Pagsasalin ng isang artikulo ng mga may-akda mula sa IBM Research.
Ang isang mahalagang tagumpay sa pisika ay magbibigay-daan sa amin na pag-aralan ang mga pisikal na katangian ng mga semiconductor nang mas detalyado. Maaari itong makatulong na mapabilis ang pagbuo ng susunod na henerasyong teknolohiya ng semiconductor.
Mga May-akda:
β Staff Member, IBM Research
Doug Bishop - Characterization Engineer, IBM Research
Ang mga semiconductor ay ang mga pangunahing elemento ng digital electronic age ngayon, na nagbibigay sa atin ng iba't ibang device na nakikinabang sa ating modernong buhay, tulad ng mga computer, smartphone at iba pang mga mobile device. Ang mga pagpapahusay sa paggana at pagganap ng semiconductor ay nagbibigay-daan din sa mga susunod na henerasyong aplikasyon ng semiconductor sa computing, sensing, at conversion ng enerhiya. Matagal nang nagpupumilit ang mga mananaliksik na malampasan ang mga limitasyon sa ating kakayahang lubos na maunawaan ang mga elektronikong singil sa loob ng mga aparatong semiconductor at mga advanced na materyales ng semiconductor na pumipigil sa ating kakayahang sumulong.
Sa isang bagong pag-aaral sa journal Ang isang pakikipagtulungan sa pananaliksik na pinamumunuan ng IBM Research ay naglalarawan ng isang kapana-panabik na tagumpay sa paglutas ng isang 140-taong-gulang na misteryo sa pisika, isa na magbibigay-daan sa amin na pag-aralan ang mga pisikal na katangian ng mga semiconductor nang mas detalyado at paganahin ang pagbuo ng bago at pinahusay na mga materyales ng semiconductor.
Upang tunay na maunawaan ang physics ng semiconductors, kailangan muna nating maunawaan ang mga pangunahing katangian ng mga carrier ng singil sa loob ng mga materyales, kung sila ay negatibo o positibong mga particle, ang kanilang bilis sa isang inilapat na electric field, at kung gaano sila kakapal sa loob ng materyal. Nakahanap ang physicist na si Edwin Hall ng isang paraan upang matukoy ang mga katangiang ito noong 1879 nang matuklasan niya na ang isang magnetic field ay magpapalihis sa paggalaw ng mga singil ng elektron sa loob ng isang konduktor, at na ang halaga ng pagpapalihis ay maaaring masukat bilang potensyal na pagkakaiba patayo sa direksyon ng daloy ng sisingilin. particle, tulad ng ipinapakita sa Figure 1a. Ang boltahe na ito, na kilala bilang Hall boltahe, ay nagpapakita ng makabuluhang impormasyon tungkol sa mga tagadala ng singil sa semiconductor, kabilang ang kung sila ay mga negatibong electron o mga positibong quasiparticle na tinatawag na "mga butas," kung gaano kabilis sila gumagalaw sa isang electric field, o ang kanilang "mobility" (Β΅ ), at ang kanilang konsentrasyon (n) sa loob ng semiconductor.
140 taong gulang na misteryo
Ilang dekada pagkatapos ng pagtuklas ni Hall, natuklasan din ng mga mananaliksik na maaari silang gumawa ng mga sukat ng Hall effect gamit ang liwanagβmga eksperimento na tinatawag na photo-Hall, tingnan ang Figure 1b. Sa ganitong mga eksperimento, ang liwanag na pag-iilaw ay bumubuo ng maramihang mga carrier, o mga pares ng electron-hole, sa mga semiconductor. Sa kasamaang-palad, ang aming pag-unawa sa pangunahing Hall effect ay nagbigay ng insight sa karamihan (o karamihan) ng mga carrier ng singil lamang. Hindi na-extract ng mga mananaliksik ang mga parameter mula sa parehong media (major at non-major) nang sabay-sabay. Ang nasabing impormasyon ay susi para sa maraming mga application na nauugnay sa liwanag, tulad ng mga solar panel at iba pang mga optoelectronic na aparato.
Pag-aaral ng magazine ng IBM Research ibinubunyag ang isa sa mga matagal nang itinatagong sikreto ng Hall effect. Natuklasan ng mga mananaliksik mula sa Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), Duke University, at IBM ang isang bagong formula at teknik na nagbibigay-daan sa amin na sabay-sabay na kumuha ng impormasyon tungkol sa basic at non-basic carrier, tulad ng kanilang konsentrasyon at kadaliang kumilos, pati na rin makakuha ng karagdagang impormasyon tungkol sa buhay ng carrier, haba ng pagsasabog at ang proseso ng recombination.
Higit na partikular, sa isang eksperimento sa photo-Hall, ang parehong mga carrier ay nag-aambag sa mga pagbabago sa conductivity (Ο) at Hall coefficient (H, proporsyonal sa ratio ng boltahe ng Hall sa magnetic field). Ang mga pangunahing insight ay nagmumula sa pagsukat ng conductivity at Hall coefficient bilang isang function ng light intensity. Nakatago sa hugis ng conductivity-Hall coefficient curve (Ο-H) ay nagpapakita ng panimula ng bagong impormasyon: ang pagkakaiba sa mobility ng parehong carrier. Tulad ng tinalakay sa artikulo, ang relasyon na ito ay maaaring ipahayag nang elegante:
$$display$$ ΞΒ΅ = d (ΟΒ²H)/dΟ$$display$$
Simula sa isang kilalang densidad ng karamihan ng carrier mula sa isang tradisyunal na pagsukat ng Hall sa dilim, maaari naming ihayag para sa karamihan at minorya ang kadaliang kumilos at density ng carrier bilang isang function ng light intensity. Pinangalanan ng team ang bagong paraan ng pagsukat: Carrier-Resolved Photo Hall (CRPH). Sa isang kilalang intensity ng light illumination, ang buhay ng carrier ay maaaring itatag sa katulad na paraan. Ang koneksyon na ito at ang mga solusyon nito ay itinago sa halos isang siglo at kalahati mula nang matuklasan ang Hall effect.
Bukod sa mga pagsulong sa teoretikal na pag-unawa na ito, ang mga pagsulong sa mga eksperimentong pamamaraan ay kritikal din upang paganahin ang bagong pamamaraang ito. Ang pamamaraan ay nangangailangan ng isang dalisay na pagsukat ng Hall signal, na maaaring maging mahirap para sa mga materyales kung saan ang Hall signal ay mahina (halimbawa, dahil sa mababang mobility) o kapag ang mga karagdagang hindi gustong signal ay naroroon, tulad ng may malakas na ilaw na pag-iilaw. Upang gawin ito, kinakailangan na magsagawa ng pagsukat ng Hall gamit ang isang oscillating magnetic field. Tulad ng kapag nakikinig sa radyo, kailangan mong piliin ang dalas ng nais na istasyon, na itinatapon ang lahat ng iba pang mga frequency na nagsisilbing ingay. Ang pamamaraan ng CRPH ay nagpapatuloy ng isang hakbang at pinipili hindi lamang ang nais na dalas kundi pati na rin ang yugto ng oscillating magnetic field gamit ang isang pamamaraan na tinatawag na synchronous sensing. Ang konsepto ng oscillating Hall na pagsukat ay matagal nang kilala, ngunit ang tradisyonal na paraan ng paggamit ng isang sistema ng electromagnetic coils upang makabuo ng isang oscillating magnetic field ay hindi epektibo.
Nakaraang pagtuklas
Tulad ng madalas na nangyayari sa agham, ang mga pag-unlad sa isang lugar ay hinihimok ng mga pagtuklas sa isa pa. Noong 2015, ang IBM Research ay nag-ulat ng isang hindi kilalang phenomenon sa physics na nauugnay sa isang bagong magnetic field confinement effect na tinatawag na "camel hump" effect, na nangyayari sa pagitan ng dalawang linya ng transverse dipoles kapag lumampas sila sa isang kritikal na haba, tulad ng ipinapakita sa Figure 2a. Ang epekto ay isang pangunahing tampok na nagbibigay-daan sa isang bagong uri ng natural na magnetic trap na tinatawag na parallel dipole line trap (PDL trap), tulad ng ipinapakita sa Figure 2b. Maaaring gamitin ang magnetic PDL trap bilang isang nobelang platform para sa iba't ibang mga sensing application tulad ng tiltmeter, seismometer (sensor ng lindol). Ang ganitong mga bagong sensor system, kasama ng malalaking teknolohiya ng data, ay maaaring magbukas ng maraming bagong application, at ito ay ginalugad ng IBM Research team na bumubuo ng isang malaking data analytics platform na tinatawag na IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS), na naglalaman ng maraming geospatial at data ng Internet of Things. (IoT).
Nakakagulat, ang parehong elemento ng PDL ay may isa pang natatanging aplikasyon. Kapag pinaikot, nagsisilbi itong perpektong sistema ng eksperimento sa photo-Hall upang makakuha ng unidirectional at purong harmonic oscillation ng magnetic field (Larawan 2c). Higit sa lahat, ang system ay nagbibigay ng sapat na espasyo upang payagan ang pag-iilaw ng isang malawak na lugar ng sample, na kritikal sa mga eksperimento sa photo-Hall.
Pagsasalpukan
Ang bagong paraan ng photo-hall na aming binuo ay nagbibigay-daan sa amin na kumuha ng kamangha-manghang dami ng impormasyon mula sa mga semiconductors. Kabaligtaran sa tatlong parameter lamang na nakuha sa pagsukat ng klasikal na Hall, ang bagong pamamaraang ito ay nagbubunga ng hanggang pitong parameter sa bawat isa sa nasubok na intensity ng liwanag. Kabilang dito ang kadaliang mapakilos ng parehong mga electron at butas; ang konsentrasyon ng kanilang carrier sa ilalim ng impluwensya ng liwanag; recombination habang buhay; at haba ng diffusion para sa mga electron, butas at mga uri ng ambipolar. Ang lahat ng ito ay maaaring ulitin nang N beses (ibig sabihin, ang bilang ng mga parameter ng light intensity na ginamit sa eksperimento).
Ang bagong pagtuklas at teknolohiyang ito ay makakatulong sa pagsulong ng mga pagsulong ng semiconductor sa parehong umiiral at umuusbong na mga teknolohiya. Mayroon na tayong kaalaman at mga tool na kailangan upang kunin ang mga pisikal na katangian ng mga materyales ng semiconductor nang detalyado. Halimbawa, makakatulong ito na mapabilis ang pagbuo ng susunod na henerasyong teknolohiya ng semiconductor, tulad ng mas magagandang solar panel, mas mahusay na mga optoelectronic na device, at mga bagong materyales at device para sa mga teknolohiya ng artificial intelligence.
artikulong inilathala noong Oktubre 7, 2019 sa .
Pagsasalin: Nikolay Marin (), Chief Technology Officer IBM sa Russia at sa mga bansang CIS.
Pinagmulan: www.habr.com