Qu'est-ce qu'un semiconducteur intrinsèque

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Qu'est-ce qu'un semiconducteur intrinsèque ?

Définition du semiconducteur intrinsèque

Un semiconducteur est un matériau dont la conductivité se situe entre celle des conducteurs et celle des isolants. Les semiconducteurs qui sont chimiquement purs, c'est-à-dire exempts d'impuretés, sont appelés semiconducteurs intrinsèques ou non dopés ou semi-conducteurs de type i. Les semiconducteurs intrinsèques les plus courants sont le silicium (Si) et le germanium (Ge), qui appartiennent au groupe IV du tableau périodique. Les numéros atomiques de Si et Ge sont 14 et 32, ce qui donne leurs configurations électroniques respectives comme 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 et 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2.

Le Si et le Ge ont chacun quatre électrons dans leur couche externe, ou couche de valence. Ces électrons de valence sont responsables des propriétés de conduction des semiconducteurs.

La structure cristalline du silicium (elle est la même pour le germanium) en deux dimensions est représentée à la Figure 1. On observe que chaque électron de valence d'un atome de Si forme une liaison covalente avec l'électron de valence de l'atome de Si adjacent.

Après la formation de ces liaisons, les semiconducteurs intrinsèques manquent de porteurs de charge libres, qui sont les électrons de valence. À 0K, la bande de valence est pleine, et la bande de conduction est vide. Aucun électron de valence n'a assez d'énergie pour franchir l'écart d'énergie interdit, ce qui fait que les semiconducteurs intrinsèques agissent comme des isolants à 0K.

Cependant, à température ambiante, l'énergie thermique peut causer la rupture de quelques liaisons covalentes, générant ainsi des électrons libres comme illustré à la Figure 3a. Les électrons ainsi générés s'excitent et passent de la bande de valence à la bande de conduction, surmontant la barrière d'énergie (Figure 2b). Au cours de ce processus, chaque électron laisse derrière lui un trou dans la bande de valence. Les électrons et les trous créés de cette manière sont appelés porteurs de charge intrinsèques et sont responsables des propriétés conductrices du matériau de semiconducteur intrinsèque.

Bien que les semiconducteurs intrinsèques puissent conduire à température ambiante, leur conductivité est faible en raison du petit nombre de porteurs de charge. Lorsque la température augmente, davantage de liaisons covalentes se brisent, générant plus d'électrons libres. Ces électrons passent de la bande de valence à la bande de conduction, augmentant la conductivité. Le nombre d'électrons (ni) est toujours égal au nombre de trous (pi) dans le semiconducteur intrinsèque.

Lorsqu'on applique un champ électrique à un tel semiconducteur intrinsèque, les paires électron-trou peuvent être déplacées sous son influence. Dans ce cas, les électrons se déplacent dans la direction opposée à celle du champ appliqué, tandis que les trous se déplacent dans la direction du champ électrique, comme illustré à la Figure 3b. Cela signifie que les directions de déplacement des électrons et des trous sont mutuellement opposées. Cela est dû au fait qu'un électron d'un atome particulier se déplace vers la gauche, par exemple, en laissant un trou à sa place, l'électron de l'atome voisin occupe sa place en se recombinant avec ce trou. Cependant, en faisant cela, il laisse un autre trou à sa place. Cela peut être vu comme le mouvement des trous (vers la droite dans ce cas) dans le matériau de semiconducteur. Ces deux mouvements, bien qu'opposés en direction, entraînent le flux total de courant à travers le semiconducteur.