El transporte balístico de carga en el diodo pn

Por Francisco R. Villatoro, el 9 enero, 2015. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science

Dibujo20150109 Schematic of SUEM and imaging of the junction - science mag - F1

Un diodo p-n está formado por la unión de dos semiconductores dopados, uno tipo n (Si dopado con P) rico en electrones (e) y otro tipo p (Si dopado con B) rico en huecos (h), es decir, deficiente en electrones. El transporte de carga en la interfaz se modela mediante una ecuación de difusión. Ahmed Zewail (Premio Nobel de Química 1999) publica en Science la observación por microscopía electrónica de barrido ultrarrápido (SUEM) el proceso de transporte de electrones en un diodo. Para nuestra sorpresa, los resultados difieren de las predicciones del modelo difusivo en la escala de los picosegundos. Para copar con la diferencia hay que incorporar el transporte balístico de los portadores de carga. En la escala de los nanosegundos se recupera el modelo difusivo estándar.

El artículo técnico es Ebrahim Najafi, Timothy D. Scarborough, Jau Tang, Ahmed Zewail, «Four-dimensional imaging of carrier interface dynamics in p-n junctions,» Science 347: 164-167, 9 Jan 2015.

Dibujo20150109 Theoretical modeling of carrier separation and transport - science mag - F3

La técnica de microscopía SUEM usa pulsos infrarrojos (1030 nm) de femtosegundos (300 fs) que se dividen para generar pulsos verdes (515 nm) y pulsos ultravioletas (257 nm). Los pulsos verde inciden sobre la muestra mientras los pulsos ultravioletas se dirige hacia el fotocátodo del microscopio, que produce pulsos de electrones que se aceleran a 30,0 kV mediante lentes electrostáticas. La resolución espacial lograda es de 10 nm y la temporal es de 2 ps.

Dibujo20150109 Dynamics with and without the junction - science mag - F2

Se ha visualizado el transporte de portadores (electrones y huecos) en los materiales tipo n y tipo p por separado (figuras A y B, arriba). Luego se ha estudiado la interfaz de la unión p-n (figura C, abajo). A los 36,7 ps, el transporte de carga en la unión corresponde a un exceso de electrones en la región de tipo n y un exceso de huecos en la región de tipo p. A los 80 ps, la densidad de portadores alcanza un valor máximo, abarcando una región de unas decenas de micrómetros. Al contrario de lo que se espera en un modelo difusivo puro, se observa una fuerte asimetría entre ambos lados de la unión durante el proceso de recombinación de portadores. A los 3,32 ns se produce una relajación de la configuración de carga hacia el equilibrio de portadores predicho por el modelo difusivo.

Dibujo20150109 Comparison between experiment and theory - ballistic transport - science mag - F4

Zewail y sus colegas proponen un modelo de transporte balístico de portadores para explicar la asimetría en el transporte observada a unos 50 micrómetros a ambos lados de la interfaz p-n durante los primeros ~80 ps. En la escala de tiempo de los picosegundos los portadores de carga se mueven a alta velocidad (un millón de metros por segundo) siendo inmunes al efecto de los fonones (que se mueven a miles de metros por segundo). Por ello en esta escala de tiempo la red cristalina no influye en el transporte.

Dibujo20150109 4d electronic microscopy - pubs acs org

En resumen, la técnica de microscopía electrónica 4D del grupo de Zewail sigue dándonos sorpresas agradables que requieren revisar lo que muchos hemos estudiado en los libros de texto de física. Más información sobre la técnica en David J. Flannigan, Ahmed H. Zewail, «4D Electron Microscopy: Principles and Applications,» Accounts of Chemical Research 45: 1828-1839, 2012; y más sorpresas en Ulrich J. Lorenz, Ahmed H. Zewail, «Observing liquid flow in nanotubes by 4D electron microscopy,» Science 344: 1496-1500, 27 Jun 2014.



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