Кремний сохраняет проводимость при сверхнизких уровнях заряда

01.03.2020

Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий (NIST) придумали новый метод измерения мобильности заряженных частиц в кремнии, который если не перевернул, то значительно расширил представление о процессах переноса заряда в полупроводниках.

Предложенный учеными метод позволил провести наиболее чувствительные измерения скорости движения электрического заряда в кремнии, а это показатель его эффективности в качестве полупроводника. Как следствие, новый метод позволит точнее оценить влияние на проводимость кремния тех или иных легирующих добавок и создаст основу для улучшения характеристик полупроводниковых приборов. Это шанс улучшить работу чипов практически даром только за счет лучшего понимания процессов. Провести тюнинг, если так можно выразиться.

Традиционно подвижность электронов и дырок в кремнии измеряли методом Холла. Этот метод предполагает, что на образце кремния (полупроводника) распаиваются контакты для пропускания электрического тока. Недостатком этого способа является то, что в местах пайки образуются дефекты или появляются примеси, которые вносят искажения в результаты измерения.

Для чистоты эксперимента ученые из NIST воспользовались бесконтактным методом. На образец кремния сначала подавался свет слабой интенсивности в виде сверхкоротких импульсов видимого света, а затем образец облучался импульсами излучения в дальнем инфракрасном или микроволновом диапазоне. Слабый видимый свет производил на кремний эффект фотолегирования: в слое кремния возникали заряженные частицы в виде электронов и дырок.

Видимый свет, по понятным причинам, в толщу кремния проникнуть не мог. Именно для этого фотолегированный образец облучался терагерцевым излучением (в дальнем инфракрасном диапазоне), для которого кремний прозрачен. И чем больше в образце заряженных частиц, тем больше света проникает или поглощается образцом. При этом важно отметить, что для более точного измерения подвижности электронов в образце его толщина должна была быть довольно большой - до 1 мм. Это исключало влияние на измерения дефектов на поверхности образца.

Однако, количество "внесенных" видимым светом электронов и дырок в образце должно было быть как можно меньше, чтобы понизить порог чувствительности при измерениях. Обычно для этого образец облучался одним фотоном, но в случае толстого образца один фотон выбивал в кремнии недостаточно заряженных частиц. Выход был найден в облучении образца двумя фотонами видимого света. После этого терагерцевое излучение свободно проходило через образец при минимальном числе заряженных частиц в объеме материала. По утверждению ученых, порог чувствительности удалось понизить в 10 раз со 100 трлн носителей заряда на см2 до 10 трлн.

Как только порог чувствительности был понижен, выяснилось удивительное. Подвижность электронов в кремнии оказалась способна расти даже до весьма разреженного состояния носителей в материале, о чем раньше никто не подозревал. Собственно, сама подвижность оказалась на 50 % выше, чем считалось ранее. Для контрольной проверки подобный эксперимент был проведен с арсенидом галлия (GaAs), тоже светочувствительным полупроводником. Обнаружилось, что подвижность носителей заряда в этом материале продолжает расти по мере снижения их плотности. Измеренный новым методом предел плотности носителей оказался примерно в 100 раз ниже, чем до этого считалось.

В далеком или не очень далеком будущем полупроводники смогут работать при очень низких уровнях заряда. По крайней мере, теоретический предел отодвинут достаточно далеко. Это и высокочувствительные солнечны панели, и однофотонные детекторы (привет квантовым компьютерам!), сверх энергоэффективная электроника и многое другое.

<< Назад: Революционная технология ядерного синтеза 02.03.2020

>> Вперед: Топологический лазер 01.03.2020

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Впервые преоодолена передача ВИЧ от матери к ребенку 02.01.2026

Проблема вертикальной передачи ВИЧ - от матери к ребенку - остается одной из ключевых задач глобальной медицины. Недавний отчет Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) демонстрирует историческое достижение: Бразилия впервые в своей истории полностью преодолела этот путь передачи вируса. Страна стала 19-й в мире и первой с населением более 100 миллионов человек, которая достигла такого результата. Достижения Бразилии основаны на комплексных медицинских программах, обеспечивающих своевременный доступ к диагностике и терапии для всех слоев населения. ВОЗ официально подтвердило, что уровень передачи ВИЧ от матери к ребенку снизился до менее двух процентов. Более 95% беременных женщин в стране получают регулярный скрининг на ВИЧ и необходимое лечение в рамках стандартного ведения беременности. Изначально программа тестировалась в крупных муниципалитетах и штатах с населением более 100 тысяч человек, а затем была масштабирована на всю страну. Такой подход позволил унифицировать ста ...>>

Нанослой германия увеличивает эффективность солнечных батарей на треть 02.01.2026

Разработка высокоэффективных солнечных батарей остается одной из ключевых задач современной энергетики. Недавнее исследование южнокорейских ученых позволило повысить производительность тонкопленочных солнечных элементов почти на 30%, что открывает новые перспективы для возобновляемых источников энергии, гибкой электроники и сенсорных устройств. Команда исследователей сосредоточилась на элементах на основе моносульфида олова (SnS) - нетоксичного и доступного материала, который идеально подходит для гибких солнечных панелей. До настоящего времени эффективность SnS-устройств оставалась низкой из-за проблем на границе контакта с металлическим электродом. В этой области возникали структурные дефекты, диффузия элементов и электрические потери, что существенно ограничивало возможности таких батарей. "Этот интерфейс был главным барьером для достижения высокой производительности", - отмечает профессор Джейонг Хо из Национального университета Чоннам. Для решения этих проблем ученые предлож ...>>

Электростатическое решение для борьбы с льдом и инеем 01.01.2026

Борьба с льдом и инеем на транспортных средствах и критически важных поверхностях зимой остается сложной и затратной задачей. Ученые из Virginia Tech разработали инновационную технологию, способную разрушать лед и иней без использования тепла или химических реагентов, что открывает новые возможности для безопасной и экологичной зимней эксплуатации транспорта. Исследователи обнаружили, что лед и иней образуют кристаллическую решетку с так называемыми ионными дефектами - заряженными участками, способными перемещаться под воздействием электрического поля. Эти дефекты являются ключом к управлению прочностью льда и его удалением с поверхностей. Когда на замерзшую поверхность подается положительный электрический заряд, отрицательные ионные дефекты притягиваются к источнику поля. Это вызывает разрушение кристаллической решетки льда, в результате чего часть льда буквально "отскакивает" от поверхности. Такой эффект позволяет удалять лед без применения внешнего тепла или химических средств ...>>

Древний лед Антарктики 01.01.2026

Изучение древних ледниковых слоев - один из самых надежных способов понять, как формировался климат Земли и как он может изменяться в будущем. Недавнее открытие международной группы исследователей в Антарктике дает уникальную возможность заглянуть на миллионы лет назад и получить ценную информацию о атмосфере нашей планеты. В районе Аллан-Хиллс ученые пробурили керны древнего льда и обнаружили слои, возраст которых оценивается примерно в 6 миллионов лет. Это старейший лед, когда-либо найденный на Земле и датированный напрямую, что делает находку беспрецедентной в истории климатологии. Особое значение имеют крошечные пузырьки воздуха, запечатленные в ледяных кристаллах. Они служат настоящими "капсулами времени", сохраняя состав атмосферы прошлого. Анализ этих пузырьков позволяет восстановить климатические условия древней Земли, когда средние температуры были выше современных, а уровень океанов значительно выше нынешнего. Древние ледяные керны можно рассматривать как подробные х ...>>

Нано-уровень управления светом 31.12.2025

Современная нанофотоника стремится превратить свет в инструмент точного управления на микроскопическом уровне. Недавние исследования международной команды ученых открывают новые возможности в этой области, позволяя манипулировать светоматериальными волнами на наноуровне с беспрецедентной точностью. Такие достижения могут стать ключом к созданию сверхбыстрых коммуникационных систем и высокочувствительных сенсоров. В центре внимания исследователей оказались гиперболические фонон-поляритоны - особый тип волн, возникающих при взаимодействии света с колебаниями вещества. Эти волны способны концентрировать свет в пространственных масштабах, значительно меньших длины его волны, что позволяет создавать устройства с высокой плотностью интеграции и повышенной функциональностью. Работа велась совместно учеными из Шанхайского транспортного университета, Национального центра нанонауки и технологий Китая, а также коллегами из Испании. Они предложили двухэтапную схему возбуждения волн: сначала ...>>

Случайная новость из Архива Бетон из моркови 05.07.2018 Делать бетон из моркови, превращать древесину в пластик или даже сжимать ее настолько, чтобы она превратилась в "супердревесину", которая будет в разы легче и крепче титана - все это звучит как что-то в духе экспериментов Франкенштейна. Однако, все перечисленные трансформации - это последний пример использования растительных тканей для создания экологически чистых искусственных материалов или примесей. Ученые выяснили, что растительные ткани могут повысить срок эксплуатации и прочность субстанций, которые уже используются в строительстве и производстве различных товаров: от игрушек до мебели, автомобилей и самолетов. Большое преимущество еще и в том, что растения связывают в своей структуре углерод, а следовательно использование их тканей означает сокращение выбросов CO2. Только на производство цемента приходится 5% углеродных выбросов по вине человечества. А процесс изготовления килограмма пластмассы из нефтепродуктов сопровождается выбросом шести килограммов парниковых газов. Специалисты нашли необычное применение моркови. В частности, ее изучением занимался Мохамед Саафи из Университета Ланкастера. Доктора Саафи и его коллег заинтересовала не вся морковка, а нечто, что они назвали "нанотромбоцитами", которые добывали из растений, не пригодных для продажи или морковных отходов на перерабатывающих заводах. Кожура сахарной свеклы тоже хороший источник нанотромбоцитов. Исследователи сотрудничают с компанией CelluComp, которая нашла промышленное применение для этих растительных тканей. В частности, компания производит добавки, которые укрепляют краску после высыхания. Каждый нанотромбоцит имеет площадь в одну миллионную метра. Он состоит из пласта жестких целлюлозных тканей. Несмотря на малый размер, такие елементы очень прочны. Если их совместить с другими материалами, можно получить чрезвычайно твердое вещество. Доктор Саафи смешивает нанотромбоциты с цементом, который изготавливают путем сжигания глины и известняка при высоких температурах. Обычно цемент смешивают со щебнем, песком и водой, чтобы получить жидковатый бетон, который с высыханием затвердевает. Но если добавить к смеси растительные нанотромбоциты, получается что-то покрепче. Биологический материал сам по себе укрепляет бетон, поэтому для его изготовления можно использовать меньше цемента. А это позволяет сократить выбросы CO2 в атмосферу в ходе его производства. Для получения кубического метра бетона достаточно добавить 500 грамм нанотромбоцитов, чтобы сократить при этом использование цемента на 40 килограмм. Доктор Саафи в течение следующих двух лет собирается определить, какая пропорция обнаруженных им природных частиц в строительных материалах будет наиболее оптимальной для строителей.

Смотрите полный Архив новостей науки и техники, новинок электроники

www.diagram.com.ua
2000-2025