Dopage dans les semi-conducteurs

Le silicium pur ou le germanium sont rarement utilisés comme semi-conducteurs. Les semi-conducteurs pratiquement utilisables doivent avoir une quantité contrôlée d'impuretés qui leur est ajoutée. L'ajout d'impureté modifiera la capacité du conducteur et agit comme un semi-conducteur. Le processus d'ajout d'une impureté à un matériau intrinsèque ou pur est appelédoping et l'impureté est appelée un dopant. Après dopage, un matériau intrinsèque devient un matériau extrinsèque. Pratiquement seulement après dopage, ces matériaux deviennent utilisables.

Lorsqu'une impureté est ajoutée au silicium ou au germanium sans modifier la structure cristalline, un matériau de type N est produit. Dans certains atomes, les électrons ont cinq électrons dans leur bande de valence comme l'arsenic (As) et l'antimoine (Sb). Le dopage du silicium avec l'une ou l'autre des impuretés ne doit pas modifier la structure cristalline ou le processus de liaison. L'électron supplémentaire de l'atome d'impureté ne participe pas à une liaison covalente. Ces électrons sont vaguement maintenus ensemble par leurs atomes d'origine. La figure suivante montre l'altération du cristal de silicium avec l'ajout d'un atome d'impureté.

Effet du dopage sur les matériaux de type N

L'effet du dopage sur un matériau de type N est le suivant -

  • Lors de l'ajout d'arsenic au silicium pur, le cristal devient un matériau de type N.

  • L'atome d'arsenic a des électrons supplémentaires ou des charges négatives qui ne participent pas au processus de liaison covalente.

  • Ces impuretés abandonnent ou donnent, un électron au cristal et elles sont appelées impuretés donneuses.

  • Un matériau de type N a des électrons supplémentaires ou libres qu'un matériau intrinsèque.

  • Un matériau de type N n'est pas chargé négativement. En fait, tous ses atomes sont tous électriquement neutres.

  • Ces électrons supplémentaires ne participent pas au processus de liaison covalente. Ils sont libres de se déplacer à travers la structure cristalline.

  • Un cristal de silicium extrinsèque de type N entrera en conduction avec seulement 0,005eV d'énergie appliquée.

  • Seulement 0,7 eV est nécessaire pour déplacer les électrons du cristal intrinsèque de la bande de valence dans la bande de conduction.

Normalement, les électrons sont considérés comme les porteurs de courant majoritaires dans ce type de cristal et les trous sont les porteurs de courant minoritaires. La quantité de matière donneuse ajoutée au silicium détermine le nombre de porteurs actuels majoritaires dans sa structure.

Le nombre d'électrons dans un silicium de type N est plusieurs fois supérieur aux paires électron-trou du silicium intrinsèque. A température ambiante, il existe une différence ferme dans la conductivité électrique de ce matériau. Les porteurs de courant sont abondants pour participer au flux de courant. Le flux de courant est réalisé principalement par des électrons dans ce type de matériau. Par conséquent, un matériau extrinsèque devient un bon conducteur électrique.

Effet du dopage sur les matériaux de type P

L'effet du dopage sur un matériau de type P est le suivant -

  • Lorsque de l'indium (In) ou du gallium (Ga) est ajouté au silicium pur, un matériau de type P se forme.

  • Ce type de matériau dopant a trois électrons de valence. Ils recherchent avec impatience un quatrième électron.

  • Dans un matériau de type P, chaque trou peut être rempli d'un électron. Pour remplir cette zone de trou, les électrons des groupes liés covalents voisins ont besoin de très moins d'énergie.

  • Le silicium est typiquement dopé avec un matériau dopant dans la plage de 1 à 106. Cela signifie que le matériau P aura beaucoup plus de trous que les paires électron-trou du silicium pur.

  • A température ambiante, il existe une différence caractéristique très déterminée dans la conductivité électrique de ce matériau.

La figure suivante montre comment la structure cristalline du silicium est modifiée lorsqu'il est dopé avec un élément accepteur - dans ce cas, l'indium. Un morceau de matériau P n'est pas chargé positivement. Ses atomes sont principalement tous électriquement neutres.

Il existe cependant des trous dans la structure covalente de nombreux groupes d'atomes. Lorsqu'un électron entre et remplit un trou, le trou devient vide. Un nouveau trou est créé dans le groupe lié où l'électron est parti. Le mouvement du trou est en effet le résultat du mouvement des électrons. Un matériau de type P entrera en conduction avec seulement 0,05 eV d'énergie appliquée.

La figure ci-dessus montre comment un cristal de type P répondra lorsqu'il est connecté à une source de tension. Notez qu'il existe un plus grand nombre de trous que d'électrons. Avec la tension appliquée, les électrons sont attirés vers la borne positive de la batterie.

Les trous se déplacent, dans un sens, vers la borne négative de la batterie. Un électron est capté à ce stade. L'électron remplit immédiatement un trou. Le trou devient alors vide. En même temps, un électron est tiré du matériau par la borne positive de la batterie. Les trous se déplacent donc vers la borne négative en raison du déplacement des électrons entre différents groupes liés. Avec l'énergie appliquée, l'écoulement des trous est continu.