Semi-conducteurs de type p
Les semi-conducteurs, qu’ils soient inorganiques ou organiques, jouent un rôle crucial dans la régulation de la conduction électrique. Cette capacité est influencée par leur structure chimique, la température, l’illumination et la présence de dopants. Le terme « semi-conducteur » provient de leur conductivité électrique, située entre celle d’un métal, comme le cuivre ou l’or, et celle d’un isolant, tel que le verre. Ces matériaux possèdent un gap énergétique inférieur à 4eV (environ 1eV).
Dans la physique de l’état solide, ce gap énergétique ou bande interdite représente une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits. À la différence des conducteurs, les électrons des semi-conducteurs doivent acquérir de l’énergie (par exemple, via le rayonnement ionisant) pour franchir ce gap et atteindre la bande de conduction. Les propriétés des semi-conducteurs sont définies par le gap énergétique entre les bandes de valence et de conduction.
Les semi-conducteurs de type p
Un semi-conducteur extrinsèque dopé avec des atomes accepteurs d’électrons est désigné comme semi-conducteur de type p, car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des trous d’électrons (porteurs de charge positive). Le silicium pur est un élément tétravalent et sa structure cristalline normale contient 4 liaisons covalentes issues de quatre électrons de valence.
Dans le silicium, les dopants les plus communs appartiennent aux groupes III et V. Les éléments du groupe III (trivalents) contiennent tous trois électrons de valence, les rendant ainsi fonctionnels comme accepteurs lorsqu’ils sont utilisés pour doper le silicium. Lorsqu’un atome accepteur remplace un atome de silicium tétravalent dans le cristal, un état vacant (un trou d’électron) est créé.
Un trou d’électron, souvent simplement appelé un trou, correspond à l’absence d’un électron à un endroit où il pourrait exister dans un atome ou un réseau atomique. Il représente l’un des deux porteurs de charge responsables de la création d’un courant électrique dans les matériaux semi-conducteurs. Ces trous chargés positivement peuvent se déplacer d’atome en atome dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leurs positions. L’ajout d’impuretés trivalentes telles que le bore, l’aluminium ou le gallium à un semi-conducteur intrinsèque crée ces trous d’électrons positifs dans la structure.
Par exemple, un cristal de silicium dopé au bore (groupe III) crée un semi-conducteur de type p, tandis qu’un cristal dopé au phosphore (groupe V) résulte en un semi-conducteur de type n. Le nombre de sites accepteurs domine totalement le nombre de trous d’électrons. Ainsi, le nombre total de trous est approximativement égal au nombre de sites donneurs, p ≈ NA. La neutralité de charge de ce matériau semi-conducteur est également maintenue.
Le résultat net est que le nombre de trous d’électrons augmente tandis que le nombre d’électrons de conduction diminue. Le déséquilibre de la concentration des porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les trous d’électrons sont les porteurs majoritaires, tandis que les électrons sont les porteurs minoritaires dans le matériau de type p.
Tableau de semi-conducteurs
Voici un tableau présentant 3 semi-conducteurs intrinsèques et 2 semi-conducteurs de type p et n, avec 4 propriétés clés :
- Silicium (Si) – Intrinsic : Gap énergétique 1.12eV, Mobilité électronique 1500 cm²/Vs, Mobilité des trous 450 cm²/Vs, Conductivité thermique 150 W/mK
- Germanium (Ge) – Intrinsic : Gap énergétique 0.67eV, Mobilité électronique 3900 cm²/Vs, Mobilité des trous 1900 cm²/Vs, Conductivité thermique 60 W/mK
- Gallium Arsenide (GaAs) – Intrinsic : Gap énergétique 1.43eV, Mobilité électronique 8500 cm²/Vs, Mobilité des trous 400 cm²/Vs, Conductivité thermique 46 W/mK
- Bore-dopé Silicium (p-Si) : Gap énergétique 1.12eV, Mobilité électronique 1500 cm²/Vs, Mobilité des trous 1800 cm²/Vs, Conductivité thermique 150 W/mK
- Phosphore-dopé Silicium (n-Si) : Gap énergétique 1.12eV, Mobilité électronique 1500 cm²/Vs, Mobilité des trous 4500 cm²/Vs, Conductivité thermique 150 W/mK
- Aluminium-dopé Gallium Arsenide (p-GaAs) : Gap énergétique 1.43eV, Mobilité électronique 8500 cm²/Vs, Mobilité des trous 200 cm²/Vs, Conductivité thermique 46 W/mK
- Silicium-dopé Gallium Arsenide (n-GaAs) : Gap énergétique 1.43eV, Mobilité électronique 8500 cm²/Vs, Mobilité des trous 800 cm²/Vs, Conductivité thermique 46 W/mK
