь соронзон орны нэг чиглэлтэй, цэвэр гармоник хэлбэлзлийг олж авах хамгийн тохиромжтой фото-холл туршилтын систем болдог (Зураг 2c). Хамгийн чухал нь энэ систем нь дээжийн өргөн талбайг гэрэлтүүлэх хангалттай зайг өгдөг бөгөөд энэ нь фото танхимын туршилтанд чухал ач холбогдолтой юм.
Үр нөлөө
Бидний боловсруулсан фото танхимын шинэ арга нь хагас дамжуулагчаас гайхалтай хэмжээний мэдээллийг гаргаж авах боломжийг олгодог. Сонгодог Холл хэмжилтээр олж авсан гурван параметрээс ялгаатай нь энэхүү шинэ арга нь туршсан гэрлийн эрч хүч тус бүр дээр долоон параметрийг өгдөг. Үүнд электрон болон нүхний хөдөлгөөнт байдал; гэрлийн нөлөөн дор тэдгээрийн тээвэрлэгчийн концентраци; рекомбинацын ашиглалтын хугацаа; электрон, нүх, хоёр туйлт төрлүүдийн тархалтын урт. Энэ бүгдийг N удаа давтаж болно (өөрөөр хэлбэл туршилтанд ашигласан гэрлийн эрчмийн параметрүүдийн тоо).
Энэхүү шинэ нээлт, технологи нь одоо байгаа болон шинээр гарч ирж буй технологийн аль алинд нь хагас дамжуулагчийн дэвшлийг ахиулахад тусална. Одоо бидэнд хагас дамжуулагч материалын физик шинж чанарыг нарийвчлан гаргаж авахад шаардлагатай мэдлэг, багаж хэрэгсэл бий. Тухайлбал, илүү сайн нарны зай хураагуур, илүү сайн оптоэлектроник төхөөрөмж, хиймэл оюун ухааны технологийн шинэ материал, төхөөрөмж зэрэг дараагийн үеийн хагас дамжуулагч технологийн хөгжлийг хурдасгахад тусална.
нийтлэл 7 оны 2019-р сарын XNUMX-нд нийтлэгдсэн .
Орчуулга: Николай Марин (), Орос болон ТУХН-ийн орнуудын IBM-ийн технологийн ахлах ажилтан.
Эх сурвалж: www.habr.com