IBM Research'ten yazarlar tarafından yazılan bir makalenin çevirisi.
Fizikteki önemli bir atılım, yarı iletkenlerin fiziksel özelliklerini çok daha ayrıntılı olarak incelememize olanak tanıyacak. Bu, yeni nesil yarı iletken teknolojisinin gelişimini hızlandırmaya yardımcı olabilir.
Yazarlar:
— Personel Üyesi, IBM Araştırma
Doug Bishop - Karakterizasyon Mühendisi, IBM Araştırma
Yarı iletkenler, günümüzün dijital elektronik çağının temel yapı taşlarıdır ve bize bilgisayarlar, akıllı telefonlar ve diğer mobil cihazlar gibi modern yaşamlarımıza fayda sağlayan çeşitli cihazlar sağlar. Yarı iletken işlevsellik ve performansındaki gelişmeler aynı zamanda bilgi işlem, algılama ve enerji dönüşümünde yeni nesil yarı iletken uygulamalarına da olanak sağlıyor. Araştırmacılar, ilerleme yeteneğimizi engelleyen yarı iletken cihazların ve gelişmiş yarı iletken malzemelerin içindeki elektronik yükleri tam olarak anlama yeteneğimizdeki sınırlamaların üstesinden gelmek için uzun süredir mücadele ediyor.
Dergideki yeni bir çalışmada IBM Research liderliğindeki bir araştırma işbirliği, fizikteki 140 yıllık bir gizemi çözmeye yönelik heyecan verici bir atılımı anlatıyor; bu buluş, yarı iletkenlerin fiziksel özelliklerini çok daha ayrıntılı bir şekilde incelememize olanak tanıyacak ve yeni ve geliştirilmiş yarı iletken malzemelerin geliştirilmesine olanak sağlayacak.
Yarı iletkenlerin fiziğini gerçekten anlamak için öncelikle malzemeler içindeki yük taşıyıcılarının temel özelliklerini, negatif veya pozitif parçacıklar olup olmadıklarını, uygulanan elektrik alanındaki hızlarını ve malzeme içinde ne kadar yoğun bir şekilde paketlendiklerini anlamamız gerekir. Fizikçi Edwin Hall, 1879'da manyetik alanın bir iletken içindeki elektron yüklerinin hareketini saptırdığını ve sapma miktarının yüklü yükün yönlü akışına dik potansiyel fark olarak ölçülebileceğini keşfettiğinde bu özellikleri belirlemenin bir yolunu buldu. Şekil 1a'da gösterildiği gibi parçacıklar. Hall voltajı olarak bilinen bu voltaj, yarı iletkendeki yük taşıyıcıları hakkında, bunların negatif elektronlar mı yoksa "delikler" adı verilen pozitif yarı parçacıklar mı oldukları, bir elektrik alanında ne kadar hızlı hareket ettikleri veya "hareketlilik"leri (μ) dahil olmak üzere önemli bilgileri ortaya çıkarır. ) ve yarı iletken içindeki konsantrasyonları (n).
140 yıllık gizem
Hall'un keşfinden onlarca yıl sonra araştırmacılar, Hall etkisini ışıkla ölçebileceklerini de keşfettiler; foto-Hall adı verilen deneyler, bkz. Şekil 1b. Bu tür deneylerde ışık aydınlatması, yarı iletkenlerde birden fazla taşıyıcı veya elektron deliği çifti üretir. Ne yazık ki, temel Hall etkisine ilişkin anlayışımız yalnızca çoğunluk (veya çoğunluk) yük taşıyıcıları hakkında fikir sahibi olmamızı sağlamıştır. Araştırmacılar aynı anda her iki ortamdan (ana ve ana olmayan) parametreleri çıkaramadılar. Bu tür bilgiler, güneş panelleri ve diğer optoelektronik cihazlar gibi ışıkla ilgili birçok uygulama için anahtar niteliğindedir.
IBM Research dergisi araştırması Hall etkisinin uzun zamandır saklanan sırlarından birini ortaya çıkarıyor. Kore İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (KAIST), Kore Kimyasal Teknoloji Araştırma Enstitüsü (KRICT), Duke Üniversitesi ve IBM'den araştırmacılar, temel ve temel olmayan maddeler hakkında aynı anda bilgi çıkarmamıza olanak tanıyan yeni bir formül ve teknik keşfettiler. taşıyıcıların konsantrasyonu ve hareketliliği gibi bilgilerin yanı sıra taşıyıcının ömrü, difüzyon uzunluğu ve rekombinasyon süreci hakkında ek bilgiler elde edilir.
Daha spesifik olarak, bir foto-Hall deneyinde, her iki taşıyıcı da iletkenlik (σ) ve Hall katsayısındaki (H, Hall voltajının manyetik alana oranıyla orantılı) değişikliklere katkıda bulunur. Temel bilgiler, ışık yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak iletkenliğin ve Hall katsayısının ölçülmesinden elde edilir. İletkenlik-Hall katsayısı eğrisinin (σ-H) şeklinde gizlenmiş olması temel olarak yeni bilgileri gösterir: her iki taşıyıcının hareketliliğindeki fark. Makalede tartışıldığı gibi bu ilişki zarif bir şekilde ifade edilebilir:
$$ekran$$ Δμ = d (σ²H)/dσ$$görüntü$$
Karanlıkta geleneksel bir Hall ölçümünden bilinen bir çoğunluk taşıyıcı yoğunluğuyla başlayarak, hem çoğunluk hem de azınlık taşıyıcı hareketliliğini ve yoğunluğunu ışık yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak ortaya koyabiliriz. Ekip yeni ölçüm yöntemine şu adı verdi: Taşıyıcı Çözümlü Fotoğraf Salonu (CRPH). Bilinen ışık aydınlatma yoğunluğuyla taşıyıcının ömrü benzer şekilde belirlenebilir. Bu bağlantı ve çözümleri, Hall etkisinin keşfinden bu yana neredeyse bir buçuk asırdır gizlendi.
Bu teorik anlayıştaki ilerlemelerin yanı sıra deneysel yöntemlerdeki ilerlemeler de bu yeni yöntemin mümkün kılınması açısından kritik öneme sahiptir. Yöntem, Hall sinyalinin saf bir ölçümünü gerektirir; bu, Hall sinyalinin zayıf olduğu (örneğin, düşük hareketlilik nedeniyle) malzemeler için veya güçlü ışık ışınımı gibi ilave istenmeyen sinyallerin mevcut olduğu durumlarda zor olabilir. Bunu yapmak için salınımlı bir manyetik alan kullanarak Hall ölçümü yapmak gerekir. Tıpkı radyo dinlerken olduğu gibi, gürültü görevi gören diğer tüm frekansları göz ardı ederek istediğiniz istasyonun frekansını seçmeniz gerekir. CRPH yöntemi bir adım daha ileri gider ve eşzamanlı algılama adı verilen bir yöntemi kullanarak yalnızca istenen frekansı değil aynı zamanda salınımlı manyetik alanın fazını da seçer. Bu salınımlı Hall ölçümü kavramı uzun zamandır biliniyordu, ancak salınımlı bir manyetik alan oluşturmak için bir elektromanyetik bobin sistemi kullanmanın geleneksel yöntemi etkisizdi.
Önceki keşif
Bilimde sıklıkla olduğu gibi, bir alandaki ilerlemeler diğer bir alandaki keşiflerden kaynaklanmaktadır. 2015 yılında IBM Research, Şekil 2a'da gösterildiği gibi, iki enine dipol çizgisi arasında kritik bir uzunluğu aştığında meydana gelen, "deve hörgücü" etkisi adı verilen yeni bir manyetik alan sınırlama etkisi ile ilişkili fizikte daha önce bilinmeyen bir olguyu bildirdi. Bu etki, Şekil 2b'de gösterildiği gibi, paralel dipol hat tuzağı (PDL tuzağı) adı verilen yeni bir tür doğal manyetik tuzağı mümkün kılan önemli bir özelliktir. Manyetik PDL tuzağı, eğim ölçer, sismometre (deprem sensörü) gibi çeşitli algılama uygulamaları için yeni bir platform olarak kullanılabilir. Bu tür yeni sensör sistemleri, büyük veri teknolojileriyle birleştiğinde birçok yeni uygulamaya kapı açabilir ve IBM Araştırma ekibi tarafından, zengin miktarda coğrafi veri içeren, IBM Physical Analytics Integrated Repository Service (PAIRS) adı verilen büyük veri analitiği platformunu geliştiren IBM Araştırma ekibi tarafından araştırılıyor. ve Nesnelerin İnterneti verileri (IoT).
Şaşırtıcı bir şekilde aynı PDL öğesinin başka bir benzersiz uygulaması vardır. Döndürüldüğünde, manyetik alanın tek yönlü ve saf harmonik salınımını elde etmek için ideal bir foto-Hall deney sistemi görevi görür (Şekil 2c). Daha da önemlisi sistem, foto-Hall deneylerinde kritik olan numunenin geniş bir alanının aydınlatılmasına olanak sağlayacak yeterli alanı sağlar.
Darbe
Geliştirdiğimiz yeni fotoğraf salonu yöntemi, yarı iletkenlerden inanılmaz miktarda bilgi çıkarmamıza olanak tanıyor. Klasik Hall ölçümünde elde edilen yalnızca üç parametrenin aksine, bu yeni yöntem, test edilen ışık yoğunluklarının her birinde yedi parametreye kadar sonuç verir. Bu, hem elektronların hem de deliklerin hareketliliğini içerir; ışığın etkisi altında taşıyıcılarının konsantrasyonu; rekombinasyon ömrü; ve elektronlar, delikler ve çift kutuplu tipler için difüzyon uzunluğu. Bütün bunlar N kez tekrarlanabilir (yani deneyde kullanılan ışık yoğunluğu parametrelerinin sayısı).
Bu yeni keşif ve teknoloji, hem mevcut hem de yeni ortaya çıkan teknolojilerde yarı iletken ilerlemelerinin ilerletilmesine yardımcı olacaktır. Artık yarı iletken malzemelerin fiziksel özelliklerini çok detaylı bir şekilde ortaya çıkarmak için gereken bilgi ve araçlara sahibiz. Örneğin, daha iyi güneş panelleri, daha iyi optoelektronik cihazlar ve yapay zeka teknolojileri için yeni malzeme ve cihazlar gibi yeni nesil yarı iletken teknolojisinin gelişiminin hızlandırılmasına yardımcı olacak.
7 Ekim 2019'da yayınlanan makale .
Çeviri: Nikolay Marin (), IBM'in Rusya ve BDT ülkelerinde Baş Teknoloji Sorumlusu.
Kaynak: habr.com