Përkthimi i një artikulli nga autorë nga IBM Research.
Një zbulim i rëndësishëm në fizikë do të na lejojë të studiojmë karakteristikat fizike të gjysmëpërçuesve në detaje shumë më të mëdha. Kjo mund të ndihmojë në përshpejtimin e zhvillimit të teknologjisë gjysmëpërçuese të gjeneratës së ardhshme.
Autorët:
— Anëtar i Stafit, IBM Research
Doug Bishop - Inxhinier Karakterizimi, IBM Research
Gjysmëpërçuesit janë blloqet bazë të ndërtimit të epokës elektronike dixhitale të sotme, duke na ofruar një shumëllojshmëri pajisjesh që përfitojnë jetën tonë moderne, si kompjuterët, telefonat inteligjentë dhe pajisje të tjera celulare. Përmirësimet në funksionalitetin dhe performancën e gjysmëpërçuesve po mundësojnë gjithashtu aplikime gjysmëpërçuese të gjeneratës së ardhshme në llogaritjen, ndjeshmërinë dhe konvertimin e energjisë. Studiuesit kanë luftuar prej kohësh për të kapërcyer kufizimet në aftësinë tonë për të kuptuar plotësisht ngarkesat elektronike brenda pajisjeve gjysmëpërçuese dhe materialeve të avancuara gjysmëpërçuese që po pengojnë aftësinë tonë për të ecur përpara.
Në një studim të ri në revistë Një bashkëpunim kërkimor i udhëhequr nga IBM Research përshkruan një zbulim emocionues në zgjidhjen e një misteri 140-vjeçar në fizikë, i cili do të na lejojë të studiojmë karakteristikat fizike të gjysmëpërçuesve në detaje shumë më të mëdha dhe të mundësojë zhvillimin e materialeve gjysmëpërçuese të reja dhe të përmirësuara.
Për të kuptuar me të vërtetë fizikën e gjysmëpërçuesve, së pari duhet të kuptojmë vetitë themelore të bartësve të ngarkesës brenda materialeve, qofshin ato grimca negative apo pozitive, shpejtësinë e tyre në një fushë elektrike të aplikuar dhe sa dendur janë të mbushura brenda materialit. Fizikani Edwin Hall gjeti një mënyrë për të përcaktuar këto veti në vitin 1879 kur zbuloi se një fushë magnetike do të devijojë lëvizjen e ngarkesave të elektroneve brenda një përcjellësi dhe se sasia e devijimit mund të matet si diferenca potenciale pingul me rrjedhën e drejtuar të ngarkesës. grimcat, siç tregohet në figurën 1a. Ky tension, i njohur si tensioni Hall, zbulon informacione të rëndësishme rreth transportuesve të ngarkesës në gjysmëpërçues, duke përfshirë nëse ato janë elektrone negative ose kuazigrimca pozitive të quajtura "vrima", sa shpejt lëvizin ato në një fushë elektrike ose "lëvizshmëria" e tyre (µ ), dhe përqendrimi i tyre (n) brenda gjysmëpërçuesit.
Misteri 140-vjeçar
Dekada pas zbulimit të Hall, studiuesit zbuluan gjithashtu se ata mund të bënin matje të efektit Hall me dritë - eksperimente të quajtura foto-Hall, shih Figurën 1b. Në eksperimente të tilla, ndriçimi i dritës gjeneron bartës të shumtë, ose çifte elektron-vrima, në gjysmëpërçues. Fatkeqësisht, të kuptuarit tonë të efektit bazë Hall ka dhënë një pasqyrë vetëm në shumicën (ose shumicën) e transportuesve të tarifave. Studiuesit nuk ishin në gjendje të nxirrnin parametra nga të dy mediat (më të mëdha dhe jo të mëdha) njëkohësisht. Një informacion i tillë është thelbësor për shumë aplikacione të lidhura me dritën, si panelet diellore dhe pajisje të tjera optoelektronike.
Studim i revistës IBM Research zbulon një nga sekretet e mbajtura prej kohësh të efektit Hall. Studiuesit nga Instituti i Avancuar i Shkencës dhe Teknologjisë së Koresë (KAIST), Instituti i Kërkimeve të Koresë së Teknologjisë Kimike (KRICT), Universiteti Duke dhe IBM kanë zbuluar një formulë dhe teknikë të re që na lejon të nxjerrim informacione në lidhje me bazën dhe jo-bazën në të njëjtën kohë. transportuesit, si përqendrimi dhe lëvizshmëria e tyre, si dhe të merrni informacion shtesë në lidhje me jetëgjatësinë e transportuesit, gjatësinë e difuzionit dhe procesin e rikombinimit.
Më konkretisht, në një eksperiment foto-Hall, të dy bartësit kontribuojnë në ndryshimet në përçueshmëri (σ) dhe koeficientin Hall (H, proporcional me raportin e tensionit të Hall-it me fushën magnetike). Vështrimet kryesore vijnë nga matja e përçueshmërisë dhe koeficienti Hall si funksion i intensitetit të dritës. Fshehur në formën e kurbës së përçueshmërisë-koeficienti Hall (σ-H) tregon informacion thelbësisht të ri: ndryshimin në lëvizshmërinë e të dy bartësve. Siç u diskutua në artikull, kjo marrëdhënie mund të shprehet në mënyrë elegante:
$$shfaq $$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$shfaq $$
Duke filluar me një densitet të njohur të bartësit të shumicës nga një matje tradicionale e Hall-it në errësirë, ne mund të zbulojmë lëvizshmërinë dhe densitetin si për shumicën ashtu edhe për pakicën e transportuesit si funksion i intensitetit të dritës. Ekipi e quajti metodën e re të matjes: Salla e fotografive të zgjidhura nga transportuesi (CRPH). Me një intensitet të njohur të ndriçimit të dritës, jetëgjatësia e transportuesit mund të përcaktohet në mënyrë të ngjashme. Kjo lidhje dhe zgjidhjet e saj janë fshehur për gati një shekull e gjysmë që nga zbulimi i efektit Hall.
Përveç përparimeve në këtë kuptim teorik, përparimet në metodat eksperimentale janë gjithashtu kritike për të mundësuar këtë metodë të re. Metoda kërkon një matje të pastër të sinjalit Hall, gjë që mund të jetë e vështirë për materialet ku sinjali Hall është i dobët (për shembull, për shkak të lëvizshmërisë së ulët) ose kur ka sinjale shtesë të padëshiruara, si me rrezatim të fortë të dritës. Për ta bërë këtë, është e nevojshme të kryhet një matje Hall duke përdorur një fushë magnetike lëkundëse. Ashtu si kur dëgjoni radio, duhet të zgjidhni frekuencën e stacionit të dëshiruar, duke hedhur poshtë të gjitha frekuencat e tjera që veprojnë si zhurmë. Metoda CRPH shkon një hap më tej dhe zgjedh jo vetëm frekuencën e dëshiruar, por edhe fazën e fushës magnetike lëkundëse duke përdorur një metodë të quajtur sensori sinkron. Ky koncept i matjes osciluese të Hall-it ka qenë prej kohësh i njohur, por metoda tradicionale e përdorimit të një sistemi mbështjelljesh elektromagnetike për të gjeneruar një fushë magnetike lëkundëse ishte joefektive.
Zbulimi i mëparshëm
Siç ndodh shpesh në shkencë, përparimet në një fushë udhëhiqen nga zbulimet në një tjetër. Në vitin 2015, IBM Research raportoi një fenomen të panjohur më parë në fizikë të lidhur me një efekt të ri të kufizimit të fushës magnetike të quajtur efekti i "gungës së devesë", i cili ndodh midis dy linjave të dipoleve tërthore kur ato tejkalojnë një gjatësi kritike, siç tregohet në Figurën 2a. Efekti është një tipar kyç që mundëson një lloj të ri kurthi magnetik natyror të quajtur një kurth i linjës paralele të dipolit (kurthi PDL), siç tregohet në figurën 2b. Kurthi magnetik PDL mund të përdoret si një platformë e re për një sërë aplikacionesh ndijuese si pjerrësia, sizmometri (sensori i tërmetit). Sisteme të tilla të reja të sensorëve, së bashku me teknologjitë e të dhënave të mëdha, mund të hapin shumë aplikacione të reja dhe po eksplorohen nga ekipi i Kërkimeve të IBM duke zhvilluar një platformë të madhe analitike të të dhënave të quajtur Shërbimi i Depove të Integruara të Analitikës Fizike IBM (PAIRS), i cili përmban një pasuri gjeohapësinore. dhe të dhënat e Internetit të Gjërave (IoT).
Çuditërisht, i njëjti element PDL ka një aplikim tjetër unik. Kur rrotullohet, ai shërben si një sistem eksperimenti ideal i foto-Hall për të marrë një lëkundje harmonike të njëanshme dhe të pastër të fushës magnetike (Figura 2c). Më e rëndësishmja, sistemi ofron hapësirë të mjaftueshme për të lejuar ndriçimin e një zone të gjerë të kampionit, gjë që është kritike në eksperimentet e foto-Hall.
Ndikim
Metoda e re e foto sallës që kemi zhvilluar na lejon të nxjerrim një sasi të mahnitshme informacioni nga gjysmëpërçuesit. Ndryshe nga vetëm tre parametra të marrë në matjen klasike të Hall-it, kjo metodë e re jep deri në shtatë parametra në secilin nga intensitetet e dritës së testuar. Kjo përfshin lëvizshmërinë e elektroneve dhe vrimave; përqendrimi i bartësit të tyre nën ndikimin e dritës; jetëgjatësia e rikombinimit; dhe gjatësia e difuzionit për elektronet, vrimat dhe llojet ambipolare. E gjithë kjo mund të përsëritet N herë (d.m.th. numri i parametrave të intensitetit të dritës të përdorur në eksperiment).
Ky zbulim dhe teknologji e re do të ndihmojë në avancimin e avancimeve gjysmëpërçuese si në teknologjitë ekzistuese ashtu edhe në ato në zhvillim. Tani kemi njohuritë dhe mjetet e nevojshme për të nxjerrë në detaje karakteristikat fizike të materialeve gjysmëpërçuese. Për shembull, do të ndihmojë në përshpejtimin e zhvillimit të teknologjisë gjysmëpërçuese të gjeneratës së ardhshme, të tilla si panele diellore më të mira, pajisje optoelektronike më të mira dhe materiale dhe pajisje të reja për teknologjitë e inteligjencës artificiale.
artikulli i botuar më 7 tetor 2019 në .
përkthim: Nikolai Marin (), Shefi i Teknologjisë IBM në Rusi dhe vendet e CIS.
Burimi: www.habr.com