Forskare som undersöker flödet av elektricitet genom halvledare har avslöjat en annan anledning till att dessa material tycks förlora sin förmåga att bära en laddning när de blir mer tätt "dopade". Deras resultat, vilket kan hjälpa ingenjörer att designa snabbare halvledare i framtiden, publiceras online i tidskriften ACS Nano .

Halvledare finns i nästan varje del av modern elektronik, från datorer till tv-apparater till din mobiltelefon. De faller någonstans mellan metaller, som leder elektricitet mycket bra, och isolatorer som glas som inte leder elektricitet alls. Denna måttliga ledningsegenskap är det som gör att halvledare kan fungera som omkopplare och transistorer inom elektronik.

Det vanligaste materialet för halvledare är kisel, som utvinns från jorden och sedan förädlas och renas. Men rent kisel leder inte elektricitet, så materialet är avsiktligt och exakt förvanskat genom tillsats av andra ämnen som kallas dopämnen. Bor- och fosforjoner är vanliga dopämnen som tillsätts till kiselbaserade halvledare som gör att de kan leda elektricitet.

Men mängden dopämne som läggs till en halvledare spelar roll - för lite dopämne och halvledaren kommer inte att kunna leda elektricitet. För mycket dopningsmedel och halvledaren blir mer som en icke-ledande isolator.

"Det finns en sweet spot när det gäller dopning där rätt mängd möjliggör effektiv ledning av elektricitet, men efter en viss punkt, att tillsätta fler dopämnen saktar ner flödet, " säger Preston Snee, docent i kemi vid University of Illinois i Chicago och motsvarande författare på tidningen.

"Under lång tid trodde forskare att anledningen till att effektiv ledning av elektricitet avbröts med tillsatsen av fler dopämnen var att dessa dopämnen gjorde att de strömmande elektronerna avleddes bort, men vi upptäckte att det också finns en annan alldeles för många dopämnen som hindrar flödet av el."

Snee, UIC kemistudent Asra Hassan, och deras kollegor ville ta en närmare titt på vad som händer när elektricitet strömmar genom en halvledare.

Genom att använda den avancerade fotonkällan Argonne National Laboratory, de kunde fånga röntgenbilder av vad som händer på atomnivå inuti en halvledare. De använde små chips av kadmiumsulfid för sin halvledarbas och dopade dem med kopparjoner. Istället för att koppla de små chipsen för elektricitet, de genererade ett flöde av elektroner genom halvledarna genom att skjuta dem med en kraftfull blå laserstråle. På samma gång, de tog röntgenbilder med mycket hög energi av halvledarna med miljondelar av en mikrosekund från varandra – som visade vad som hände på atomnivå i realtid när elektroner strömmade genom de dopade halvledarna.

De fann att när elektroner strömmade igenom, kopparjonerna övergående bildade bindningar med kadmiumsulfathalvledarbasen, vilket är skadligt för ledningen.

"Detta har aldrig setts förut, " sa Hassan. "Elektroner studsar fortfarande av dopämnen, som vi redan visste, men vi känner nu till denna andra process som bidrar till att hindra flödet av el i överdopade halvledare."

Bindningen av dopningsmedeljonerna till halvledarbasmaterialet "gör att strömmen fastnar vid dopämnena, som vi inte vill ha i vår elektronik, speciellt om vi vill att de ska vara snabba och effektiva, " sa hon. "Men, nu när vi vet att detta händer inuti materialet, vi kan designa smartare system som minimerar denna effekt, som vi kallar "laddningsbärarmodulering av dopantbindning".