Les semi-conducteurs

22:18 in génie électrique

Les semi-conducteurs

Cette partie va présenter quelques modèles simples de semi-conducteurs, en vue d’expliquer rapidement le fonctionnement des dispositifs les utilisant, tels que diode, transistor à effet de champ, transistor bipolaire, etc.

Semi-conducteurs intrinsèques.

Réseau cristallin.

Un cristal de semi-conducteur intrinsèque est un solide dont les noyaux atomiques sont disposés aux noueux d’un réseau géométrique régulier. La cohésion de cet édifice est assurée par les liens de valence qui résultent de la mise en commun de deux électrons appartenant chacun à deux atomes voisins de la maille cristalline. Les atomes de semi-conducteur sont tétravalents et le cristal peut être représenté par le réseau de la figure suivante :

Définitions.

L’électron qui possède une énergie suffisante peut quitter la liaison de valence pour devenir un électron libre. Il laisse derrière lui un trou qui peut être assimilé à une charge libre positive ; en effet, l’électron quittant la liaison de valence à laquelle il appartenait démasque une charge positive du noyau correspondant. Le trou peut être occupé par un autre électron de valence qui laisse, à son tour, un trou derrière lui : tout se passe comme si le trou s’était déplacé, ce qui lui vaut la qualification de charge libre. La création d’une paire électron libre-trou est appelée génération alors qu’on donne le nom de recombinaison au mécanisme inverse.

La température étant une mesure de l’énergie cinétique moyenne des électrons dans le solide, la concentration en électrons libres et en trous en dépend très fortement.

Exemples.

Le silicium a un nombre volumique d’atomes de 5.10²² par cm³. A 300K (27ȓC), le nombre volumique des électrons libres et des trous est de 1,5.10¹⁰ cm^-3, soit un pair électron libre-trou pour 3,3.10¹² atomes.

Le nombre volumique des atomes dans le germanium est de 4,4.10²² par cm³. A 300K, le nombre volumique des électrons libres et des trous est 2,5.10¹³ cm^-3, soit un pair électron libre-trou pour 1,8.10⁹ atome.

Semi-conducteurs extrinsèques de type n.

Réseau cristallin.

Un semi-conducteur dans lequel on aurait substitué à quelques atomes tétravalents des atomes pentavalents est dit extrinsèque de type n :

Quatre électrons de la couche périphérique de l’atome pentavalent prennent part aux liens de valence alors que le cinquième, sans attache, est libre de se mouvoir dans le cristal. L’électron libre ainsi créé neutralise la charge positive, solidaire du réseau cristallin, qu’est l’atome pentavalent ionisé.

Définitions.

Le dopage est l’action qui consiste à rendre un semi-conducteur extrinsèque. Par extension, ce terme qualifie également l’existence d’une concentration d’atomes étrangers : on parle de dopage de type n. On donne le nom d’impuretés aux atomes étrangers introduits dans la maille cristalline. Dans le cas d’un semi-conducteur extrinsèque de type n, les impuretés sont appelées donneurs car chacune d’entre elles donne un électron libre.

Modèle.

Les dopages courants sont d’environ 10¹⁶ à 10¹⁸ atomes par cm³. On peut admettre que le nombre volumique des électrons libres est égal au nombre volumique des impuretés et que le nombre volumique des trous (charges libres positives) est négligeable. Etant données ces considérations, on établit le modèle de semi-conducteur représenté ci-dessous dans lequel n’apparaissent que les charges essentielles, à savoir les électrons libres et les donneurs ionisés.

Les charges fixes sont entourées d’un cercle.

Semi-conducteurs extrinsèques de type p.

Réseau cristallin.

Si l’on introduit des atomes trivalents dans le réseau cristallin du semi-conducteur, les trois électrons de la couche périphérique de l’impureté prennent part aux liens de valence, laissant une place libre. Ce trou peut être occupé par un électron d’un autre lien de valence qui laisse, à son tour, un trou derrière lui. L’atome trivalent est alors ionisé et sa charge négative est neutralisée par le trou (voir figure ci-dessous). Le semi-conducteur est alors dit extrinsèque de type p. Les impuretés, pouvant accepter des électrons, sont appelées accepteurs.

Définition.

Les impuretés, dans un semi-conducteur extrinsèque de type p, sont appelées accepteurs au vu de leur propriété d’accepter un électron situé dans un lien de valence.

Modèle.

On peut faire les mêmes considérations comme avant concernant le nombre volumique des trous : il est approximativement égal au nombre volumique des impuretés. Le nombre volumique des électrons libres est alors considéré comme négligeable. Il s’ensuit un modèle, représenté à la figure ci-dessous, dans lequel n’apparaissent que les charges prépondérantes : les trous et les accepteurs ionisés.

Remarque :

Il faut remarquer que le semi-conducteur extrinsèque, type p ou type n, est globalement neutre. On peut le comparer à un réseau géométrique dont certains nœuds sont chargés et dans lequel stagne un ((gaz)) de charges mobiles qui neutralise les charges fixes du réseau. On élargit, par la suite, la notion de semi-conducteur de type n à un semi-conducteur dont le nombre volumique des donneurs l’emporte sur celui des accepteurs et celle de semi-conducteur de type p à un semi-conducteur dans lequel le nombre volumique des accepteurs est prépondérant.