Introduction aux semi-conducteurs

Introduction aux semi-conducteurs

• Modèle des bandes d’énergie

  • Les électrons évoluent sur des orbites stables correspondant à des niveaux d'énergie discrets (séparés les uns des autres)
  • Lorsque deux atomes identiques sont rapprochés, les niveaux d'énergie se dédoublent en raison du principe d'exclusion de Pauli.
  • Dans un cristal, la multiplication des niveaux crée des bandes d'énergie permises (quasi-continuum), séparées par des bandes d'énergie interdites.
  • La bande de valence contient les états électroniques des couches périphériques des atomes du cristal (électrons de valence).
  • La bande de conduction est la bande permise immédiatement supérieure en énergie à la bande de valence. Les électrons y sont quasi-libres, ce qui permet la conduction du courant.

• Énergie de Band Gap (Eg)

  • L'énergie minimale nécessaire pour rompre la liaison covalente et créer une paire électron-trou correspond à l'énergie de band gap (Eg).
  • Le déplacement des électrons libres dans la bande de conduction produit un courant de charges négatives.
  • Le déplacement des trous dans la bande de valence produit un courant de charges positives.

Phénomène de Recombinaison

• Il existe deux types de porteurs de charges dans un semi-conducteur :
  • Porteurs négatifs : électrons de la bande de conduction.
  • Porteurs positifs: trous de la bande de valence.
• La création de paires électron-trou est accompagnée d'un phénomène de recombinaison, où les électrons libres sont capturés par les trous pour redevenir des électrons de valence.

Nature des semi-conducteurs

• Semi-conducteurs intrinsèques

  • Cristal pur non dopé, isolant à très basse température, mais devient conducteur à température plus élevée en raison de la rupture de la liaison covalente.
  • Exemple : silicium (Si).
  • La densité des électrons (n) est égale à celle des trous (p) à l'équilibre thermodynamique.
  • La concentration intrinsèque de porteurs (ni) dépend de la température.

• Loi d'action de masse

  • La concentration de porteurs (n et p) est liée à la concentration intrinsèque (ni) par l'équation : 𝑛 𝑝 = 𝑛𝑖2.
  • Cette équation est toujours vérifiée à l'équilibre thermique, que le cristal soit intrinsèque ou non.

• Semi-conducteurs extrinsèques

  • Obtenus par dopage, en introduisant des impuretés électriquement actives en quantité contrôlée.
  • Deux types de semi-conducteurs extrinsèques:
    • Type N : conduction par électrons.
    • Type P : conduction par trous.

• Semi-conducteurs type N

  • Dopage avec des impuretés pentavalentes (Arsenic, Phosphore, Antimoine).
  • Les 4 électrons de valence de l'impureté forment des liaisons covalentes avec le silicium, laissant un électron libre.
  • La densité des électrons est supérieure à celle du silicium intrinsèque.
  • L'atome d'impureté est alors appelé donneur.

• Semi-conducteurs type P

  • Dopage avec des impuretés trivalentes (Bore, Aluminium, Gallium).
  • Les 3 électrons de valence de l'impureté forment des liaisons covalentes avec le silicium, laissant une place vacante (trou).
  • La densité des trous est supérieure à celle du silicium intrinsèque.
  • L'atome d'impureté est alors appelé accepteur.

• Cas général

  • Les deux types de dopants peuvent coexister simultanément dans le matériau.
  • L'équation de neutralité du semiconducteur est: 𝑁𝐴 − + 𝑛 = 𝑁 𝐷 +𝑝.
  • Le semiconducteur sera de type n ou de type p en fonction de la concentration dominante en donneurs ou en accepteurs.

Ce quiz explore les concepts fondamentaux des semi-conducteurs, y compris le modèle des bandes d'énergie et l'énergie de band gap. Découvrez comment les électrons se comportent dans un cristal et la différence entre la bande de valence et la bande de conduction. Testez vos connaissances sur ces sujets cruciaux pour comprendre la physique des semi-conducteurs.