Tafsiri ya makala na waandishi kutoka Utafiti wa IBM.
Mafanikio muhimu katika fizikia yataturuhusu kusoma sifa za mwili za semiconductors kwa undani zaidi. Hii inaweza kusaidia kuharakisha maendeleo ya teknolojia ya semiconductor ya kizazi kijacho.
Waandishi:
- Mwanachama wa Wafanyakazi, Utafiti wa IBM
Doug Bishop - Mhandisi wa Tabia, Utafiti wa IBM
Semiconductors ndio msingi wa ujenzi wa enzi ya kisasa ya kielektroniki, hutupatia vifaa anuwai ambavyo vinanufaisha maisha yetu ya kisasa, kama vile kompyuta, simu mahiri na vifaa vingine vya rununu. Maboresho katika utendaji na utendakazi wa semiconductor pia yanawezesha programu za kizazi kijacho za semiconductor katika kompyuta, kuhisi, na ubadilishaji wa nishati. Watafiti wamejitahidi kwa muda mrefu kushinda vikwazo katika uwezo wetu wa kuelewa kikamilifu malipo ya kielektroniki ndani ya vifaa vya semiconductor na nyenzo za hali ya juu za semicondukta ambazo zinarudisha nyuma uwezo wetu wa kusonga mbele.
Katika utafiti mpya katika jarida Ushirikiano wa utafiti unaoongozwa na Utafiti wa IBM unaelezea mafanikio ya kusisimua katika kutatua fumbo la miaka 140 katika fizikia, ambalo litaturuhusu kujifunza sifa za kimwili za semiconductors kwa undani zaidi na kuwezesha maendeleo ya nyenzo mpya na zilizoboreshwa za semiconductor.
Ili kuelewa kikweli fizikia ya semiconductors, ni lazima kwanza tuelewe sifa za kimsingi za wabebaji wa chaji ndani ya nyenzo, iwe ni chembe hasi au chanya, kasi yao katika uwanja wa umeme unaotumika, na jinsi zilivyojaa ndani ya nyenzo. Mwanafizikia Edwin Hall alipata njia ya kubaini sifa hizi mnamo 1879 alipogundua kuwa uwanja wa sumaku utapotosha mwendo wa chaji za elektroni ndani ya kondakta, na kwamba kiwango cha mchepuko kinaweza kupimwa kama tofauti inayowezekana ya mtiririko wa mwelekeo wa chaji. chembe, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1a. Voltage hii, inayojulikana kama volteji ya Ukumbi, hufichua taarifa muhimu kuhusu vibeba chaji kwenye semicondukta, ikijumuisha iwapo ni elektroni hasi au chembe chanya zinazoitwa "mashimo," jinsi zinavyosogea kwenye uwanja wa umeme, au "uhamaji" wao (Β΅ ) , na mkusanyiko wao (n) ndani ya semiconductor.
Siri ya miaka 140
Miongo kadhaa baada ya ugunduzi wa Hall, watafiti pia waligundua kwamba wangeweza kufanya vipimo vya athari ya Ukumbi kwa mwanga-majaribio yanayoitwa photo-Hall, ona Mchoro 1b. Katika majaribio kama haya, mwangaza wa mwanga huzalisha vibebaji vingi, au jozi za shimo la elektroni, katika semiconductors. Kwa bahati mbaya, uelewa wetu wa athari ya msingi ya Ukumbi umetoa maarifa kwa watoa huduma wengi (au wengi) pekee. Watafiti hawakuweza kutoa vigezo kutoka kwa media zote mbili (kubwa na zisizo kuu) kwa wakati mmoja. Taarifa kama hizo ni muhimu kwa programu nyingi zinazohusiana na mwanga, kama vile paneli za jua na vifaa vingine vya optoelectronic.
Utafiti wa jarida la Utafiti wa IBM inafichua moja ya siri zilizohifadhiwa kwa muda mrefu za athari ya Ukumbi. Watafiti kutoka Taasisi ya Juu ya Sayansi na Teknolojia ya Korea (KAIST), Taasisi ya Utafiti ya Korea ya Teknolojia ya Kemikali (KRICT), Chuo Kikuu cha Duke, na IBM wamegundua fomula na mbinu mpya ambayo huturuhusu kupata wakati huo huo habari kuhusu msingi na zisizo za msingi. wabebaji, kama vile umakini na uhamaji wao, na pia kupata habari ya ziada juu ya maisha ya mtoa huduma, urefu wa kueneza na mchakato wa kuunganishwa tena.
Hasa zaidi, katika jaribio la Ukumbi wa picha, waendeshaji wote wawili huchangia mabadiliko katika upitishaji (Ο) na mgawo wa Ukumbi (H, sawia na uwiano wa voltage ya Ukumbi kwenye uwanja wa sumaku). Maarifa muhimu yanatoka katika kupima kondakta na mgawo wa Ukumbi kama utendaji wa mwangaza. Imefichwa katika umbo la curve ya mgawo wa upitishaji-Hall (Ο-H) inaonyesha taarifa mpya kimsingi: tofauti katika uhamaji wa wabebaji wote wawili. Kama ilivyojadiliwa katika kifungu hicho, uhusiano huu unaweza kuonyeshwa kwa uzuri:
$$display$$ ΞΒ΅ = d (ΟΒ²H)/dΟ$$display$$
Kuanzia na msongamano wa watoa huduma wengi unaojulikana kutoka kwa kipimo cha kawaida cha Ukumbi gizani, tunaweza kufichua kwa walio wengi na walio wachache uhamaji na msongamano kama kipengele cha kasi ya mwanga. Timu ilitaja mbinu mpya ya kipimo: Ukumbi wa Picha Ulizotatuliwa na Mtoa huduma (CRPH). Kwa nguvu inayojulikana ya mwangaza wa mwanga, maisha ya carrier yanaweza kuanzishwa kwa njia sawa. Uunganisho huu na ufumbuzi wake umefichwa kwa karibu karne moja na nusu tangu ugunduzi wa athari ya Hall.
Kando na maendeleo katika ufahamu huu wa kinadharia, maendeleo katika mbinu za majaribio pia ni muhimu ili kuwezesha mbinu hii mpya. Njia hiyo inahitaji kipimo kamili cha mawimbi ya Ukumbi, ambayo inaweza kuwa ngumu kwa nyenzo ambapo ishara ya Ukumbi ni dhaifu (kwa mfano, kwa sababu ya uhamaji mdogo) au wakati ishara za ziada zisizohitajika zipo, kama ilivyo kwa miale ya mwanga yenye nguvu. Ili kufanya hivyo, ni muhimu kufanya kipimo cha Ukumbi kwa kutumia shamba la sumaku la oscillating. Kama vile unaposikiliza redio, unahitaji kuchagua marudio ya kituo unachotaka, ukitupilia mbali masafa mengine yote ambayo hufanya kama kelele. Mbinu ya CRPH inakwenda hatua moja zaidi na kuchagua sio tu masafa unayotaka bali pia awamu ya uga wa sumaku unaozunguka kwa kutumia mbinu inayoitwa kuhisi kulandanisha. Dhana hii ya kipimo cha kuzunguka cha Ukumbi imejulikana kwa muda mrefu, lakini mbinu ya kitamaduni ya kutumia mfumo wa koili za sumakuumeme ili kutoa sehemu ya sumaku inayozunguka haikufaa.
Ugunduzi uliopita
Kama inavyotokea mara nyingi katika sayansi, maendeleo katika eneo moja yanaendeshwa na uvumbuzi katika eneo lingine. Mnamo mwaka wa 2015, Utafiti wa IBM uliripoti jambo lisilojulikana hapo awali katika fizikia linalohusishwa na athari mpya ya kizuizi cha uga wa sumaku inayoitwa athari ya "nundu ya ngamia", ambayo hutokea kati ya mistari miwili ya dipole zinazopitika zinapozidi urefu muhimu, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 2a. Athari ni kipengele muhimu kinachowezesha aina mpya ya mtego wa asili wa sumaku unaoitwa mtego wa mstari wa dipole sambamba (PDL trap), kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 2b. Mtego wa sumaku wa PDL unaweza kutumika kama jukwaa la riwaya kwa matumizi mbalimbali ya kuhisi kama vile kipima mwendo, kipima sauti (kihisi tetemeko la ardhi). Mifumo hiyo mipya ya kihisi, pamoja na teknolojia kubwa za data, inaweza kufungua programu nyingi mpya, na inachunguzwa na timu ya Utafiti ya IBM inayotengeneza jukwaa kubwa la uchanganuzi wa data liitwalo IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), ambayo ina utajiri wa kijiografia. na data ya Mtandao wa Mambo. (IoT).
Kwa kushangaza, kipengele sawa cha PDL kina programu nyingine ya kipekee. Inapozungushwa, hutumika kama mfumo bora wa majaribio wa Ukumbi wa picha ili kupata msisimko wa unidirectional na safi wa uga wa sumaku (Mchoro 2c). Muhimu zaidi, mfumo hutoa nafasi ya kutosha kuruhusu mwangaza wa eneo pana la sampuli, ambayo ni muhimu katika majaribio ya Ukumbi wa Picha.
Athari
Mbinu mpya ya ukumbi wa picha ambayo tumeunda huturuhusu kutoa habari nyingi ajabu kutoka kwa semiconductors. Tofauti na vigezo vitatu pekee vilivyopatikana katika kipimo cha Ukumbi cha classical, mbinu hii mpya hutoa hadi vigezo saba katika kila nuru iliyojaribiwa. Hii ni pamoja na uhamaji wa elektroni na mashimo; mkusanyiko wa carrier wao chini ya ushawishi wa mwanga; recombination maisha; na urefu wa kueneza kwa elektroni, mashimo na aina za ambipolar. Haya yote yanaweza kurudiwa mara N (yaani idadi ya vigezo vya mwangaza vilivyotumika kwenye jaribio).
Ugunduzi huu mpya na teknolojia itasaidia kuendeleza maendeleo ya semiconductor katika teknolojia zilizopo na zinazoibukia. Sasa tunayo ujuzi na zana zinazohitajika ili kutoa sifa za kimwili za nyenzo za semiconductor kwa undani sana. Kwa mfano, itasaidia kuharakisha maendeleo ya teknolojia ya kizazi kijacho ya semiconductor, kama vile paneli bora za jua, vifaa bora vya optoelectronic, na nyenzo na vifaa vipya vya teknolojia ya kijasusi bandia.
nakala iliyochapishwa mnamo Oktoba 7, 2019 .
Tafsiri: Nikolay Marin (), Afisa Mkuu wa Teknolojia IBM nchini Urusi na nchi za CIS.
Chanzo: mapenzi.com