Os cientistas descobriram que o silício pode manter a condutividade em níveis de carga ultra baixos

Parece que se algo foi estudado mais detalhadamente em eletrônica, essas são as propriedades do silício. Descobriu-se que não é assim. Pesquisadores do Instituto Nacional Americano de Padrões e Tecnologia (NIST) criaram um novo método para medir a mobilidade de partículas carregadas em silício, que, se não de cabeça para baixo, expandiu bastante o entendimento dos processos de transferência de carga em semicondutores.

O relatório do estudo foi publicado na revista Optics Express. O método proposto pelos cientistas permitiu realizar as medições mais sensíveis da velocidade da carga elétrica no silício, e este é um indicador de sua eficácia como semicondutor. Como resultado, o novo método permitirá avaliar com mais precisão o efeito nas ligas de silício de várias ligas e criará a base para melhorar as características dos dispositivos semicondutores. Essa é uma chance de melhorar o desempenho dos chips praticamente por nada, apenas devido a uma melhor compreensão dos processos. Execute o ajuste, por assim dizer.
Tradicionalmente, a mobilidade de elétrons e buracos no silício era medida pelo método de Hall. Esse método pressupõe que os contatos na amostra de silício (semicondutor) sejam soldados para transmitir uma corrente elétrica. A desvantagem desse método é que defeitos são formados nos locais de solda ou aparecem impurezas que introduzem distorções nos resultados da medição.
Para a pureza do experimento, os cientistas do NIST usaram o método sem contato. Inicialmente, uma luz de baixa intensidade na forma de pulsos ultracurtos de luz visível foi fornecida a uma amostra de silício e, em seguida, a amostra foi irradiada com pulsos de radiação no infravermelho distante ou na faixa de microondas. A fraca luz visível produziu um efeito foto-dopante no silício: partículas carregadas na forma de elétrons e buracos apareceram na camada de silício.
Por razões óbvias, a luz visível não podia penetrar na espessura do silício. É com esse objetivo que a amostra fotodopada foi irradiada com radiação terahertz (na faixa do infravermelho distante), para a qual o silicone é transparente. E quanto mais partículas carregadas na amostra, mais luz penetra ou é absorvida pela amostra. É importante notar que, para uma medição mais precisa da mobilidade de elétrons na amostra, sua espessura deve ter sido bastante grande – até 1 mm. Isso excluiu o efeito na medição de defeitos na superfície da amostra.
Ao mesmo tempo, os pesquisadores enfrentaram um problema diferente. O número de elétrons e orifícios “introduzidos” pela luz visível na amostra deve ser o menor possível para diminuir o limiar de sensibilidade durante as medições. Normalmente, para isso, a amostra foi irradiada com um fóton, mas no caso de uma amostra espessa, um fóton eliminou partículas de silício carregadas insuficientemente. Uma solução foi encontrada irradiando a amostra com dois fótons de luz visível. Depois disso, a radiação terahertz passou livremente pela amostra com um número mínimo de partículas carregadas no volume do material. Segundo os cientistas, o limiar de sensibilidade foi reduzido em 10 vezes, de 100 trilhões de portadores de carga por cm2 para 10 trilhões.

Assim que o limiar de sensibilidade foi reduzido, ficou incrível. A mobilidade dos elétrons no silício foi capaz de crescer até um estado muito rarefeito de transportadores no material, que ninguém suspeitava anteriormente. Na verdade, a mobilidade em si era 50% maior do que se pensava anteriormente. Para testes de verificação, um experimento semelhante foi realizado com arseneto de gálio (GaAs), também um semicondutor fotossensível. Verificou-se que a mobilidade dos portadores de carga neste material continua a aumentar à medida que sua densidade diminui. O limite de densidade da portadora medido pelo novo método acabou sendo aproximadamente 100 vezes menor do que se pensava anteriormente.
O que se segue de tudo isso? Em um futuro distante ou não muito distante, os semicondutores poderão operar com níveis de carga muito baixos. Pelo menos o limite teórico é levado longe o suficiente. São painéis solares altamente sensíveis e detectores de fóton único (olá para computadores quânticos!), Eletrônicos com eficiência energética ultra e muito mais.
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