Introduction aux semi-conducteurs


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Les semi-conducteurs possèdent les caractéristiques électriques d’un isolant mais aussi celles d’un conducteur lors d’un apport énergétique suffisant :

  • collisions photoniques
  • élévation de la température
  • force exercée par un champ électrostatique

La conductivité électrique est intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants :

Conductivité électrique de différents matériaux
Conductivité électrique de différents matériaux

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Notons que l’on retrouve les semi-conducteurs dans la quatorzième colonne du tableau périodique des éléments :

Tableau périodique
Tableau périodique des éléments

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Conduction par paire électron-trou

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A température nulle, il n’y a pas d’agitation thermique, donc aucun électron du semi-conducteur ne peut se déplacer. Par ailleurs, à température ambiante, quelques électrons sont éjectés de leur place, on appelle cela un trou et le tout une paire « électron-trou ». Notons que ce sont les électrons qui conduisent le courant.

Lorsqu’il y a un trou, l’électron voisin va combler ce trou, ce qui va créer un autre trou. Par conséquent, on dit que le trou à bougé. Lorsque le trou arrive au bout du semi-conducteur, il va être comblé par un électron dans le circuit électrique.

Conduction par trous

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Plus on élève la température d’un semi-conducteur, plus il sera conducteur du fait qu’il y ait plus de paire électron-trou (voir évolution de la dérive thermique du Germanium).

Exemple de conduction par paire électron-trou

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Il existe deux grandes catégories de semi-conducteurs, les semi-conducteurs purs ou intrinsèques et dopés ou extrinsèques.

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Semi-conducteurs intrinsèques

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Un semi-conducteur intrinsèques est dit pur ou encore non dopé. Les porteurs de charges vont provenir de la rupture paire électron-trou dû à l’agitation thermique du réseau cristallin. Le comportement électrique dépend donc uniquement de sa structure et de l’excitation thermique :

  • A 0 K, le matériau est isolant
  • Plus on chauffe le matériau, plus le nombre d’électron arraché à la bande de valence augmente et plus le matériau est conducteur.

Notons qu’un semi-conducteur n’est jamais vraiment intrinsèque car il correspond à un modèle parfait sans défaut structurel ni impureté chimique et qu’il ne conduit que très peu le courant, sauf à des températures élevées. La technique du dopage permet de pallier ce problème.

Dans un semi-conducteur intrinsèque, chaque électron de la bande de conduction correspond à un trou dans la bande de valence, il vient donc la relation n_i=n=p correspondant à la densité intrinsèque homogène à des cm3 tel que n est le nombre d’électrons qui se déplacent et p le nombre de trous qui se déplacent.

Il est aussi important de retenir la loi d’action de masse :

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Semi-conducteurs extrinsèques

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Un semi-conducteur extrinsèque est un semi-conducteur intrinsèque auquel on introduit des impuretés, on dit également qu’il est dopé ce qui lui confère des propriétés électriques adaptées aux applications électroniques (diodes, transistors, etc…) et optoélectroniques (émetteurs et récepteurs de lumière, etc…). Le dopage provoque l’apparition de nouveaux niveaux accepteurs et donneurs d’électrons dans le gap (dont nous approfondirons la notion dans un article à venir), situé entre la bande de conduction et la bande de valence. Il existe deux types de dopage :

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Dopage P

Dans ce cas là, les impuretés sont de type accepteur, elles captent un électron dans la bande de conduction. On retrouve les éléments donneurs dans treizième colonne du tableau périodique des éléments :

Tableau périodique des éléments
Tableau périodique des éléments

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Exemple

Exemple de semi-conducteur dopé P
Exemple de semi-conducteur dopé P

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A température ambiante, tout les atomes accepteurs seront ionisés. Par conséquent, la densité de dopant (NA) est très supérieure à la densité de porteurs intrinsèques, soit NA >> ni. Dans le cas d’un dopage de type P, la densité de trous est donc proche de celle du dopant accepteur NA, il vient donc p=N_A >> ni et n=\frac{n_i^{2}}{N_A} << ni issue de la loi d’action de masse.

Ainsi, les électrons sont les porteurs minoritaires et les trous, les porteurs majoritaires.

Note : Les porteurs positifs sont beaucoup plus nombreux que les porteurs négatifs, d’où le nom de dopage de type « P ».

Le dopage de type P entraine l’apparition d’un pseudo niveau d’énergie situé au-dessus de la bande de valence.

Représentation des bandes d'énergie
Représentation des bandes d’énergie

L’énergie à fournir aux électrons de valence pour passer le gap est donc plus faible.

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Dopage N

Dans ce cas là, les impuretés sont de type donneur, elles donnent un électron à la bande de conduction. On retrouve les éléments donneurs dans la quinzième colonne du tableau périodique des éléments :

 

Tableau périodique des éléments
Tableau périodique des éléments

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Exemple

Exemple de semi-conducteur dopé N
Exemple de semi-conducteur dopé N

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Par analogie avec les semi-conducteurs de type P, à température ambiante, tous les atomes donneurs seront ionisés. Par conséquent, la densité de donneurs (ND) est très supérieure à la densité de porteurs intrinsèques, soit ND >> ni. Dans le cas d’un dopage de type N, la densité d’électron est donc très proche de celle du dopant donneur ND, il vient donc n=N_D >> ni et p=\frac{n_i^{2}}{N_D} << ni

Ainsi, les électrons sont les porteurs majoritaires et les trous, les porteurs minoritaires.

Note : Les porteurs négatifs sont beaucoup plus nombreux que les porteurs positifs, le semi-conducteur est de type « N ».

Le dopage de type N entraine l’apparition d’un pseudo niveau d’énergie situé en-dessous de la bande de conduction.

Représentation des bandes d'énergie
Représentation des bandes d’énergie

Par analogie au dopage P, le gap est diminué et donc l’énergie à fournir est plus faible.

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Jonction PN

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La jonction PN est l’assemblage de deux morceau de semi-conducteurs dopés P et N, cette technique permet de réaliser des diodes notamment.

Diffusion des porteurs de charges sur la jonction PN
Diffusion des porteurs de charges sur la jonction PN

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Sur l’illustration ci-dessus, du côté gauche les trous sont les porteurs majoritaires (dopé de type P) et du côté droit, ce sont les électrons qui sont les porteurs majoritaires (dopé de type N).

Au niveau de la jonction, les électrons et les trous diffusent spontanément de part et d’autre de la jonction, créant ainsi une zone de déplétion. Il est possible de « contrôler » la largeur de celle-ci en faisant varier la tension appliquée de part et d’autre de la jonction, ce qui créé une augmentation ou une diminution de la concentration des électrons et des trous. Ainsi plus cette zone est courte, plus il est facile de franchir le gap.

Une bonne transition est de dire que la largeur de la zone de déplétion dépend également de la polarisation de la jonction.

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Polarisation de la Jonction

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La polarisation d’une jonction est le fait de relier les deux pôles d’un générateur de tension (positifs et négatifs) de part et d’autre de la jonction. Il en existe deux sortes :

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Polarisation directe

Dans ce cas là, le pôle positif du générateur est relié à la zone P de la jonction et donc le pôle négatif est relié à la zone N.

Polarisation directe d'une jonction PN
Polarisation directe d’une jonction PN

Pour faire simple, si le générateur délivre une tension supérieure au potentiel de la jonction, la jonction permet le passage du courant.

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Polarisation inverse

Par analogie au cas précédent, le pôle positif du générateur est relié à la zone N de la jonction et donc le pôle négatif est relié à la zone P.

Polarisation inverse d'une jonction PN
Polarisation inverse d’une jonction PN

Sans aller non-plus dans le détail, la jonction délivre un courant tellement faible (nano-ampère ou milliardième d’ampère) qu’il est négligé dans quasiment tous les cas.

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10 réactions au sujet de « Introduction aux semi-conducteurs »

  1. Ka sss

    Très intéressant article, Merci. Je vais le relire une seconde fois plus tard je pense.

  2. Rémi Fonvieille Auteur Article

    Merci beaucoup du commentaire, j’essaye de faire de mon mieux 🙂

  3. ismaëlo

    Super cool l article (exceptionnellement le déplacement animé des electrons ).

    Moi j en redemande

  4. Rémi Fonvieille Auteur Article

    Merci beaucoup Ismaëlo, les gif sont une bonne idée je trouve aussi pour illustrer 🙂
    Le prochain article sera sur la jonction PN 😉

  5. le hollandais volant

    Article sympa pour compléter les cours !

    Attention à bien choisir le bon niveau de vulgarisation selon le public visé. Ici ça me semble parfait pour les étudiants, mais un peu trop haut pour les débutants ou le grand public.

    Vivement les autres billets !

  6. Rémi Fonvieille Auteur Article

    Merci le hollandais volant ! Oui tu as raison mais je vise principalement les étudiants en licence EEA. Puis si quelqu’un ne comprend pas quelque chose il est libre de me le dire pour que j’améliore mon contenue 🙂

  7. Marine

    Très bonne idée les gifs et photos pour une meilleure compréhension ! Cet article est agréable à lire, si tous les cours étaient comme ça, cela serait plus compréhensible.. 🙂 🙂

  8. Rémi Fonvieille Auteur Article

    Merci Marine, le prochain article sera sur les diodes 🙂

  9. Clément

    Article top, les gifs sont super, bravo c’est vraiment du beau travail merci de nous le partager

  10. Rémi Fonvieille Auteur Article

    C’est avec plaisir que je fais ces articles, j’essaye également de faire des schémas très précis et faciles à comprendre.

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