Tarjamahan artikel ku pangarang ti IBM Research.
Hiji terobosan penting dina fisika bakal ngidinan urang pikeun neuleuman ciri fisik semikonduktor dina leuwih jéntré. Ieu tiasa ngabantosan ngagancangkeun pamekaran téknologi semikonduktor generasi salajengna.
Pangarang:
- Anggota Staf, IBM Panalungtikan
Doug Bishop - Insinyur Characterization, Panalungtikan IBM
Semikonduktor mangrupakeun blok wangunan dasar jaman éléktronik digital kiwari, nyadiakeun kami kalawan rupa-rupa alat nu nguntungkeun kahirupan modern urang, kayaning komputer, smartphone jeung alat mobile lianna. Perbaikan fungsionalitas sareng kinerja semikonduktor ogé ngamungkinkeun aplikasi semikonduktor generasi salajengna dina komputasi, sensing, sareng konversi énergi. Panaliti parantos lami bajoang pikeun ngatasi watesan kamampuan urang pikeun ngartos sapinuhna biaya éléktronik dina alat semikonduktor sareng bahan semikonduktor canggih anu nahan kamampuan urang pikeun maju.
Dina ulikan anyar dina jurnal Kolaborasi panalungtikan anu dipingpin ku IBM Research ngajelaskeun terobosan anu pikaresepeun dina ngarengsekeun misteri 140 taun dina fisika, anu bakal ngamungkinkeun urang pikeun diajar ciri fisik semikonduktor sacara langkung rinci sareng ngaktifkeun pamekaran bahan semikonduktor anu énggal sareng ningkat.
Pikeun leres-leres ngartos fisika semikonduktor, urang kedah ngartos heula sipat dasar pembawa muatan dina bahan, naha partikel négatip atanapi positif, lajuna dina médan listrik anu diterapkeun, sareng kumaha padetna dipak dina bahan. Fisikawan Edwin Hall manggihan cara pikeun nangtukeun sipat-sipat ieu dina taun 1879 nalika manéhna manggihan yén médan magnét bakal nyimpangkeun gerak muatan éléktron dina konduktor, sarta yén jumlah defleksi bisa diukur salaku béda poténsial jejeg arah aliran muatan. partikel, ditémbongkeun saperti dina Gambar 1a. Tegangan ieu, katelah tegangan Hall, nembongkeun informasi signifikan ngeunaan pamawa muatan dina semikonduktor, kaasup naha éta éléktron négatip atawa quasiparticles positif disebut "liang," sabaraha gancang aranjeunna gerak dina médan listrik, atawa "mobilitas" maranéhna (µ ), sarta konsentrasina (n) di jero semikonduktor.
misteri 140 taun heubeul
Puluhan taun sanggeus kapanggihna Hall, panalungtik ogé manggihan yén maranéhna bisa nyieun pangukuran efek Hall kalawan lampu-percobaan disebut poto-Aula, tingali Gambar 1b. Dina percobaan sapertos kitu, katerangan cahaya ngahasilkeun sababaraha operator, atanapi pasangan éléktron-liang, dina semikonduktor. Hanjakalna, pamahaman kami ngeunaan pangaruh Hall dasar parantos masihan wawasan ngan ukur mayoritas (atanapi mayoritas) operator muatan. Para panalungtik teu bisa nimba parameter tina duanana media (utama jeung non-utama) sakaligus. Inpormasi sapertos kitu mangrupikeun konci pikeun seueur aplikasi anu aya hubunganana sareng lampu, sapertos panél surya sareng alat optoeléktronik sanés.
Studi majalah IBM Panalungtikan nembongkeun salah sahiji Rahasia lila-diteundeun tina pangaruh Aula. Panaliti ti Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke University, sareng IBM parantos mendakan rumus sareng téknik énggal anu ngamungkinkeun urang pikeun sakaligus nimba inpormasi ngeunaan dasar sareng non-dasar. operator, kayaning konsentrasi sarta mobilitas maranéhanana, kitu ogé ménta émbaran tambahan ngeunaan umur pamawa, panjang difusi jeung prosés rekombinasi.
Leuwih husus, dina percobaan poto-Aula, duanana operator nyumbang kana parobahan konduktivitas (σ) jeung koefisien Hall (H, sabanding jeung rasio tegangan Aula jeung médan magnét). Wawasan konci asalna tina ngukur konduktivitas sareng koefisien Hall salaku fungsi inténsitas cahaya. Disumputkeun dina wangun kurva koefisien konduktivitas-Aula (σ-H) nembongkeun informasi fundamentally anyar: bédana dina mobilitas duanana operator. Sakumaha anu dibahas dina tulisan, hubungan ieu tiasa dikedalkeun sacara elegan:
$$tampilan$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$tampilan$$
Dimimitian ku dénsitas pamawa mayoritas anu dipikanyaho tina pangukuran Aula tradisional dina poék, urang tiasa ngungkabkeun mobilitas sareng dénsitas pamawa mayoritas sareng minoritas salaku fungsi tina inténsitas cahaya. Tim éta namina metode pangukuran énggal: Aula Poto-Resolved Carrier (CRPH). Kalayan inténsitas cahaya anu terang, umur pamawa tiasa ditetepkeun ku cara anu sami. Sambungan ieu sareng solusina parantos disumputkeun ampir satengah abad ti saprak kapanggihna pangaruh Hall.
Salian ti kamajuan dina pamahaman téoritis ieu, kamajuan dina métode ékspérimén ogé kritis pikeun ngaktipkeun metoda anyar ieu. Metoda ieu merlukeun ukur murni sinyal Aula, nu bisa jadi hésé pikeun bahan dimana sinyal Aula lemah (contona, alatan mobilitas low) atawa lamun sinyal tambahan nu teu dihoyongkeun hadir, sakumaha dina irradiation cahaya kuat. Jang ngalampahkeun ieu, perlu pikeun ngalakukeun ukuran Aula ngagunakeun médan magnét osilasi. Sapertos nalika ngadangukeun radio, anjeun kedah milih frekuensi stasiun anu dipikahoyong, miceun sadaya frekuensi sanés anu janten bising. Métode CRPH langkung saléngkah sareng milih henteu ngan ukur frékuénsi anu dipikahoyong tapi ogé fase médan magnét osilasi nganggo metode anu disebut sensing sinkron. Konsep pangukuran Aula osilasi ieu parantos lami dipikanyaho, tapi metode tradisional ngagunakeun sistem coils éléktromagnétik pikeun ngahasilkeun médan magnét osilasi henteu efektif.
kapanggihna saméméhna
Sakumaha anu sering kajadian dina élmu, kamajuan di hiji daérah didorong ku panemuan di daérah anu sanés. Dina 2015, IBM Research ngalaporkeun fenomena nu teu dipikanyaho saméméhna dina fisika pakait sareng pangaruh kurungan médan magnét anyar disebut "punuk onta" pangaruh, nu lumangsung antara dua garis transverse dipoles nalika aranjeunna ngaleuwihan panjang kritis, ditémbongkeun saperti dina Gambar 2a. Pangaruhna mangrupikeun fitur konci anu ngamungkinkeun jinis bubu magnét alami anu énggal anu disebut bubu garis dipole paralel (bubu PDL), sapertos anu dipidangkeun dina Gambar 2b. Perangkap PDL magnét tiasa dianggo salaku platform énggal pikeun rupa-rupa aplikasi sensing sapertos tiltmeter, seismometer (sensor gempa). Sistem sensor anyar sapertos kitu, gandeng sareng téknologi data ageung, tiasa muka seueur aplikasi énggal, sareng digali ku tim IBM Research ngembangkeun platform analitik data ageung anu disebut IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), anu ngandung kabeungharan geospasial. jeung data Internet of Things (IoT).
Ahéng, unsur PDL sarua boga aplikasi unik sejen. Lamun diputer, éta boga fungsi minangka hiji sistem percobaan poto-Aula idéal pikeun ménta hiji osilasi harmonik unidirectional tur murni tina médan magnét (Gambar 2c). Anu langkung penting, sistem nyayogikeun rohangan anu cukup pikeun ngijinkeun katerangan lega tina sampel, anu penting dina percobaan Photo-Hall.
epek
Metoda poto-aula anyar kami geus dimekarkeun ngamungkinkeun urang nimba jumlah endah tina informasi tina semikonduktor. Kontras jeung ukur tilu parameter diala dina ukuran Aula klasik, metoda anyar ieu ngahasilkeun nepi ka tujuh parameter dina unggal inténsitas cahaya diuji. Ieu ngawengku mobilitas duanana éléktron jeung liang; konsentrasi pamawa maranéhanana dina pangaruh cahaya; hirup rekombinasi; sarta panjangna difusi pikeun éléktron, liang jeung tipe ambipolar. Sadaya ieu tiasa diulang N kali (nyaéta jumlah parameter inténsitas cahaya anu dianggo dina percobaan).
Penemuan sareng téknologi anyar ieu bakal ngabantosan kamajuan semikonduktor dina téknologi anu aya sareng anu muncul. Urang ayeuna boga pangaweruh jeung parabot diperlukeun pikeun nimba ciri fisik bahan semikonduktor di jéntré hébat. Salaku conto, éta bakal ngabantosan ngagancangkeun pamekaran téknologi semikonduktor generasi salajengna, sapertos panél surya anu langkung saé, alat optoeléktronik anu langkung saé, sareng bahan sareng alat énggal pikeun téknologi intelijen buatan.
artikel diterbitkeun dina Oktober 7, 2019 di .
Tarjamahan: Nikolay Marin (), Kapala Téknologi Officer IBM di Rusia jeung nagara CIS.
sumber: www.habr.com