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  • La dynamique des semi-conducteurs récemment découverte peut aider à améliorer l'efficacité énergétique

    La structure atomique d'un minuscule semi-conducteur est radiographiée. Crédit :Université de l'Illinois à Chicago

    Les chercheurs examinant le flux d'électricité à travers les semi-conducteurs ont découvert une autre raison pour laquelle ces matériaux semblent perdre leur capacité à transporter une charge à mesure qu'ils deviennent de plus en plus "dopés". leurs résultats, qui peut aider les ingénieurs à concevoir des semi-conducteurs plus rapides à l'avenir, sont publiés en ligne dans la revue ACS Nano .

    Les semi-conducteurs se trouvent dans à peu près tous les composants électroniques modernes, des ordinateurs aux téléviseurs en passant par votre téléphone portable. Ils tombent quelque part entre les métaux, qui conduisent très bien l'électricité, et des isolants comme le verre qui ne conduisent pas du tout l'électricité. Cette propriété de conduction modérée est ce qui permet aux semi-conducteurs de fonctionner comme des commutateurs et des transistors dans l'électronique.

    Le matériau le plus courant pour les semi-conducteurs est le silicium, qui est extrait de la terre puis raffiné et purifié. Mais le silicium pur ne conduit pas l'électricité, le matériau est donc délibérément et précisément falsifié par l'ajout d'autres substances appelées dopants. Les ions bore et phosphore sont des dopants courants ajoutés aux semi-conducteurs à base de silicium qui leur permettent de conduire l'électricité.

    Mais la quantité de dopant ajoutée à un semi-conducteur est importante - trop peu de dopant et le semi-conducteur ne pourra pas conduire l'électricité. Trop de dopant et le semi-conducteur ressemble plus à un isolant non conducteur.

    "Il y a un point idéal en matière de dopage où la bonne quantité permet une conduction efficace de l'électricité, mais après un certain point, l'ajout de dopants ralentit le flux, " dit Preston Snee, professeur agrégé de chimie à l'Université de l'Illinois à Chicago et auteur correspondant de l'article.

    "Pendant longtemps, les scientifiques ont pensé que la raison pour laquelle la conduction efficace de l'électricité a chuté avec l'ajout de plus de dopants était que ces dopants faisaient dévier les électrons qui circulaient, mais nous avons découvert qu'il y a aussi une autre façon dont trop de dopants entravent le flux d'électricité."

    Snee, Asra Hassan, étudiante en chimie à l'UIC, et leurs collègues voulaient voir de plus près ce qui se passe lorsque l'électricité traverse un semi-conducteur.

    En utilisant le Laboratoire national de source avancée de photons d'Argonne, ils ont pu capturer des images aux rayons X de ce qui se passe au niveau atomique à l'intérieur d'un semi-conducteur. Ils ont utilisé de minuscules puces de sulfure de cadmium pour leur "base" de semi-conducteur et les ont dopées avec des ions de cuivre. Au lieu de câbler les minuscules puces pour l'électricité, ils ont généré un flux d'électrons à travers les semi-conducteurs en les tirant avec un puissant faisceau laser bleu. À la fois, ils ont pris des photos aux rayons X à très haute énergie des semi-conducteurs à des millionièmes de microseconde d'intervalle - qui ont montré ce qui se passait au niveau atomique en temps réel alors que les électrons traversaient les semi-conducteurs dopés.

    Ils ont découvert que lorsque les électrons traversaient, les ions cuivre formés de manière transitoire avec la base semi-conductrice de sulfate de cadmium, ce qui nuit à la conduction.

    "Cela n'a jamais été vu auparavant, " dit Hassan. " Les électrons rebondissent toujours sur les dopants, que nous connaissions déjà, mais nous connaissons maintenant cet autre processus qui contribue à entraver le flux d'électricité dans les semi-conducteurs surdopés."

    La liaison des ions dopants au matériau de base semi-conducteur " provoque le blocage du courant au niveau des dopants, dont nous ne voulons pas dans notre électronique, surtout si nous voulons qu'ils soient rapides et efficaces, " dit-elle. " Cependant, maintenant que nous savons que cela se passe à l'intérieur du matériau, nous pouvons concevoir des systèmes plus intelligents qui minimisent cet effet, que nous appelons "modulation des porteurs de charge de la liaison du dopant".


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