Comprendre les électrons, les trous et le dopage dans les semi-conducteurs

Les semi-conducteurs purs présentent une résistivité bien plus élevée que les métaux, pourtant ils sont beaucoup moins isolants que des matériaux comme le verre. Pour qu'un semi-conducteur intrinsèque (non dopé) fonctionne efficacement, sa pureté doit atteindre au moins un défaut pour 10 milliards d'atomes — l'équivalent d'un grain de sel dans un wagon de sucre. L'introduction intentionnelle d'impuretés — le dopage — augmente considérablement la conductivité, bien qu'elle reste inférieure aux niveaux métalliques. Comprendre pourquoi nécessite d'examiner la structure électronique du matériau (voir figure).

Structure électronique

La figure (a) montre quatre électrons de valence dans un atome de semi-conducteur formant des liaisons covalentes avec quatre atomes voisins. Tous les électrons sont piégés dans ces liaisons, ne laissant aucun porteur de charge libre ; par conséquent, un semi-conducteur intrinsèque se comporte comme un isolant relativement bon comparé aux métaux.

L'énergie thermique libère occasionnellement un électron du réseau cristallin, comme illustré en figure (b). L'électron libéré peut se déplacer librement dans le réseau, tandis que la lacune qu'il laisse derrière lui porte une charge positive — un trou. Les électrons et les trous contribuent tous deux au flux de courant ; l'électron se recombine finalement avec un trou lorsqu'il retombe dans le réseau. Lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, les électrons et les trous dérivent dans des directions opposées. L'augmentation de la température crée plus de porteurs, réduisant ainsi la résistance — un comportement opposé à celui des métaux, où la résistance augmente avec la température en raison de la diffusion accrue. Dans un semi-conducteur intrinsèque, les nombres d'électrons et de trous sont égaux, mais leurs mobilités diffèrent.

Impuretés dans les semi-conducteurs

Les semi-conducteurs purs sont rarement utiles tels quels ; ils doivent d'abord être raffinés à un degré de pureté très élevé. Un matériau pur à 1 partie sur 10 milliards peut ensuite être dopé avec des impuretés à environ 1 partie sur 10 millions pour augmenter la densité de porteurs. Cette addition intentionnelle d'atomes étrangers — appelée dopage — transforme le cristal en un conducteur qui rivalise avec les métaux.

L'ajout d'un donneur d'électrons (dopant de type N) comme le phosphore augmente le nombre de porteurs de charge négatifs. Les donneurs appartiennent au groupe VA (azote, phosphore, arsenic, antimoine). Le phosphore, par exemple, a cinq électrons de valence ; il se lie avec quatre atomes de silicium et conserve un électron faiblement lié qui devient libre de se déplacer. Avec une concentration de dopage de 1 ppm (1 partie sur 10 millions), la densité d'électrons résultante dépasse largement celle du silicium intrinsèque, permettant une forte conduction dans la bande de conduction.

Inversement, l'introduction d'un accepteur d'électrons (dopant de type P) avec seulement trois électrons de valence — comme le bore — crée une lacune, ou trou, dans le réseau. Le bore tente de former quatre liaisons covalentes mais ne peut fournir que trois électrons, laissant un site vide qui agit comme un porteur positif mobile dans la bande de valence. Les éléments de type P proviennent du groupe IIIA (bore, aluminium, gallium, indium) ; le bore est le dopant standard pour le silicium et le diamant, tandis que l'indium est utilisé pour le germanium.

L'analogie de la « bille dans un tube » illustre comment les trous se déplacent : un électron se déplaçant de gauche à droite libère un emplacement qui semble se déplacer vers la droite. Les électrons dans un matériau de type N dérivent vers la droite sous un champ électrique, tandis que les trous dans un matériau de type P dérivent vers la droite, ce qui correspond à des électrons se déplaçant vers la gauche.

Dans un semi-conducteur de type N, les porteurs majoritaires sont les électrons libres. Lorsqu'une tension est appliquée, les électrons entrent du côté négatif, traversent le réseau et sortent du côté positif, formant un courant analogue à un fil métallique.

Dans une barre de type P, les trous sont les porteurs majoritaires. Une polarité de batterie inversée fait que les électrons quittent l'extrémité gauche pour le terminal positif, créant un trou qui se déplace vers la droite. À l'extrémité négative, un électron de la batterie se recombine avec un trou, permettant à un autre trou d'entrer par la gauche. Le mouvement apparent des trous est ainsi piloté par des électrons se déplaçant dans le sens opposé au champ appliqué.

Éléments utilisés pour produire des semi-conducteurs

La figure ci-dessous résume les principaux matériaux semi-conducteurs et leurs dopants courants :

Le silicium reste le cheval de bataille de l'industrie, représentant environ 90 % de la production commerciale. Le germanium est largement obsolète, tandis que le diamant est une plateforme de recherche émergente. Les semi-conducteurs composés comme le carbure de silicium (groupe IVA) et l'arséniure de gallium (groupe III-V) sont largement utilisés dans l'électronique de puissance et l'optoélectronique. Le tableau liste aussi les composés III-VI (AlN, GaN, InN, etc.) et d'autres matériaux II-VI.

• Pureté semi-conducteur intrinsèque : 1 partie sur 10 milliards → mauvais conducteur.
• Dopage type N : impureté pentavalente → électrons libres dominent → haute conductivité.
• Dopage type P : impureté trivalente → excès de trous dominent → haute conductivité.
• Le silicium est l'élément prédominant ; le germanium est quasi obsolète ; le carbone (diamant) est émergent.
• Les semi-conducteurs composés (SiC, GaAs) sont largement employés.

FEUILLE DE TRAVAIL ASSOCIÉE :

• Feuille de travail : Conduction électrique dans les semi-conducteurs