Verbesserte Energieeffizienz durch neu entdeckte Halbleiterdynamik

Halbleiter kommen in fast jedem modernen elektrischen Gerät zum Einsatz – von Computern über Fernseher bis hin zum Smartphone. Beim Thema elektrische Leitfähigkeit liegen sie zwischen Metallen, die Strom sehr gut leiten und Isolatoren wie Glas, die gar keine Elektrizität leiten. Dank dieser moderaten Leitungseigenschaft können Halbleiter als Schalter und Transistoren arbeiten.

Dotiermenge ausschlaggebend für Leitfähigkeit

Das gebräuchlichste Material für Halbleiter ist Silizium, das aus der Erde gewonnen, dann verfeinert und gereinigt wird. Reines Silizium leitet jedoch keine Elektrizität, daher wird das Material absichtlich und präzise durch die Zugabe anderer Substanzen (Dotierstoffe) verunreinigt. Bor- und Phosphor-Ionen fügt man siliziumbasierten Halbleitern hinzu, um die elektrische Leitfähigkeit zu gewährleisten. Die Dotiermenge entscheidet über die elektrische Leitfähigkeit: Bei einer geringen Menge ist der Halbleiter nicht in der Lage, Elektrizität zu leiten. Gibt man zu viel Dotierstoff dazu, wird der Halbleiter zu einem nicht leitenden Isolator.  „Hinsichtlich der Dotierung gibt es für das effiziente Leiten von Elektrizität einen optimalen Punkt. Aber danach verlangsamen höhere Dotierungen den Stromfluss", sagt Assistenzprofessor Preston Snee von der Universität von Illinois in Chicago. „Lange Zeit dachten Wissenschaftler, dass die Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit bei Zugabe einer hohen Menge Dotierstoffe dadurch verursacht wird, weil diese Dotierstoffe den Elektronenfluss ablenken. Allerdings gibt es noch einen weiteren Grund, warum zu viele Dotierstoffe, den Stromfluss hindern“, so Preston Snee. Mithilfe des Advanced Photon Source des Argonne National Laboratory gelang es den Forschern mit Röntgenaufnahmen festzustellen, was auf Atomebene in einem Halbleiter passiert. Als Basis verwendeten sie winzige Cadmiumsulfid-Späne, die sie mit Kupfer-Ionen dotierten.