ترجمة مقال بقلم IBM Research.
سيسمح لنا تحقيق تقدم مهم في الفيزياء بدراسة الخصائص الفيزيائية لأشباه الموصلات بتفصيل أكبر. ربما يساعد ذلك في تسريع عملية تطوير تقنية أشباه الموصلات من الجيل التالي.
المؤلف:
أوكي جوناوان - عضو في هيئة أبحاث آي بي إم
دوغ بيشوب - مهندس توصيف ، أبحاث IBM
إن أشباه الموصلات هي اللبنات الأساسية للعصر الرقمي والإلكتروني اليوم ، حيث توفر لنا مجموعة متنوعة من الأجهزة التي تفيد حياتنا العصرية ، مثل أجهزة الكمبيوتر والهواتف الذكية والأجهزة المحمولة الأخرى. كما أن التحسينات في وظائف وأداء أشباه الموصلات تُمكِّن أيضًا استخدام الجيل التالي من أشباه الموصلات في حساب الطاقة والتعرف عليها وتحويلها. لقد كافح الباحثون منذ فترة طويلة للتغلب على قيود قدرتنا على فهم الشحنات الإلكترونية بالكامل داخل أجهزة أشباه الموصلات ومواد أشباه الموصلات المتقدمة التي تعيق قدرتنا على المضي قدما.
في دراسة جديدة في مجلة Nature ، يصف أحد المشاركين في تأليف بحث بقيادة شركة IBM Research طفرة مذهلة في اكتشاف 140 عامًا من الغموض في الفيزياء ، وهو ما سيتيح لنا دراسة الخصائص الفيزيائية لأشباه الموصلات بتفاصيل أكبر بكثير وإتاحة تطوير مواد جديدة وأشباه الموصلات.
لفهم فيزياء أشباه الموصلات حقًا ، يجب أولاً أن نفهم الخصائص الأساسية لناقلات الشحن داخل المواد ، سواء كانت جزيئات سالبة أو موجبة ، وسرعتها في مجال كهربائي مطبق ، ومدى كثافتها في المادة. وجد الفيزيائي إدوين هول طريقة لتحديد هذه الخصائص في عام 1879 عندما اكتشف أن المجال المغناطيسي سيحرف حركة الشحنات الإلكترونية داخل الموصل ، وأن الانحراف يمكن قياسه على أنه الفرق المحتمل عموديًا على التدفق الموجه للجسيمات المشحونة ، كما هو مبين في الشكل 1 أ. يكشف هذا الجهد ، المعروف باسم الجهد الكهربي في Hall ، عن معلومات مهمة حول حاملات الشحن في أشباه الموصلات ، بما في ذلك ما إذا كانت إلكترونات سالبة أو جسيمات شبه موجبة تسمى "ثقوب" ، ومدى سرعة تحركها في مجال كهربائي ، أو "حركتها" (µ) ، وتركيزها (ن) داخل أشباه الموصلات.
140 سنة الغموض
بعد عقود من اكتشاف القاعة ، وجد الباحثون أيضًا أن بإمكانهم قياس تأثير القاعة بتجارب ضوئية تسمى قاعة الصور ، انظر الشكل 1 ب. في مثل هذه التجارب ، تولد الإضاءة الضوئية ناقلات متعددة أو أزواج ثقب الإلكترون في أشباه الموصلات. لسوء الحظ ، قدم فهمنا لتأثير القاعة الرئيسية نظرة ثاقبة على ناقلات الشحن الرئيسية فقط (أو ناقلات الأغلبية). لم يتمكن الباحثون من استخراج معلمات كل من الناقلات (الأولية والثانوية) في نفس الوقت. هذه المعلومات هي مفتاح العديد من التطبيقات ذات الصلة بالضوء ، مثل الألواح الشمسية والأجهزة الإلكترونية البصرية الأخرى.
كشفت دراسة أجرتها شركة IBM Research في مجلة Nature عن أحد أسرار تأثير Hall التي طال أمدها. اكتشف باحثون من المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST) ، والمعهد الكوري لبحوث التكنولوجيا الكيميائية (KRICT) ، وجامعة ديوك ، وآي بي إم ، صيغة وتقنية جديدة يسمح لنا باستخراج المعلومات في وقت واحد حول الدعم الرئيسي وغير الأساسي ، مثل تركيزه وتنقله ، بالإضافة إلى الحصول على معلومات إضافية حول مدة الناقل وطول الانتشار وعملية إعادة التركيب.
وبشكل أكثر تحديداً ، في تجربة قاعة التصوير الفوتوغرافي ، تسهم كلتا الناقلتين في التغيرات في الموصلية (σ) ومعامل هول (H ، بما يتناسب مع نسبة جهد هول إلى المجال المغناطيسي). الأفكار الرئيسية تأتي من قياس الموصلية ومعامل هول كدالة لشدة الضوء. يُظهر معامل Hall (σ-H) المخفي في شكل منحنى الموصلية ، معلومات جديدة بشكل أساسي: الفرق في تنقل كلتا الناقلتين. كما نوقش في المقال ، يمكن التعبير عن هذه العلاقة بأناقة:
عرض $$ $ Δµ = d (σ²H) / dσ $$ عرض $$
بدءًا من كثافة الناقل المعروفة لمعظم قياس Hall التقليدي في الظلام ، يمكننا أن نكشف للأغلبية والأقلية على حد سواء عن حركة وكثافة الناقلات كدالة لشدة الضوء. ودعا الفريق طريقة القياس الجديدة: قاعة الصور التي تم حلها بواسطة الناقل ، والتي سمح بها الناقل. مع شدة الإضاءة المعروفة ، يمكن ضبط عمر الناقل بطريقة مماثلة. تم إخفاء هذا الاتصال والقرارات ذات الصلة منذ ما يقرب من قرن ونصف منذ اكتشاف تأثير هول.
بالإضافة إلى التطورات في هذا الفهم النظري ، فإن التقدم في الأساليب التجريبية ضروري أيضًا لتوفير هذه الطريقة الجديدة. تتطلب هذه الطريقة قياسًا نظيفًا لإشارة القاعة ، والتي قد تكون صعبة بالنسبة للمواد التي تكون فيها إشارة القاعة ضعيفة (على سبيل المثال ، بسبب انخفاض الحركة) أو عند وجود إشارات إضافية غير مرغوب فيها ، مثل التعرض للضوء القوي. لهذا ، من الضروري إجراء قياس هول باستخدام مجال مغناطيسي متذبذب. كما هو الحال مع الاستماع إلى الراديو ، يجب عليك تحديد تردد المحطة المطلوبة ، مع تجاهل جميع الترددات الأخرى التي تعمل كضوضاء. تأخذ طريقة CRPH خطوة للأمام ، وتختار ليس فقط التردد المطلوب ، ولكن أيضًا مرحلة المجال المغناطيسي المتذبذب وفقًا لطريقة تسمى التحديد المتزامن. هذا المفهوم لقياس قاعة تتأرجح معروف منذ فترة طويلة ، ولكن الطريقة التقليدية باستخدام نظام من الملفات الكهرومغناطيسية لتوليد مجال مغناطيسي تتأرجح لم تكن فعالة.
الافتتاح السابق
كما يحدث غالبًا في العلوم ، فإن التقدم في مجال ما ناتج عن اكتشافات في مجال آخر. في عام 2015 ، أبلغت شركة IBM Research عن ظاهرة غير معروفة سابقًا في الفيزياء تتعلق بتأثير مجال مغناطيسي جديد يسمى "حدبة الهجن" الذي يحدث بين خطين من أقطاب ثنائيات مستعرضة عندما يتجاوزان الطول الحرج ، كما هو مبين في الشكل 2 أ. التأثير هو ميزة أساسية توفر نوعًا جديدًا من المصيدة المغناطيسية الطبيعية تسمى فخ خط ثنائي القطب متوازي (فخ PDL) ، كما هو موضح في الشكل 2 ب. يمكن استخدام مصيدة PDL المغناطيسية كأحدث منصة لمجموعة متنوعة من التطبيقات الحسية ، مثل مقياس الميل ، ومقياس الزلازل (مستشعر الزلازل). يمكن لأنظمة الاستشعار الجديدة المشابهة ، إلى جانب تقنيات البيانات الكبيرة ، أن تفتح العديد من التطبيقات الجديدة ، ويقوم فريق IBM Research بدراستها ، والتي تقوم بتطوير نظام أساسي لتحليل البيانات كبير يسمى خدمة مستودع بيانات التحليل الفيزيائي المتكاملة IBM Physical Analytics ، والذي يحتوي على الكثير من البيانات الجغرافية المكانية وإنترنت الأشياء إنترنت (تقنيات عمليات).
والمثير للدهشة أن نفس عنصر PDL له استخدام فريد آخر. عندما تدور ، فإنه بمثابة نظام مثالي لتجربة قاعة الصور لتلقي التذبذبات التوافقي النقي أحادي الاتجاه للحقل المغناطيسي (الشكل 2C). والأهم من ذلك ، أن النظام يوفر مساحة كافية للسماح بإضاءة مساحة كبيرة من العينة ، وهو أمر بالغ الأهمية في تجارب قاعة الصور.
تأثير
تسمح لنا الطريقة الجديدة المطورة لقاعة الصور باستخراج كمية مذهلة من المعلومات من أشباه الموصلات. على عكس المعلمات الثلاث فقط التي تم الحصول عليها في قياس القاعة الكلاسيكية ، فإن هذه الطريقة الجديدة توفر ما يصل إلى سبع معلمات لكل من شدة الضوء المختبرة. ويشمل ذلك تنقل كل من الإلكترونات والثقوب ؛ تركيز حاملها تحت تأثير الضوء ؛ إعادة التركيب العمر ؛ وطول الانتشار للإلكترونات ، والثقوب ، ونوع القطب. كل هذا يمكن أن يتكرر N مرات (أي عدد معلمات شدة الضوء المستخدمة في التجربة).
سيساعد هذا الاكتشاف والتقنية الجديدان على تقدم تقدم أشباه الموصلات في كل من التقنيات الحالية والناشئة. لدينا الآن المعرفة والأدوات اللازمة لاستخراج الخصائص الفيزيائية لمواد أشباه الموصلات بتفصيل كبير. على سبيل المثال ، سيساعد ذلك في تسريع عملية تطوير تقنية أشباه الموصلات من الجيل التالي ، مثل أفضل الألواح الشمسية ، وأفضل الأجهزة الإلكترونية البصرية ، والمواد والأجهزة الجديدة لتقنيات الذكاء الاصطناعي.
تم نشر المقال الأصلي في 7 أكتوبر 2019 على مدونة IBM Research .
ترجمة: نيكولاي مارين ، رئيس قسم التكنولوجيا في شركة آي بي إم في روسيا ورابطة الدول المستقلة.