Los investigadores que examinan el flujo de electricidad a través de semiconductores han descubierto otra razón por la que estos materiales parecen perder su capacidad de transportar una carga a medida que se vuelven más densamente "dopados". Sus resultados, que puede ayudar a los ingenieros a diseñar semiconductores más rápidos en el futuro, se publican en línea en la revista ACS Nano .

Los semiconductores se encuentran en casi todos los componentes de la electrónica moderna, desde computadoras hasta televisores y su teléfono celular. Caen en algún lugar entre los metales que conducen muy bien la electricidad, y aislantes como el vidrio que no conducen electricidad en absoluto. Esta propiedad de conducción moderada es lo que permite que los semiconductores funcionen como interruptores y transistores en la electrónica.

El material más común para los semiconductores es el silicio, que se extrae de la tierra y luego se refina y purifica. Pero el silicio puro no conduce la electricidad, por lo que el material se adultera de manera deliberada y precisa mediante la adición de otras sustancias conocidas como dopantes. Los iones de boro y fósforo son dopantes comunes que se agregan a los semiconductores a base de silicio que les permiten conducir la electricidad.

Pero la cantidad de dopante agregado a un semiconductor es importante:muy poco dopante y el semiconductor no podrá conducir electricidad. Demasiado dopante y el semiconductor se vuelve más como un aislante no conductor.

"Hay un punto óptimo cuando se trata de dopaje donde la cantidad correcta permite la conducción eficiente de la electricidad, pero después de cierto punto, agregar más dopantes ralentiza el flujo, "dice Preston Snee, profesor asociado de química en la Universidad de Illinois en Chicago y autor correspondiente del artículo.

"Durante mucho tiempo, los científicos pensaron que la razón por la que la conducción eficiente de la electricidad se reducía con la adición de más dopantes era porque estos dopantes provocaban que los electrones que fluían se desviasen, pero descubrimos que también hay otra forma en que demasiados dopantes impiden el flujo de electricidad ".

Estornudo Asra Hassan, estudiante de química de la UIC, y sus colegas querían ver más de cerca lo que sucede cuando la electricidad fluye a través de un semiconductor.

Usando el Laboratorio Nacional Argonne de Fuente de Fotones Avanzada, pudieron capturar imágenes de rayos X de lo que sucede a nivel atómico dentro de un semiconductor. Usaron diminutos chips de sulfuro de cadmio para su "base" de semiconductores y los doparon con iones de cobre. En lugar de conectar los pequeños chips para la electricidad, generaron un flujo de electrones a través de los semiconductores disparándolos con un potente rayo láser azul. Al mismo tiempo, tomaron fotos de rayos X de muy alta energía de los semiconductores con una separación de millonésimas de microsegundo, lo que mostró lo que estaba sucediendo a nivel atómico en tiempo real a medida que los electrones fluían a través de los semiconductores dopados.

Descubrieron que cuando los electrones fluían, los iones de cobre formaron enlaces transitorios con la base semiconductora de sulfato de cadmio, que es perjudicial para la conducción.

"Esto nunca se ha visto antes, "dijo Hassan." Los electrones todavía rebotan en los dopantes, que ya sabíamos, pero ahora conocemos este otro proceso que contribuye a impedir el flujo de electricidad en semiconductores sobredopados ".

La unión de los iones dopantes al material base del semiconductor "hace que la corriente se atasque en los dopantes, que no queremos en nuestra electrónica, especialmente si queremos que sean rápidos y eficientes, ", dijo." Sin embargo, ahora que sabemos que esto está sucediendo dentro del material, podemos diseñar sistemas más inteligentes que minimicen este efecto, lo que llamamos 'modulación del portador de carga de la unión dopante' ".