Qu'est-ce que le semi-conducteur intrinsèque et le semi-conducteur extrinsèque - Bande d'énergie et dopage ?

Le semi-conducteur, comme son nom l'indique, est une sorte de matériau dont les propriétés sont à la fois conductrices et isolantes. Un matériau semi-conducteur nécessite un certain niveau de tension ou de chaleur pour libérer ses porteurs pour la conduction. Ces semi-conducteurs sont classés comme « intrinsèques » et « extrinsèques » en fonction du nombre de porteurs. Le porteur intrinsèque est la forme la plus pure de semi-conducteur et un nombre égal d'électrons (porteurs de charge négatifs) et de trous (porteurs de charge positifs). Les matériaux semi-conducteurs les plus utilisés sont le silicium (Si), le germanium (Ge) et l'arséniure de gallium (GaAs). Étudions les caractéristiques et le comportement de ces types de semi-conducteurs. Qu'est-ce qu'un semi-conducteur intrinsèque ? Le semi-conducteur intrinsèque peut être défini comme un matériau chimiquement pur sans aucun dopage ni impureté ajouté. Les semi-conducteurs intrinsèques ou purs les plus connus disponibles sont le silicium (Si) et le germanium (Ge). Le comportement du semi-conducteur lors de l'application d'une certaine tension dépend de sa structure atomique. La couche la plus externe du silicium et du germanium a quatre électrons chacune. Pour se stabiliser, les atomes voisins forment des liaisons covalentes basées sur le partage d'électrons de valence. Cette liaison dans la structure du réseau cristallin du silicium est illustrée à la figure 1. Ici, on peut voir que les électrons de valence de deux atomes de Si s'apparient pour former une liaison covalente. Figure 1. Liaison covalente de l'atome de siliciumToutes les liaisons covalentes sont stables et aucun support n'est disponible pour la conduction. Ici, le semi-conducteur intrinsèque se comporte comme un isolant ou un non-conducteur. Maintenant, si la température ambiante se rapproche de la température ambiante, les liaisons covalentes commencent à se rompre. Ainsi, les électrons de la couche de valence sont libérés pour participer à la conduction. Au fur et à mesure que de plus en plus de porteurs sont libérés pour la conduction, le semi-conducteur commence à se comporter comme un matériau conducteur. Le diagramme de bande d'énergie donné ci-dessous explique cette transition des porteurs de la bande de valence à la bande de conduction. Le diagramme de bande d'énergie L'espace entre les deux bandes s'appelle l'espace interdit Figure 2 (a). Diagramme de bande d'énergie Figure Figure 2(b). Électrons de conduction et de bande de valence dans un semi-conducteur Lorsqu'un matériau semi-conducteur est soumis à de la chaleur ou à une tension appliquée, peu de liaisons covalentes se rompent, ce qui génère des électrons libres comme le montre la figure 2 (b). Ces électrons libres s'excitent et gagnent de l'énergie pour surmonter l'espace interdit et entrer dans la bande de conduction à partir de la bande de valence. Lorsque l'électron quitte la bande de valence, il laisse derrière lui un trou dans la bande de valence. Dans un semi-conducteur intrinsèque, un nombre égal d'électrons et de trous sera toujours créé et, par conséquent, il présente une neutralité électrique. Les électrons et les trous sont tous deux responsables de la conduction du courant dans le semi-conducteur intrinsèque. Qu'est-ce qu'un semi-conducteur extrinsèque ? Le semi-conducteur extrinsèque est défini comme le matériau avec une impureté ajoutée ou un semi-conducteur dopé. Le dopage est le processus consistant à ajouter délibérément des impuretés pour augmenter le nombre de porteurs. Les éléments d'impureté utilisés sont appelés dopants. Comme le nombre d'électrons et de trous est plus grand dans le conducteur extrinsèque, il présente une plus grande conductivité que les semi-conducteurs intrinsèques. Sur la base des dopants utilisés, les semi-conducteurs extrinsèques sont classés en tant que « semi-conducteur de type N » et « semi-conducteur de type P ». Semi-conducteurs de type N : les semi-conducteurs de type N sont dopés avec des impuretés pentavalentes. Les éléments pentavalents sont appelés ainsi car ils ont 5 électrons dans leur couche de valence. Les exemples d'impureté pentavalente sont le phosphore (P), l'arsenic (As), l'antimoine (Sb). Comme le montre la figure 3, l'atome dopant établit des liaisons covalentes en partageant quatre de ses électrons de valence avec quatre atomes de silicium voisins. Le cinquième électron reste faiblement lié au noyau de l'atome de dopant. Il faut très moins d'énergie d'ionisation pour libérer le cinquième électron afin qu'il quitte la bande de valence et entre dans la bande de conduction. L'impureté pentavalente confère un électron supplémentaire à la structure du réseau et est donc appelée impureté donneuse.Figure 3. Semi-conducteur de type N avec impureté donneuse Semi-conducteurs de type P : les semi-conducteurs de type P sont dopés avec le semi-conducteur trivalent. Les impuretés trivalentes ont 3 électrons dans leur couche de valence. Les exemples d'impuretés trivalentes comprennent le bore (B), le gallium (G), l'indium (In), l'aluminium (Al). Comme le montre la figure 4, l'atome de dopant établit des liaisons covalentes avec seulement trois atomes de silicium voisins et un trou ou une lacune est généré dans la liaison avec le quatrième atome de silicium. Le trou agit comme un porteur positif ou un espace que l'électron doit occuper. Ainsi, l'impureté trivalente a conféré une lacune ou un trou positif qui peut facilement accepter des électrons et est donc appelée impureté accepteur.  Figure 4. Semi-conducteur de type P avec l'impureté acceptriceConcentration de porteurs dans un semi-conducteur intrinsèqueLa concentration de porteurs intrinsèques est définie comme le nombre d'électrons par unité de volume dans la bande de conduction ou le nombre de trous par unité de volume dans la bande de valence. En raison de la tension appliquée, l'électron quitte la bande de valence et crée un trou positif à sa place. Cet électron pénètre ensuite dans la bande de conduction et participe à la conduction du courant. Dans un semi-conducteur intrinsèque, les électrons générés dans la bande de conduction sont égaux au nombre de trous dans la bande de valence. Par conséquent, la concentration en électrons (n) est égale à la concentration en trous (p) dans un semi-conducteur intrinsèque. La concentration en porteurs intrinsèques peut être donnée comme : n_i=n=p Où,n_i : concentration en porteurs intrinsèques n : concentration en porteurs d'électrons p : trou -concentration de porteursConductivité du semi-conducteur intrinsèqueComme le semi-conducteur intrinsèque est soumis à la chaleur ou à la tension appliquée, les électrons se déplacent de la bande de valence à la bande de conduction et laissent un trou positif ou une lacune dans la bande de valence. Encore une fois, ces trous sont remplis par d'autres électrons à mesure que davantage de liaisons covalentes sont rompues. Ainsi, les électrons et les trous se déplacent dans la direction opposée et le semi-conducteur intrinsèque commence à conduire. La conductivité augmente lorsqu'un certain nombre de liaisons covalentes sont rompues, ce qui augmente le nombre d'électrons et de trous libérés pour la conduction. La conductivité d'un semi-conducteur intrinsèque est exprimée en termes de mobilité et de concentration des porteurs de charge. L'expression de la conductivité d'un semi-conducteur intrinsèque est exprimée sous la forme : semiconducteur n_i : concentration intrinsèque des porteurs μ_e : mobilité des électrons μ_h : mobilité des trousVeuillez vous référer à ce lien pour en savoir plus sur les QCM de la théorie des semi-conducteurs

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