Semi-conducteurs Externes – Semi-conducteurs Dopés
Les semi-conducteurs, matières inorganiques ou organiques, jouent un rôle crucial dans le contrôle de leur conduction. Cette dernière dépend de la structure chimique, de la température, de l’éclairement et de la présence de dopants. Le terme de « semi-conducteur » émane du fait que ces matériaux possèdent une conductivité électrique intermédiaire entre celle d’un métal et d’un isolant, avec un écart énergétique inférieur à 4eV (environ 1eV).
Dans la physique de l’état solide, cet écart d’énergie, ou bande interdite, correspond à une plage d’énergie où les états électroniques sont interdits. À l’opposé des conducteurs, les électrons dans les semi-conducteurs doivent acquérir de l’énergie (par exemple, via un rayonnement ionisant) pour franchir la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les propriétés des semi-conducteurs sont ainsi déterminées par l’écart énergétique entre les bandes de valence et de conduction.
Types de Semi-conducteurs
Les semi-conducteurs se classifient en deux types principaux en fonction de leurs propriétés électroniques :
- Semi-conducteurs Intrinsèques : Ce sont des semi-conducteurs purs, composés d’un seul élément (comme le Silicium, le Germanium) sans dopage intentionnel. Ils conduisent l’électricité lorsqu’ils sont chauffés, permettant à certains électrons de s’échapper de leurs liaisons et devenir libres dans la bande de conduction.
- Semi-conducteurs Extrinsèques : Ces semi-conducteurs impurs sont intentionnellement dopés pour changer leurs propriétés électroniques. On les divise en deux sous-types :
- p-type : Ici, des atomes impurs comme le bore sont introduits. Ces impuretés ayant moins d’électrons de valence créent des « trous » dans la bande de valence, conduisant le courant comme des porteurs de charge positifs.
- n-type : Avec des impuretés telles que le phosphore, on crée un excès d’électrons dans la bande de conduction, agissant comme des porteurs de charge négatifs.
Tableau des Semi-conducteurs
Voici un tableau présentant 3 semi-conducteurs intrinsèques et 2 de chaque type extrinsèque, avec 4 propriétés clés :
| Semi-conducteur | Type | Écart d’énergie (eV) | Mobilité des électrons (cm²/Vs) | Mobilité des trous (cm²/Vs) | Conductivité thermique (W/mK) |
|---|---|---|---|---|---|
| Silicium (Si) | Intrinsèque | 1.12 | 1500 | 450 | 150 |
| Germanium (Ge) | Intrinsèque | 0.67 | 3900 | 1900 | 60 |
| Arséniure de Gallium (GaAs) | Intrinsèque | 1.43 | 8500 | 400 | 46 |
| Silicium dopé au Bore (p-Si) | p-type | 1.12 | 1500 | 1800 | 150 |
| Silicium dopé au Phosphore (n-Si) | n-type | 1.12 | 1500 | 4500 | 150 |
| Arséniure de Gallium dopé à l’Aluminium (p-GaAs) | p-type | 1.43 | 8500 | 200 | 46 |
| Arséniure de Gallium dopé au Silicium (n-GaAs) | n-type | 1.43 | 8500 | 800 | 46 |
Semi-conducteurs Extrinsèques – Semi-conducteurs Dopés
Un semi-conducteur extrinsèque, ou dopé, est un semi-conducteur intentionnellement dopé pour moduler ses propriétés électriques, optiques et structurelles. Dans les détecteurs de rayonnements ionisants, le dopage consiste à introduire des impuretés dans un semi-conducteur intrinsèque pour changer ses propriétés électriques.
Les semi-conducteurs intrinsèques, également appelés semi-conducteurs purs ou de type i, deviennent extrinsèques par l’ajout d’une petite quantité d’atomes étrangers dans la structure cristalline du silicium ou du germanium, modifiant ainsi de manière significative leurs propriétés électriques. Ces atomes étrangers dans la structure cristalline du semi-conducteur fournissent des porteurs de charge libres (électrons ou trous d’électrons).
Les semi-conducteurs extrinsèques sont utilisés dans de nombreux dispositifs électriques et détecteurs de rayonnements ionisants. Par exemple, une diode semi-conductrice, permettant le passage du courant dans un seul sens, est généralement composée de semi-conducteurs de type p et n en jonction.
Semi-conducteurs de type n
Un semi-conducteur extrinsèque dopé avec des atomes donneurs d’électrons est appelé semi-conducteur de type n, car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des électrons négatifs. L’ajout d’impuretés pentavalentes comme l’arsenic, l’antimoine ou le phosphore augmente grandement la conductivité du semi-conducteur intrinsèque.
Dans un semi-conducteur de type n, le nombre total d’électrons de conduction est approximativement égal au nombre de sites donneurs, n≈ND, permettant de maintenir la neutralité de charge du matériau. Les électrons sont les porteurs majoritaires, tandis que les trous sont les porteurs minoritaires.
Semi-conducteurs de type p
Un semi-conducteur extrinsèque dopé avec des atomes accepteurs d’électrons est appelé semi-conducteur de type p, car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des trous d’électrons (porteurs de charge positifs). L’ajout d’impuretés trivalentes comme le bore, l’aluminium ou le gallium crée ces trous d’électrons positifs dans la structure.
Dans un semi-conducteur de type p, le nombre total de trous est approximativement égal au nombre de sites accepteurs, p ≈ NA. Les trous sont les porteurs majoritaires, tandis que les électrons sont les porteurs minoritaires.
