IBM ریسرچ کے مصنفین کے ایک مضمون کا ترجمہ۔
طبیعیات میں ایک اہم پیش رفت ہمیں سیمی کنڈکٹرز کی جسمانی خصوصیات کا بہت زیادہ تفصیل سے مطالعہ کرنے کی اجازت دے گی۔ اس سے اگلی نسل کی سیمی کنڈکٹر ٹیکنالوجی کی ترقی کو تیز کرنے میں مدد مل سکتی ہے۔
مصنفین:
- اسٹاف ممبر، IBM ریسرچ
ڈوگ بشپ - کریکٹرائزیشن انجینئر، آئی بی ایم ریسرچ
سیمی کنڈکٹرز آج کے ڈیجیٹل الیکٹرانک دور کی بنیادی عمارت ہیں، جو ہمیں مختلف آلات فراہم کرتے ہیں جو ہماری جدید زندگیوں کو فائدہ پہنچاتے ہیں، جیسے کہ کمپیوٹر، اسمارٹ فونز اور دیگر موبائل آلات۔ سیمی کنڈکٹر کی فعالیت اور کارکردگی میں بہتری اگلی نسل کے سیمی کنڈکٹر ایپلی کیشنز کو کمپیوٹنگ، سینسنگ اور توانائی کی تبدیلی میں بھی قابل بنا رہی ہے۔ محققین نے طویل عرصے سے سیمی کنڈکٹر ڈیوائسز اور جدید سیمی کنڈکٹر مواد کے اندر موجود الیکٹرانک چارجز کو مکمل طور پر سمجھنے کی ہماری صلاحیت کی حدود پر قابو پانے کے لیے جدوجہد کی ہے جو ہماری آگے بڑھنے کی صلاحیت کو روک رہے ہیں۔
جرنل میں ایک نئی تحقیق میں IBM ریسرچ کی سربراہی میں ایک تحقیقی تعاون فزکس میں 140 سال پرانے اسرار کو حل کرنے میں ایک دلچسپ پیش رفت کی وضاحت کرتا ہے، جو ہمیں سیمی کنڈکٹرز کی جسمانی خصوصیات کا بہت زیادہ تفصیل سے مطالعہ کرنے اور نئے اور بہتر سیمی کنڈکٹر مواد کی ترقی کے قابل بنائے گا۔
سیمی کنڈکٹرز کی طبیعیات کو صحیح معنوں میں سمجھنے کے لیے، ہمیں سب سے پہلے مواد کے اندر چارج کیریئرز کی بنیادی خصوصیات کو سمجھنا چاہیے، چاہے وہ منفی ہوں یا مثبت ذرات، لاگو برقی میدان میں ان کی رفتار، اور وہ مواد کے اندر کتنے گھنے بھرے ہوئے ہیں۔ ماہر طبیعیات ایڈون ہال نے 1879 میں ان خصوصیات کا تعین کرنے کا ایک طریقہ تلاش کیا جب اس نے دریافت کیا کہ مقناطیسی میدان ایک موصل کے اندر الیکٹران چارجز کی حرکت کو منحرف کر دے گا، اور یہ کہ انحراف کی مقدار کو چارج کے دشاتمک بہاؤ کے لیے کھڑے ممکنہ فرق کے طور پر ماپا جا سکتا ہے۔ ذرات، جیسا کہ شکل 1a میں دکھایا گیا ہے۔ یہ وولٹیج، جسے ہال وولٹیج کے نام سے جانا جاتا ہے، سیمی کنڈکٹر میں چارج کیریئرز کے بارے میں اہم معلومات کو ظاہر کرتا ہے، بشمول یہ کہ آیا وہ منفی الیکٹران ہیں یا مثبت کواسی پارٹیکلز جنہیں "سوراخ" کہا جاتا ہے، وہ برقی میدان میں کتنی تیزی سے حرکت کرتے ہیں، یا ان کی "موبلٹی" (µ )، اور ان کا ارتکاز (n) سیمی کنڈکٹر کے اندر۔
140 سال پرانا اسرار
ہال کی دریافت کے کئی دہائیوں بعد، محققین نے یہ بھی دریافت کیا کہ وہ روشنی کے ساتھ ہال کے اثر کی پیمائش کر سکتے ہیں — فوٹو ہال کہلانے والے تجربات، شکل 1b دیکھیں۔ اس طرح کے تجربات میں، روشنی کی روشنی سیمی کنڈکٹرز میں متعدد کیریئرز، یا الیکٹران ہول جوڑے پیدا کرتی ہے۔ بدقسمتی سے، بنیادی ہال اثر کے بارے میں ہماری سمجھ نے صرف اکثریت (یا اکثریت) چارج کیریئرز کے بارے میں بصیرت فراہم کی ہے۔ محققین بیک وقت دونوں میڈیا (بڑے اور نان میجر) سے پیرامیٹرز نکالنے سے قاصر تھے۔ اس طرح کی معلومات روشنی سے متعلق بہت سی ایپلی کیشنز، جیسے سولر پینلز اور دیگر آپٹو الیکٹرانک آلات کے لیے کلیدی حیثیت رکھتی ہیں۔
IBM ریسرچ میگزین کا مطالعہ ہال اثر کے طویل عرصے سے رکھے ہوئے رازوں میں سے ایک کو ظاہر کرتا ہے۔ کوریا ایڈوانسڈ انسٹی ٹیوٹ آف سائنس اینڈ ٹیکنالوجی (KAIST)، کوریا ریسرچ انسٹی ٹیوٹ آف کیمیکل ٹیکنالوجی (KRICT)، ڈیوک یونیورسٹی، اور IBM کے محققین نے ایک نیا فارمولہ اور تکنیک دریافت کی ہے جو ہمیں بیک وقت بنیادی اور غیر بنیادی کے بارے میں معلومات نکالنے کی اجازت دیتی ہے۔ کیریئرز، جیسے کہ ان کا ارتکاز اور نقل و حرکت، نیز کیریئر کی زندگی بھر، بازی کی لمبائی اور دوبارہ ملاپ کے عمل کے بارے میں اضافی معلومات حاصل کرتے ہیں۔
مزید خاص طور پر، فوٹو-ہال کے تجربے میں، دونوں کیریئر کنڈکٹیوٹی (σ) اور ہال کوفیینٹ (H، مقناطیسی میدان میں ہال وولٹیج کے تناسب کے تناسب سے) میں تبدیلیوں میں حصہ ڈالتے ہیں۔ کلیدی بصیرتیں روشنی کی شدت کے کام کے طور پر چالکتا اور ہال کے گتانک کی پیمائش سے حاصل ہوتی ہیں۔ چالکتا ہال کوفیشینٹ وکر (σ-H) کی شکل میں چھپا ہوا بنیادی طور پر نئی معلومات کو ظاہر کرتا ہے: دونوں کیریئرز کی نقل و حرکت میں فرق۔ جیسا کہ مضمون میں بحث کی گئی ہے، اس تعلق کو خوبصورتی سے بیان کیا جا سکتا ہے:
$$display$$ Δµ = d (σ²H)/dσ$$display$$
اندھیرے میں روایتی ہال کی پیمائش سے معلوم اکثریتی کیریئر کثافت کے ساتھ شروع کرتے ہوئے، ہم روشنی کی شدت کے کام کے طور پر اکثریت اور اقلیتی کیریئر کی نقل و حرکت اور کثافت دونوں کے لیے ظاہر کر سکتے ہیں۔ ٹیم نے پیمائش کے نئے طریقہ کا نام دیا: کیریئر-حل شدہ فوٹو ہال (CRPH)۔ روشنی کی روشنی کی معلوم شدت کے ساتھ، کیریئر کی زندگی کو اسی طرح قائم کیا جا سکتا ہے۔ ہال ایفیکٹ کی دریافت کے بعد سے یہ تعلق اور اس کے حل تقریباً ڈیڑھ صدی سے پوشیدہ ہیں۔
اس نظریاتی تفہیم میں پیشرفت کے علاوہ، تجرباتی طریقوں میں پیش رفت بھی اس نئے طریقہ کار کو فعال کرنے کے لیے اہم ہے۔ طریقہ کار کے لیے ہال سگنل کی خالص پیمائش کی ضرورت ہوتی ہے، جو ایسے مواد کے لیے مشکل ہو سکتا ہے جہاں ہال سگنل کمزور ہو (مثال کے طور پر، کم نقل و حرکت کی وجہ سے) یا جب اضافی ناپسندیدہ سگنل موجود ہوں، جیسا کہ مضبوط روشنی کی شعاع ریزی کے ساتھ۔ ایسا کرنے کے لیے، ایک دوہری مقناطیسی میدان کا استعمال کرتے ہوئے ہال کی پیمائش کرنا ضروری ہے۔ بالکل اسی طرح جیسے ریڈیو سنتے وقت، آپ کو مطلوبہ اسٹیشن کی فریکوئنسی کو منتخب کرنے کی ضرورت ہوتی ہے، دیگر تمام فریکوئنسیوں کو مسترد کرتے ہوئے جو شور کا کام کرتی ہیں۔ سی آر پی ایچ کا طریقہ ایک قدم آگے بڑھتا ہے اور نہ صرف مطلوبہ فریکوئنسی بلکہ دوغلی مقناطیسی فیلڈ کا مرحلہ بھی منتخب کرتا ہے جسے سنکرونس سینسنگ کہا جاتا ہے۔ دوغلی ہال کی پیمائش کا یہ تصور طویل عرصے سے جانا جاتا ہے، لیکن ایک دوہری مقناطیسی میدان پیدا کرنے کے لیے برقی مقناطیسی کنڈلیوں کے نظام کو استعمال کرنے کا روایتی طریقہ غیر موثر تھا۔
پچھلی دریافت
جیسا کہ سائنس میں اکثر ہوتا ہے، ایک شعبے میں پیشرفت دوسرے میں دریافتوں سے ہوتی ہے۔ 2015 میں، IBM ریسرچ نے طبیعیات میں ایک پہلے سے نامعلوم مظہر کی اطلاع دی جو ایک نئے مقناطیسی میدان کی قید کے اثر سے منسلک ہے جسے "اونٹ کوباں" اثر کہا جاتا ہے، جو کہ دو لائنوں کے درمیان اس وقت ہوتا ہے جب وہ ایک اہم لمبائی سے تجاوز کرتے ہیں، جیسا کہ شکل 2a میں دکھایا گیا ہے۔ اثر ایک اہم خصوصیت ہے جو ایک نئی قسم کے قدرتی مقناطیسی جال کو قابل بناتا ہے جسے متوازی ڈوپول لائن ٹریپ (PDL ٹریپ) کہا جاتا ہے، جیسا کہ شکل 2b میں دکھایا گیا ہے۔ مقناطیسی PDL ٹریپ کو مختلف سینسنگ ایپلی کیشنز جیسے کہ ٹائل میٹر، سیسمومیٹر (زلزلے کا سینسر) کے لیے ایک نئے پلیٹ فارم کے طور پر استعمال کیا جا سکتا ہے۔ اس طرح کے نئے سینسر سسٹمز، بڑی ڈیٹا ٹیکنالوجیز کے ساتھ مل کر، بہت سی نئی ایپلی کیشنز کو کھول سکتے ہیں، اور IBM ریسرچ ٹیم کی طرف سے ایک بڑا ڈیٹا اینالیٹکس پلیٹ فارم تیار کیا جا رہا ہے جسے IBM فزیکل اینالٹکس انٹیگریٹڈ ریپوزٹری سروس (PAIRS) کہا جاتا ہے، جس میں جغرافیائی وسائل کی دولت موجود ہے۔ اور انٹرنیٹ آف تھنگز ڈیٹا (IoT)۔
حیرت کی بات یہ ہے کہ اسی PDL عنصر میں ایک اور منفرد ایپلی کیشن ہے۔ جب گھمایا جاتا ہے، تو یہ مقناطیسی میدان کی یک طرفہ اور خالص ہارمونک دولن (شکل 2c) حاصل کرنے کے لیے ایک مثالی فوٹو ہال تجرباتی نظام کے طور پر کام کرتا ہے۔ زیادہ اہم بات یہ ہے کہ یہ نظام نمونے کے وسیع علاقے کو روشن کرنے کی اجازت دینے کے لیے کافی جگہ فراہم کرتا ہے، جو فوٹو ہال کے تجربات میں اہم ہے۔
اثر
فوٹو ہال کا نیا طریقہ جو ہم نے تیار کیا ہے وہ ہمیں سیمی کنڈکٹرز سے حیرت انگیز معلومات حاصل کرنے کی اجازت دیتا ہے۔ کلاسیکی ہال کی پیمائش میں حاصل کیے گئے صرف تین پیرامیٹرز کے برعکس، یہ نیا طریقہ ہر آزمائشی روشنی کی شدت پر سات پیرامیٹرز تک حاصل کرتا ہے۔ اس میں الیکٹران اور سوراخ دونوں کی نقل و حرکت شامل ہے۔ روشنی کے زیر اثر ان کے کیریئر کی حراستی؛ دوبارہ مجموعہ زندگی بھر؛ اور الیکٹران، سوراخ اور ambipolar اقسام کے لیے پھیلاؤ کی لمبائی۔ یہ سب N بار دہرایا جا سکتا ہے (یعنی تجربے میں استعمال ہونے والے روشنی کی شدت کے پیرامیٹرز کی تعداد)۔
یہ نئی دریافت اور ٹیکنالوجی موجودہ اور ابھرتی ہوئی دونوں ٹیکنالوجیز میں سیمی کنڈکٹر کی ترقی میں مدد کرے گی۔ اب ہمارے پاس سیمی کنڈکٹر مواد کی جسمانی خصوصیات کو بڑی تفصیل سے نکالنے کے لیے ضروری علم اور اوزار ہیں۔ مثال کے طور پر، یہ اگلی نسل کی سیمی کنڈکٹر ٹیکنالوجی کی ترقی کو تیز کرنے میں مدد کرے گا، جیسے بہتر سولر پینلز، بہتر آپٹو الیکٹرانک ڈیوائسز، اور مصنوعی ذہانت کی ٹیکنالوجیز کے لیے نئے مواد اور آلات۔
مضمون 7 اکتوبر 2019 کو شائع ہوا۔ .
ترجمہ: نکولے مارین ()، روس اور CIS ممالک میں چیف ٹیکنالوجی آفیسر IBM۔
ماخذ: www.habr.com