ఫిజిక్స్‌లో 140 ఏళ్ల నాటి రహస్యాన్ని ఛేదించారు

IBM రీసెర్చ్ నుండి రచయితల వ్యాసం యొక్క అనువాదం.

భౌతిక శాస్త్రంలో ఒక ముఖ్యమైన పురోగతి సెమీకండక్టర్ల భౌతిక లక్షణాలను చాలా వివరంగా అధ్యయనం చేయడానికి అనుమతిస్తుంది. ఇది తదుపరి తరం సెమీకండక్టర్ టెక్నాలజీ అభివృద్ధిని వేగవంతం చేయడంలో సహాయపడవచ్చు.

రచయితలు:
ఓకీ గుణవాన్ - స్టాఫ్ మెంబర్, IBM రీసెర్చ్
డౌగ్ బిషప్ - క్యారెక్టరైజేషన్ ఇంజనీర్, IBM రీసెర్చ్

సెమీకండక్టర్లు నేటి డిజిటల్ ఎలక్ట్రానిక్ యుగం యొక్క ప్రాథమిక బిల్డింగ్ బ్లాక్‌లు, కంప్యూటర్లు, స్మార్ట్‌ఫోన్‌లు మరియు ఇతర మొబైల్ పరికరాల వంటి మన ఆధునిక జీవితాలకు ప్రయోజనం చేకూర్చే వివిధ రకాల పరికరాలను మాకు అందిస్తాయి. సెమీకండక్టర్ ఫంక్షనాలిటీ మరియు పనితీరులో మెరుగుదలలు కంప్యూటింగ్, సెన్సింగ్ మరియు ఎనర్జీ కన్వర్షన్‌లో తదుపరి తరం సెమీకండక్టర్ అప్లికేషన్‌లను కూడా ప్రారంభిస్తున్నాయి. సెమీకండక్టర్ పరికరాలు మరియు అధునాతన సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్‌లలోని ఎలక్ట్రానిక్ ఛార్జీలను పూర్తిగా అర్థం చేసుకోగల మన సామర్థ్యంలో ఉన్న పరిమితులను అధిగమించడానికి పరిశోధకులు చాలా కాలంగా కష్టపడుతున్నారు.

జర్నల్‌లో కొత్త అధ్యయనంలో ప్రకృతి IBM రీసెర్చ్ నేతృత్వంలోని పరిశోధన సహకారం భౌతిక శాస్త్రంలో 140 ఏళ్ల రహస్యాన్ని పరిష్కరించడంలో అద్భుతమైన పురోగతిని వివరిస్తుంది, ఇది సెమీకండక్టర్ల భౌతిక లక్షణాలను మరింత వివరంగా అధ్యయనం చేయడానికి మరియు కొత్త మరియు మెరుగైన సెమీకండక్టర్ పదార్థాల అభివృద్ధిని అనుమతిస్తుంది.

సెమీకండక్టర్ల భౌతిక శాస్త్రాన్ని నిజంగా అర్థం చేసుకోవడానికి, మనం మొదట పదార్థాలలోని ఛార్జ్ క్యారియర్‌ల యొక్క ప్రాథమిక లక్షణాలను అర్థం చేసుకోవాలి, అవి ప్రతికూల లేదా సానుకూల కణాలు అయినా, అనువర్తిత విద్యుత్ క్షేత్రంలో వాటి వేగం మరియు పదార్థంలో అవి ఎంత దట్టంగా ప్యాక్ చేయబడ్డాయి. భౌతిక శాస్త్రవేత్త ఎడ్విన్ హాల్ 1879లో ఈ లక్షణాలను గుర్తించడానికి ఒక మార్గాన్ని కనుగొన్నాడు, ఒక అయస్కాంత క్షేత్రం కండక్టర్‌లోని ఎలక్ట్రాన్ చార్జ్‌ల కదలికను విక్షేపం చేస్తుందని మరియు విక్షేపం మొత్తాన్ని ఛార్జ్ యొక్క దిశాత్మక ప్రవాహానికి లంబంగా సంభావ్య వ్యత్యాసంగా కొలవవచ్చు. మూర్తి 1a లో చూపిన విధంగా కణాలు. హాల్ వోల్టేజ్ అని పిలువబడే ఈ వోల్టేజ్, సెమీకండక్టర్‌లోని ఛార్జ్ క్యారియర్‌ల గురించి ముఖ్యమైన సమాచారాన్ని వెల్లడిస్తుంది, అవి నెగటివ్ ఎలక్ట్రాన్‌లు లేదా "రంధ్రాలు" అని పిలువబడే ధనాత్మక క్వాసిపార్టికల్స్, అవి ఎలక్ట్రిక్ ఫీల్డ్‌లో ఎంత వేగంగా కదులుతాయి లేదా వాటి "మొబిలిటీ" (µ ), మరియు సెమీకండక్టర్ లోపల వాటి ఏకాగ్రత (n).

140 ఏళ్ల నాటి మిస్టరీ

హాల్ కనుగొనబడిన దశాబ్దాల తర్వాత, పరిశోధకులు హాల్ ప్రభావాన్ని కాంతితో కొలవగలరని కనుగొన్నారు-ప్రయోగాలు ఫోటో-హాల్ అని పిలుస్తారు, మూర్తి 1b చూడండి. అటువంటి ప్రయోగాలలో, కాంతి ప్రకాశం సెమీకండక్టర్లలో బహుళ వాహకాలను లేదా ఎలక్ట్రాన్-హోల్ జతలను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. దురదృష్టవశాత్తూ, ప్రాథమిక హాల్ ప్రభావంపై మా అవగాహన మెజారిటీ (లేదా మెజారిటీ) ఛార్జ్ క్యారియర్‌లపై మాత్రమే అంతర్దృష్టిని అందించింది. పరిశోధకులు రెండు మాధ్యమాల (ప్రధాన మరియు నాన్-మేజర్) నుండి ఏకకాలంలో పారామితులను సేకరించలేకపోయారు. సౌర ఫలకాలు మరియు ఇతర ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల వంటి అనేక కాంతి సంబంధిత అనువర్తనాలకు ఇటువంటి సమాచారం కీలకం.

IBM రీసెర్చ్ మ్యాగజైన్ అధ్యయనం ప్రకృతి హాల్ ప్రభావం యొక్క దీర్ఘకాలంగా ఉంచబడిన రహస్యాలలో ఒకదాన్ని వెల్లడిస్తుంది. కొరియా అడ్వాన్స్‌డ్ ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ సైన్స్ అండ్ టెక్నాలజీ (KAIST), కొరియా రీసెర్చ్ ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ కెమికల్ టెక్నాలజీ (KRICT), డ్యూక్ యూనివర్శిటీ మరియు IBM పరిశోధకులు ఒక కొత్త ఫార్ములా మరియు టెక్నిక్‌ను కనుగొన్నారు, ఇది ప్రాథమిక మరియు నాన్-బేసిక్ గురించి సమాచారాన్ని ఏకకాలంలో సేకరించేందుకు అనుమతిస్తుంది. క్యారియర్‌లు, వాటి ఏకాగ్రత మరియు చలనశీలత, అలాగే క్యారియర్ యొక్క జీవితకాలం, విస్తరణ పొడవు మరియు రీకాంబినేషన్ ప్రక్రియ గురించి అదనపు సమాచారాన్ని పొందుతాయి.

మరింత ప్రత్యేకంగా, ఫోటో-హాల్ ప్రయోగంలో, రెండు క్యారియర్‌లు వాహకత (σ) మరియు హాల్ కోఎఫీషియంట్ (H, హాల్ వోల్టేజ్ అయస్కాంత క్షేత్రానికి నిష్పత్తికి అనులోమానుపాతంలో) మార్పులకు దోహదం చేస్తాయి. కాంతి తీవ్రత యొక్క విధిగా వాహకత మరియు హాల్ కోఎఫీషియంట్‌ను కొలవడం నుండి కీలక అంతర్దృష్టులు వస్తాయి. వాహకత-హాల్ కోఎఫీషియంట్ కర్వ్ (σ-H) ఆకృతిలో దాగి ఉండటం ప్రాథమికంగా కొత్త సమాచారాన్ని చూపుతుంది: రెండు క్యారియర్‌ల కదలికలో తేడా. వ్యాసంలో చర్చించినట్లుగా, ఈ సంబంధాన్ని చక్కగా వ్యక్తీకరించవచ్చు:

$$డిస్ప్లే$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$డిస్ప్లే$$

చీకటిలో సాంప్రదాయ హాల్ కొలత నుండి తెలిసిన మెజారిటీ క్యారియర్ సాంద్రతతో ప్రారంభించి, కాంతి తీవ్రత యొక్క విధిగా మెజారిటీ మరియు మైనారిటీ క్యారియర్ మొబిలిటీ మరియు డెన్సిటీ రెండింటినీ మేము బహిర్గతం చేయవచ్చు. బృందం కొత్త కొలత పద్ధతికి పేరు పెట్టింది: క్యారియర్-పరిష్కార ఫోటో హాల్ (CRPH). కాంతి ప్రకాశం యొక్క తెలిసిన తీవ్రతతో, క్యారియర్ యొక్క జీవితకాలం ఇదే విధంగా ఏర్పాటు చేయబడుతుంది. ఈ కనెక్షన్ మరియు దాని పరిష్కారాలు హాల్ ప్రభావం యొక్క ఆవిష్కరణ నుండి దాదాపు ఒక శతాబ్దం మరియు సగం వరకు దాచబడ్డాయి.

ఈ సైద్ధాంతిక అవగాహనలో పురోగతితో పాటు, ఈ కొత్త పద్ధతిని ప్రారంభించడానికి ప్రయోగాత్మక పద్ధతులలో పురోగతి కూడా కీలకం. ఈ పద్ధతికి హాల్ సిగ్నల్ యొక్క స్వచ్ఛమైన కొలత అవసరం, ఇది హాల్ సిగ్నల్ బలహీనంగా ఉన్న మెటీరియల్‌లకు కష్టంగా ఉంటుంది (ఉదాహరణకు, తక్కువ చలనశీలత కారణంగా) లేదా బలమైన కాంతి వికిరణం వలె అదనపు అవాంఛిత సంకేతాలు ఉన్నప్పుడు. దీన్ని చేయడానికి, డోలనం చేసే అయస్కాంత క్షేత్రాన్ని ఉపయోగించి హాల్ కొలతను నిర్వహించడం అవసరం. రేడియోను వింటున్నట్లుగానే, మీరు కావలసిన స్టేషన్ యొక్క ఫ్రీక్వెన్సీని ఎంచుకోవాలి, శబ్దం వలె పనిచేసే అన్ని ఇతర పౌనఃపున్యాలను విస్మరించాలి. CRPH పద్ధతి ఒక అడుగు ముందుకు వేసి, కావలసిన ఫ్రీక్వెన్సీని మాత్రమే కాకుండా సింక్రోనస్ సెన్సింగ్ అనే పద్ధతిని ఉపయోగించి డోలనం చేసే అయస్కాంత క్షేత్రం యొక్క దశను కూడా ఎంపిక చేస్తుంది. డోలనం చేసే హాల్ కొలత యొక్క ఈ భావన చాలా కాలంగా తెలుసు, అయితే డోలనం చేసే అయస్కాంత క్షేత్రాన్ని ఉత్పత్తి చేయడానికి విద్యుదయస్కాంత కాయిల్స్ వ్యవస్థను ఉపయోగించే సాంప్రదాయ పద్ధతి అసమర్థమైనది.

మునుపటి ఆవిష్కరణ

సైన్స్‌లో తరచుగా జరుగుతున్నట్లుగా, ఒక ప్రాంతంలో పురోగతి మరొక ప్రాంతంలోని ఆవిష్కరణల ద్వారా నడపబడుతుంది. 2015లో, IBM రీసెర్చ్ ఫిజి 2aలో చూపిన విధంగా, "ఒంటె హంప్" ఎఫెక్ట్ అని పిలువబడే కొత్త అయస్కాంత క్షేత్ర నిర్బంధ ప్రభావంతో అనుబంధించబడిన భౌతిక శాస్త్రంలో గతంలో తెలియని దృగ్విషయాన్ని నివేదించింది, ఇది మూర్తి 2aలో చూపిన విధంగా రెండు పంక్తుల విలోమ ద్విధ్రువాలను అధిగమించినప్పుడు సంభవిస్తుంది. ప్రభావం అనేది మూర్తి XNUMXbలో చూపిన విధంగా సమాంతర ద్విధ్రువ రేఖ ట్రాప్ (PDL ట్రాప్) అని పిలువబడే కొత్త రకం సహజ అయస్కాంత ట్రాప్‌ను ప్రారంభించే ఒక ముఖ్య లక్షణం. మాగ్నెటిక్ PDL ట్రాప్‌ను టిల్ట్‌మీటర్, సీస్మోమీటర్ (భూకంప సెన్సార్) వంటి వివిధ సెన్సింగ్ అప్లికేషన్‌ల కోసం ఒక నవల ప్లాట్‌ఫారమ్‌గా ఉపయోగించవచ్చు. ఇటువంటి కొత్త సెన్సార్ సిస్టమ్‌లు, పెద్ద డేటా టెక్నాలజీలతో పాటు, అనేక కొత్త అప్లికేషన్‌లను తెరవగలవు మరియు IBM రీసెర్చ్ బృందం IBM ఫిజికల్ అనలిటిక్స్ ఇంటిగ్రేటెడ్ రిపోజిటరీ సర్వీస్ (PAIRS) అనే పెద్ద డేటా అనలిటిక్స్ ప్లాట్‌ఫారమ్‌ను అభివృద్ధి చేస్తుంది, ఇందులో జియోస్పేషియల్ సంపద ఉంది. మరియు ఇంటర్నెట్ ఆఫ్ థింగ్స్ డేటా (IoT).

ఆశ్చర్యకరంగా, అదే PDL మూలకం మరొక ప్రత్యేకమైన అప్లికేషన్‌ను కలిగి ఉంది. తిప్పినప్పుడు, అయస్కాంత క్షేత్రం యొక్క ఏకదిశాత్మక మరియు స్వచ్ఛమైన హార్మోనిక్ డోలనాన్ని పొందేందుకు ఇది ఆదర్శవంతమైన ఫోటో-హాల్ ప్రయోగ వ్యవస్థగా పనిచేస్తుంది (మూర్తి 2c). మరీ ముఖ్యంగా, ఫోటో-హాల్ ప్రయోగాలలో కీలకమైన నమూనా యొక్క విస్తృత ప్రాంతం యొక్క ప్రకాశాన్ని అనుమతించడానికి సిస్టమ్ తగినంత స్థలాన్ని అందిస్తుంది.

ప్రభావం

మేము అభివృద్ధి చేసిన కొత్త ఫోటో-హాల్ పద్ధతి సెమీకండక్టర్ల నుండి అద్భుతమైన సమాచారాన్ని సేకరించేందుకు అనుమతిస్తుంది. క్లాసికల్ హాల్ కొలతలో పొందిన మూడు పారామీటర్‌లకు భిన్నంగా, ఈ కొత్త పద్ధతి పరీక్షించిన ప్రతి కాంతి తీవ్రతలో ఏడు పారామితులను అందిస్తుంది. ఇది ఎలక్ట్రాన్లు మరియు రంధ్రాలు రెండింటి యొక్క చలనశీలతను కలిగి ఉంటుంది; కాంతి ప్రభావంతో వారి క్యారియర్ యొక్క ఏకాగ్రత; పునఃకలయిక జీవితకాలం; మరియు ఎలక్ట్రాన్లు, రంధ్రాలు మరియు ఆంబిపోలార్ రకాల కోసం విస్తరణ పొడవు. ఇవన్నీ N సార్లు పునరావృతమవుతాయి (అనగా ప్రయోగంలో ఉపయోగించిన కాంతి తీవ్రత పారామితుల సంఖ్య).

ఈ కొత్త ఆవిష్కరణ మరియు సాంకేతికత ఇప్పటికే ఉన్న మరియు అభివృద్ధి చెందుతున్న సాంకేతికతలలో సెమీకండక్టర్ పురోగతికి సహాయపడతాయి. సెమీకండక్టర్ పదార్థాల భౌతిక లక్షణాలను చాలా వివరంగా సంగ్రహించడానికి అవసరమైన జ్ఞానం మరియు సాధనాలు ఇప్పుడు మనకు ఉన్నాయి. ఉదాహరణకు, మెరుగైన సోలార్ ప్యానెల్‌లు, మెరుగైన ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలు మరియు కృత్రిమ మేధస్సు సాంకేతికతలకు కొత్త పదార్థాలు మరియు పరికరాలు వంటి తదుపరి తరం సెమీకండక్టర్ టెక్నాలజీ అభివృద్ధిని వేగవంతం చేయడంలో ఇది సహాయపడుతుంది.

అసలు వ్యాసం అక్టోబర్ 7, 2019న ప్రచురించబడింది IBM రీసెర్చ్ బ్లాగ్.
అనువాదం: నికోలాయ్ మారిన్ (నికోలాయ్ మారిన్), రష్యా మరియు CIS దేశాలలో చీఫ్ టెక్నాలజీ ఆఫీసర్ IBM.

మూలం: www.habr.com