Onderzoekers die de stroom van elektriciteit door halfgeleiders onderzoeken, hebben een andere reden ontdekt waarom deze materialen hun vermogen om een ​​lading te dragen lijken te verliezen naarmate ze dichter "gedoteerd" worden. hun resultaten, die ingenieurs in de toekomst kunnen helpen bij het ontwerpen van snellere halfgeleiders, worden online gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

Halfgeleiders zijn te vinden in zowat elk stuk moderne elektronica, van computers tot televisies tot uw mobiele telefoon. Ze vallen ergens tussen metalen, die elektriciteit zeer goed geleiden, en isolatoren zoals glas die helemaal geen elektriciteit geleiden. Deze matige geleidingseigenschap zorgt ervoor dat halfgeleiders kunnen presteren als schakelaars en transistors in de elektronica.

Het meest gebruikte materiaal voor halfgeleiders is silicium, die uit de aarde wordt gewonnen en vervolgens wordt verfijnd en gezuiverd. Maar puur silicium geleidt geen elektriciteit, dus het materiaal is opzettelijk en precies vervalst door de toevoeging van andere stoffen die bekend staan ​​als doteermiddelen. Boor- en fosforionen zijn veel voorkomende doteermiddelen die worden toegevoegd aan op silicium gebaseerde halfgeleiders waardoor ze elektriciteit kunnen geleiden.

Maar de hoeveelheid doteerstof die aan een halfgeleider wordt toegevoegd, is van belang - te weinig doteerstof en de halfgeleider zal geen elektriciteit kunnen geleiden. Te veel dotering en de halfgeleider wordt meer een niet-geleidende isolator.

"Er is een goede plek als het gaat om doping, waar de juiste hoeveelheid zorgt voor een efficiënte geleiding van elektriciteit, maar na een bepaald punt, het toevoegen van meer doteermiddelen vertraagt ​​de stroom, " zegt Preston Snee, universitair hoofddocent scheikunde aan de Universiteit van Illinois in Chicago en corresponderende auteur op het papier.

"Lange tijd dachten wetenschappers dat de reden waarom de efficiënte geleiding van elektriciteit afnam met de toevoeging van meer doteermiddelen, was omdat deze doteermiddelen ervoor zorgden dat de stromende elektronen werden weggebogen, maar we ontdekten dat er ook op een andere manier te veel doteerstoffen zijn die de stroom van elektriciteit belemmeren."

snee, UIC scheikundestudent Asra Hassan, en hun collega's wilden nader bekijken wat er gebeurt als elektriciteit door een halfgeleider stroomt.

Met behulp van het Advanced Photon Source Argonne National Laboratory, ze waren in staat om röntgenfoto's te maken van wat er op atomair niveau in een halfgeleider gebeurt. Ze gebruikten kleine stukjes cadmiumsulfide voor hun halfgeleider-"basis" en doopten ze met koperionen. In plaats van de kleine chips voor elektriciteit te bedraden, ze genereerden een stroom van elektronen door de halfgeleiders door ze te beschieten met een krachtige blauwe laserstraal. Tegelijkertijd, ze namen zeer energierijke röntgenfoto's van de halfgeleiders op een miljoenste van een microseconde uit elkaar - die lieten zien wat er in realtime op atomair niveau gebeurde terwijl elektronen door de gedoteerde halfgeleiders stroomden.

Ze ontdekten dat wanneer er elektronen doorstroomden, de koperionen tijdelijk gevormde bindingen met de cadmiumsulfaat halfgeleiderbasis, wat nadelig is voor de geleiding.

"Dit is nog nooit eerder gezien, "zei Hassan. "Elektronen kaatsen nog steeds terug van doteringen, die we al wisten, maar we kennen nu dit andere proces dat bijdraagt ​​aan het belemmeren van de stroom van elektriciteit in overgedoteerde halfgeleiders."

De binding van de doteer-ionen aan het basismateriaal van de halfgeleider zorgt ervoor dat de stroom vast komt te zitten in de doteermiddelen, die we niet willen in onze elektronica, vooral als we willen dat ze snel en efficiënt zijn, "zei ze. "Echter, nu we weten dat dit in het materiaal gebeurt, we kunnen slimmere systemen ontwerpen die dit effect minimaliseren, die we 'ladingsdragermodulatie van doteringsbinding' noemen."