Électrons et « trous’’

Les semi-conducteurs purs sont des isolants relativement bons par rapport aux métaux, mais pas aussi bons qu'un véritable isolant comme le verre. Pour être utile dans les applications de semi-conducteurs, le semi-conducteur intrinsèque (semi-conducteur pur non dopé) ne doit pas avoir plus d'un atome d'impureté dans 10 milliards d'atomes de semi-conducteur. Ceci est analogue à un grain d'impureté de sel dans un wagon couvert de sucre. Les semi-conducteurs impurs ou sales sont considérablement plus conducteurs, mais pas aussi bons que les métaux. Pourquoi cela pourrait-il être? Pour répondre à cette question, nous devons examiner la structure électronique de ces matériaux dans la figure ci-dessous.

Structure électronique

La figure ci-dessous (a) montre quatre électrons dans la couche de valence d'un semi-conducteur formant des liaisons covalentes avec quatre autres atomes. Il s'agit d'une version aplatie, plus facile à dessiner, de la figure ci-dessus. Tous les électrons d'un atome sont liés par quatre liaisons covalentes, des paires d'électrons partagés. Les électrons ne sont pas libres de se déplacer dans le réseau cristallin. Ainsi, les semi-conducteurs intrinsèques purs sont de relativement bons isolants par rapport aux métaux.

(a) Un semi-conducteur intrinsèque est un isolant ayant une couche électronique complète. (b) Cependant, l'énergie thermique peut créer quelques paires électron-trou entraînant une faible conduction.

L'énergie thermique peut occasionnellement libérer un électron du réseau cristallin comme dans la figure ci-dessus (b). Cet électron est libre de conduction autour du réseau cristallin. Lorsque l'électron a été libéré, il a laissé un emplacement vide avec une charge positive dans le réseau cristallin connu sous le nom de trou . Ce trou n'est pas fixé au treillis; mais, est libre de se déplacer. L'électron libre et le trou contribuent tous deux à la conduction autour du réseau cristallin. C'est-à-dire que l'électron est libre jusqu'à ce qu'il tombe dans un trou. C'est ce qu'on appelle la recombinaison . Si un champ électrique externe est appliqué au semi-conducteur, les électrons et les trous conduiront dans des directions opposées. L'augmentation de la température augmentera le nombre d'électrons et de trous, diminuant la résistance. C'est le contraire des métaux, où la résistance augmente avec la température en augmentant les collisions d'électrons avec le réseau cristallin. Le nombre d'électrons et de trous dans un semi-conducteur intrinsèque est égal. Cependant, les deux porteurs ne se déplacent pas nécessairement avec la même vitesse avec l'application d'un champ externe. Une autre façon de dire cela est que la mobilité n'est pas la même pour les électrons et les trous.

Impuretés des semi-conducteurs

Les semi-conducteurs purs, en eux-mêmes, ne sont pas particulièrement utiles. Cependant, les semi-conducteurs doivent être raffinés à un niveau de pureté élevé comme point de départ avant l'ajout d'impuretés spécifiques.

Le matériau semi-conducteur pur à 1 partie sur 10 milliards peut avoir des impuretés spécifiques ajoutées à environ 1 partie par 10 millions pour augmenter le nombre de porteurs. L'ajout de l'impureté souhaitée à un semi-conducteur est connu sous le nom de dopage . Le dopage augmente la conductivité d'un semi-conducteur de sorte qu'il est plus comparable au métal qu'à un isolant.

Il est possible d'augmenter le nombre de porteurs de charges négatives au sein du réseau cristallin semi-conducteur en le dopant avec un donneur d'électrons comme le phosphore. Donneurs d'électrons, également connus sous le nom de type N les dopants comprennent des éléments du groupe VA du tableau périodique :azote, phosphore, arsenic et antimoine. L'azote et le phosphore sont des dopants de type N pour le diamant. Le phosphore, l'arsenic et l'antimoine sont utilisés avec le silicium.

Le réseau cristallin de la figure ci-dessous (b) contient des atomes ayant quatre électrons dans la couche externe, formant quatre liaisons covalentes avec des atomes adjacents. C'est le réseau cristallin prévu. L'ajout d'un atome de phosphore avec cinq électrons dans l'enveloppe externe introduit un électron supplémentaire dans le réseau par rapport à l'atome de silicium. L'impureté pentavalente forme quatre liaisons covalentes à quatre atomes de silicium avec quatre des cinq électrons, s'insérant dans le réseau avec un électron restant. Notez que cet électron de réserve n'est pas fortement lié au réseau comme le sont les électrons des atomes de Si normaux. Il est libre de se déplacer sur le réseau cristallin, n'étant pas lié au site du réseau de phosphore. Comme nous avons dopé en partie du phosphore dans 10 millions d'atomes de silicium, peu d'électrons libres ont été créés par rapport aux nombreux atomes de silicium. Cependant, de nombreux électrons ont été créés par rapport aux paires électron-trou moins nombreuses dans le silicium intrinsèque. L'application d'un champ électrique externe produit une forte conduction dans le semi-conducteur dopé dans la bande de conduction (au-dessus de la bande de valence). Un niveau de dopage plus élevé produit une conduction plus forte. Ainsi, un semi-conducteur intrinsèque mal conducteur a été converti en un bon conducteur électrique.

(a) La configuration électronique de la couche externe du phosphore de type N donneur, du silicium (pour référence) et du bore de type P accepteur. (b) L'impureté du donneur de type N crée un électron libre (c) L'impureté de l'accepteur de type P crée le trou, un porteur de charge positif.

Il est également possible d'introduire une impureté dépourvue d'électron par rapport au silicium, ayant trois électrons dans la couche de valence contre quatre pour le silicium. Dans la figure ci-dessus (c), cela laisse un endroit vide appelé trou , un porteur de charge positive. L'atome de bore essaie de se lier à quatre atomes de silicium, mais n'a que trois électrons dans la bande de valence. En essayant de former quatre liaisons covalentes, les trois électrons se déplacent en essayant de former quatre liaisons. Cela donne l'impression que le trou bouge. De plus, l'atome trivalent peut emprunter un électron à un atome de silicium adjacent (ou plus éloigné) pour former quatre liaisons covalentes. Cependant, cela laisse l'atome de silicium déficient d'un électron. En d'autres termes, le trou s'est déplacé vers un atome de silicium adjacent (ou plus éloigné). Les trous résident dans la bande de valence, un niveau en dessous de la bande de conduction. Dopage avec un accepteur d'électrons , un atome qui peut accepter un électron, crée un déficit d'électrons, de même qu'un excès de trous. Étant donné que les trous sont des porteurs de charge positifs, un dopant accepteur d'électrons est également connu sous le nom de type P dopant. Le dopant de type P laisse le semi-conducteur avec un excès de trous, porteurs de charge positifs. Les éléments de type P du groupe IIIA du tableau périodique comprennent le bore, l'aluminium, le gallium et l'indium. Le bore est utilisé comme dopant de type P pour les semi-conducteurs en silicium et en diamant, tandis que l'indium est utilisé avec le germanium.

L'analogie du «marbre dans un tube» avec la conduction électronique dans la figure ci-dessous relie le mouvement des trous au mouvement des électrons. La bille représente les électrons dans un conducteur, le tube. Le mouvement des électrons de gauche à droite comme dans un fil ou un semi-conducteur de type N s'explique par un électron entrant dans le tube à gauche forçant la sortie d'un électron à droite. La conduction des électrons de type N se produit dans la bande de conduction. Comparez cela avec le mouvement d'un trou dans la bande de valence.

Marbre dans une analogie avec un tube :(a) Les électrons se déplacent directement dans la bande de conduction lorsque les électrons pénètrent dans le tube. (b) Le trou se déplace vers la droite dans la bande de valence alors que les électrons se déplacent vers la gauche.

Pour qu'un trou pénètre à gauche de la figure ci-dessus (b), un électron doit être retiré. Lors du déplacement d'un trou de gauche à droite, l'électron doit être déplacé de droite à gauche. Le premier électron est éjecté de l'extrémité gauche du tube afin que le trou puisse se déplacer vers la droite dans le tube. L'électron se déplace dans la direction opposée au trou positif. Au fur et à mesure que le trou se déplace vers la droite, les électrons doivent se déplacer vers la gauche pour s'adapter au trou. Le trou en l'absence d'électron dans la bande de valence dû au dopage de type P. Il a une charge positive localisée. Pour déplacer le trou dans une direction donnée, les électrons de valence se déplacent dans la direction opposée.

Le flux d'électrons dans un semi-conducteur de type N est similaire aux électrons se déplaçant dans un fil métallique. Les atomes dopants de type N produiront des électrons disponibles pour la conduction. Ces électrons, dus au dopant, sont appelés porteurs majoritaires , car ils sont majoritaires par rapport aux très rares trous thermiques. Si un champ électrique est appliqué à travers la barre semi-conductrice de type N de la figure ci-dessous (a), les électrons pénètrent dans l'extrémité négative (gauche) de la barre, traversent le réseau cristallin et sortent à droite vers la borne (+) de la batterie.

(a) Un semi-conducteur de type n avec des électrons se déplaçant de gauche à droite à travers le réseau cristallin. (b) Un semi-conducteur de type p avec des trous se déplaçant de gauche à droite, ce qui correspond à des électrons se déplaçant dans la direction opposée.

Le flux de courant dans un semi-conducteur de type P est un peu plus difficile à expliquer. Le dopant de type P, un accepteur d'électrons, produit des régions localisées de charge positive appelées trous. Le porteur majoritaire dans un semi-conducteur de type P est le trou. Alors que des trous se forment sur les sites des atomes de dopant trivalent, ils peuvent se déplacer autour de la barre semi-conductrice. Notez que la batterie de la figure ci-dessus (b) est inversée par rapport à (a). La borne positive de la batterie est connectée à l'extrémité gauche de la barre de type P. Le flux d'électrons sort de la borne négative de la batterie, à travers la barre de type P, et revient à la borne positive de la batterie. Un électron quittant l'extrémité positive (gauche) de la barre semi-conductrice pour la borne positive de la batterie laisse un trou dans le semi-conducteur, qui peut se déplacer vers la droite. Les trous traversent le réseau cristallin de gauche à droite. A l'extrémité négative de la barre, un électron de la batterie se combine avec un trou, le neutralisant. Cela fait de la place pour qu'un autre trou se déplace à l'extrémité positive de la barre vers la droite. Gardez à l'esprit que lorsque les trous se déplacent de gauche à droite, ce sont en fait des électrons se déplaçant dans la direction opposée qui sont responsables du mouvement apparent des trous.

Éléments utilisés pour produire des semi-conducteurs

Les éléments utilisés pour produire des semi-conducteurs sont résumés dans la figure ci-dessous. Le germanium, le matériau semi-conducteur en vrac le plus ancien du groupe IVA, n'est utilisé que dans une mesure limitée aujourd'hui. Les semi-conducteurs à base de silicium représentent environ 90 % de la production commerciale de tous les semi-conducteurs. Les semi-conducteurs à base de diamant sont une activité de recherche et développement avec un potentiel considérable à l'heure actuelle. Les semi-conducteurs composés non répertoriés comprennent le silicium-germanium (couches minces sur des plaquettes de silicium), le carbure de silicium et les composés III-V tels que l'arséniure de gallium. Les semi-conducteurs composés III-VI incluent AlN, GaN, InN, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb, Al_x Ga_1-x As, et In_x Ga_1-x Comme. Les colonnes II et VI du tableau périodique, non représentées sur la figure, forment également des semi-conducteurs composés.

Dopants de type P du groupe IIIA, matériaux semi-conducteurs de base du groupe IV et dopants de type N du groupe VA.

La principale raison de l'inclusion des groupes IIIA et VA dans la figure ci-dessus est de montrer les dopants utilisés avec les semi-conducteurs du groupe IVA. Les éléments du groupe IIIA sont des accepteurs, des dopants de type P, qui acceptent les électrons en laissant un trou dans le réseau cristallin, un porteur positif. Le bore est le dopant de type P pour le diamant et le dopant le plus courant pour les semi-conducteurs au silicium. L'indium est le dopant de type P pour le germanium.

Les éléments du groupe VA sont des donneurs, des dopants de type N, donnant un électron libre. L'azote et le phosphore sont des dopants de type N appropriés pour le diamant. Le phosphore et l'arsenic sont les dopants de type N les plus couramment utilisés pour le silicium; cependant, l'antimoine peut être utilisé.

AVIS :

• Les matériaux semi-conducteurs intrinsèques, purs à 1 partie sur 10 milliards, sont de mauvais conducteurs.
• Un semi-conducteur de type N est dopé avec une impureté pentavalente pour créer des électrons libres. Un tel matériau est conducteur. L'électron est le porteur majoritaire.
• Le semi-conducteur de type P, dopé avec une impureté trivalente, a une abondance de trous libres. Ce sont des porteurs de charge positifs. Le matériau de type P est conducteur. Le trou est le porteur majoritaire.
• La plupart des semi-conducteurs sont basés sur des éléments du groupe IVA du tableau périodique, le silicium est le plus répandu. Le germanium est presque obsolète. Le carbone (diamant) est en cours de développement.
• Les semi-conducteurs composés tels que le carbure de silicium (groupe IVA) et l'arséniure de gallium (groupe III-V) sont largement utilisés.

FICHE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Fiche de travail sur la conduction électrique dans les semi-conducteurs