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Halbleiter-Forschung: Neue Erkenntnisse
Verbesserte Energieeffizienz durch neu entdeckte Halbleiterdynamik

Forscher untersuchten die elektrische Leitfähigkeit von Halbleitern und fanden heraus, dass bei einer hohen Dotierung der Ladefluss unterbrochen wird. Die Erkenntnis kann dazu beitragen, in Zukunft schnellere Halbleiter zu entwickeln.

Symbolfoto (Foto: IdeeID/stock.adobe.com)

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.

Kupfer-Ionen gehen Verbindung mit Halbleiterbasis ein

Anstatt die Späne mit elektrischen Kontakten zu versehen, erzeugten sie mit einem leistungsfähigen blauen Laserstrahl einen Elektronenfluss. Zur selben Zeit machten sie mit hochenergetischen Röntgenstrahlen extrem schnelle Aufnahmesequenzen. So war es möglich in Echtzeit zu sehen, was auf Atomebene passiert, wenn Elektronen durch die dotierten Halbleiter fließen.

Es stellte sich heraus, dass beim Elektronenfluss die Kupfer-Ionen vorübergehend Verbindungen mit der Cadmiumsulfat-Halbleiterbasis bildeten, was sich nachteilig auf die Leitfähigkeit auswirkte.

Laut Wissenschaftlern sei dies noch nie zuvor beobachtet worden. Die Elektronen würden wie bisher von den Dotierungen abprallen. Das war bereits bekannt. Aber jetzt weiß man vom Prozess, der den Stromfluss in überdotierten Halbleitern behindert.

Durch die Bindung der Dotierungsionen mit dem Halbleiter-Basismaterial bleibt der Strom an den Dotierungen stecken, was bei der Elektronik nicht vorkommen sollte.
Da man nun weiß, was innerhalb des Materials geschieht, kann man intelligentere Systeme entwickeln, die diesen Effekt, den die Forscher Charge Carrier Modulation of Dopant Bonding nennen, minimieren.

Der Forschungsbericht ist online auf der Website ACS Nano verfügbar.

 

Bild Mitte rechts: Atomstruktur eines winzigen Halbleiters (Foto: University of Illinois at Chicago)

Bild unten links: Assistenzprofessor Preston Snee bei einem Experiment mit Studenten (Foto: University of Illinois at Chicago)

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