Le principe physique de fonctionnement des semi-conducteurs
Si on classe les matériaux selon leurs résistivités, on distingue 3 groupes différents : les conducteurs, les isolants et les semi-conducteurs.
On appelle conducteur électrique, tout matériau capable de conduire le courant électrique. Donc il doit
contenir des porteurs de charge électrique mobiles.
Un isolant est tout matériau qui ne peut en aucun cas conduire le courant électrique.
Les semi-conducteurs sont des corps cristallins dont les propriétés de conductivités sont intermédiaires entre
celles des métaux et celles des isolants. Un semi-conducteur est un isolant parfait au zéro absolue
(zéro absolue= zéro Calvin= -273,15 degrés Celsius). Mais en augmentant la température, il peut y avoir une
libération des électrons, par conséquent le semi-conducteur (germanium ou silicium) deviendrait à ce moment là un
conducteur électrique.
Les matériaux quadrivalents (germanium, silicium) sont largement utilisés pour la réalisation des composants électronique tels que les diodes, les transistors, les thyristors, les circuits intégrés...
Un corps quadrivalent a 4 électrons de valence dans sa couche périphérique : ce sont ces électrons qui interviennent dans les propriétés électriques des éléments.
Dans ce chapitre nous allons voir :
- la structure cristalline
- Electron libre et trou
- La conductivité intrinsèque
- La conductivité extrinsèque a)Semi-conducteur de type N
b)Semi-conducteur de type P
c)Note bien
1) La structure cristalline
Lorsque des atomes d’un même élément sont proches, ils ont tendance à s’arranger en formant une structure appelé
structure cristalline.
La structure cristalline de silicium et de germanium est à la forme d’un cube. Chaque atome s’arrange de manière à
ce qu’il soit équidistant aux autres atomes en partageant ses quatre électrons de valence. De cette manière, les
électrons créent un pseudo couche périphérique de 8 électrons. Les forces des liaisons portées par les électrons
de valences sont électrostatiques. On les appelle liaisons covalentes.
Voici un exemple d’une structure cristalline :
2) Electron libre et trou
Au zéro absolue, un cristal de germanium ou de silicium pur reste un isolant parfait. Tous les électrons sont
coincés dans leurs liaisons covalentes. Si on augmente la température, les électrons se libéreront de leurs
liaisons covalentes, ils se déplaceront en laissant derrière eux des espaces vacants appelés trous. Un trou se
comporte comme une charge positive. Il attire et capture un électron voisin qui va à son tour laisser un trou
derrière lui.
Le trou, tout comme l’électron, est mobile. Le courant électrique à l’intérieur du cristal est dû au déplacement
des électrons et des trous.
Un flux d’électrons libres du pole négatif au pole positif et un flux des trous du pole positif au pole négatif
assurent la conductivité intrinsèque.
3) La conductivité intrinsèque
A chaque température, il existe un équilibre dynamique entre le nombre des paires électron-trou générées et recombinées. Dès lors la concentration des électrons libres n égale à celle des trous p à une température donnée.Cette concentration s'appelle concentration intrinsèque et se note ni : ni = n = p
Exemple: Pour le silicium à la température T = 300 k ni =1.45 x 1010/cm3.
Les électrons et les trous sont mobiles. Cependant la mobilité µn des électrons est supérieur
à celle des trous µp qui se déplacent par un glissement successifs d’électrons.
Exemple: Pour le silicium à la température T = 300 k, µn = 1500 cm2/ V.s et
µp = 475 cm2/V.s .
La conductivité d'un semi-conducteur est donnée par l'expression générale :
s =q (n µn + pµp) avec q=1.6*10-12C.
4) La conductivité extrinsèque
La notion de la conductivité extrinsèque est fortement liée à la notion du dopage. Pour mieux aborder cette
partie, nous allons voir deux sortes de dopages : le dopage de type N et le dopage de type P.
Dans un conducteur, la bande de valence et la bande de conduction se chevauchent, ce qui fait que les électrons
peuvent circuler librement dans tout le conducteur. Dans le cas des semi-conducteurs, la bande de valence et la
bande de conduction sont séparées par une zone appelée bande interdite (gap en anglais). Le dopage consiste à
placer des atomes dans le semi-conducteur intrinsèque pour mieux contrôler les propriétés électriques afin d’éviter
toute perturbation au niveau de la bande interdite.
a) Semi-conducteur de type N
En introduisant dans le cristal pur de silicium des atomes des impuretés pentavalents tel que le phosphore comme dopant, 4 électrons de valences seront utilisés et le cinquième électron va se transformer en électron libre et passera aisément dans la bande de conduction. La conductivité du matériau (conductivité extrinsèque) devient beaucoup plus supérieure à celle du matériau pur grâce au dopage. Le phosphore s’ionise totalement, ses atomes ionisés sont appelés donneurs. Les électrons dans le cristal deviennent majoritaires, les trous minoritaires et les atomes ionisés positives. On dit qu’on a un semi-conducteur de type N.
b) Semi-conducteur de type P :
En introduisant dans le cristal pur de silicium des atomes des impuretés trivalents tel que l’aluminium, trois électrons de valences seront utilisés, donc une liaison covalente sera libre et créera dans le cristal un trou. Dans ce cas, les trous sont majoritaires, les électrons minoritaires, et les atomes ionisés des accepteurs. Ce sont les trous qui assurent la conduction de type P. on dit qu’on a un semi-conducteur de type P.
c) Note Bien :
Quelque soit le type de semi-conducteur, les porteurs majoritaires sont 1000 à 10000 fois plus nombreux que les porteurs minoritaires. L’expression de la conductivité peut alors devenir :
-Pour les semi-conducteurs de type N:
s =q (n µn + pµp) or n µn >> pµp donc s = q n µn
-Pour les semi-conducteurs de type P:
s =q (n µn + pµp) or pµp >> n µn donc s =q p µp
