Nyopdaget halvlederdynamik kan hjælpe med at forbedre energieffektiviteten

Forskere, der undersøger strømmen af ​​elektricitet gennem halvledere, har afsløret en anden grund til, at disse materialer ser ud til at miste deres evne til at bære en ladning, da de bliver mere tætte "dopet". Deres resultater, som kan hjælpe ingeniører med at designe hurtigere halvledere i fremtiden, er offentliggjort online i tidsskriftet ACS Nano .

Halvledere findes i næsten hvert stykke moderne elektronik, fra computere til fjernsyn til din mobiltelefon. De falder et sted mellem metaller, som leder elektricitet meget godt, og isolatorer kan lide glas, der slet ikke leder elektricitet. Denne moderate ledningsegenskab er det, der tillader halvledere at fungere som switche og transistorer i elektronik.

Det mest almindelige materiale til halvledere er silicium, som udvindes fra jorden og derefter raffineres og renses. Men rent silicium leder ikke elektricitet, så materialet forfalskes med vilje og præcist ved tilsætning af andre stoffer kendt som dopemidler. Bor- og fosforioner er almindelige dopingstoffer, der tilsættes til siliciumbaserede halvledere, der tillader dem at lede elektricitet.

Men mængden af ​​dopant tilsat en halvleder betyder noget - for lidt dopant og halvlederen vil ikke være i stand til at lede elektricitet. For meget dopant og halvlederen bliver mere som en ikke-ledende isolator.

"Der er et sødt punkt, når det kommer til doping, hvor den rigtige mængde giver mulighed for effektiv ledning af elektricitet, men efter et vist punkt, tilsætning af flere dopingstoffer sænker flowet, " siger Preston Snee, lektor i kemi ved University of Illinois i Chicago og tilsvarende forfatter på papiret.

"I lang tid troede videnskabsmænd, at årsagen til, at effektiv ledning af elektricitet faldt med tilsætning af flere dopingstoffer, var, at disse dopanter fik de strømmende elektroner til at blive afbøjet væk, men vi fandt ud af, at der også er en anden alt for mange dopingstoffer, der hindrer strømmen af ​​elektricitet."

Snee, UIC kemistuderende Asra Hassan, og deres kolleger ønskede at se nærmere på, hvad der sker, når elektricitet strømmer gennem en halvleder.

Ved at bruge den avancerede fotonkilde Argonne National Laboratory, de var i stand til at fange røntgenbilleder af, hvad der sker på atomniveau inde i en halvleder. De brugte bittesmå chips af cadmiumsulfid til deres halvleder "base" og dopede dem med kobberioner. I stedet for at tilslutte de små chips til elektricitet, de genererede en strøm af elektroner gennem halvlederne ved at skyde dem med en kraftig blå laserstråle. På samme tid, de tog meget højenergi røntgenfotos af halvlederne med milliontedele af et mikrosekunds mellemrum - som viste, hvad der skete på atomniveau i realtid, mens elektroner strømmede gennem de dopede halvledere.

De fandt ud af, at når elektroner strømmede igennem, kobberionerne kortvarigt dannede bindinger med cadmiumsulfat-halvlederbasen, hvilket er skadeligt for ledning.

"Dette er aldrig set før, " sagde Hassan. "Elektroner preller stadig af dopingstoffer, som vi allerede vidste, men vi kender nu til denne anden proces, der bidrager til at hindre strøm af elektricitet i overdopede halvledere."

Bindingen af ​​dopingionerne til halvlederbasismaterialet "får strømmen til at sætte sig fast ved dopingstofferne, som vi ikke vil have i vores elektronik, især hvis vi vil have dem til at være hurtige og effektive, sagde hun. "Men nu hvor vi ved, at dette sker inde i materialet, vi kan designe smartere systemer, der minimerer denne effekt, som vi kalder 'ladningsbærermodulation af dopantbinding'."