Qu'est-ce que le silicium intrinsèque et le silicium extrinsèque

Qu'est-ce que le silicium intrinsèque et le silicium extrinsèque ?

Silicium intrinsèque

Le silicium est un élément semi-conducteur essentiel. Il s'agit d'un matériau du groupe IV. Dans sa couche externe, il possède quatre électrons de valence qui sont liés par des liaisons covalentes avec les électrons de valence de quatre atomes de silicium adjacents. Ces électrons de valence ne sont pas disponibles pour l'électricité. Ainsi, à 0 K, le silicium intrinsèque se comporte comme un isolant. Lorsque la température augmente, certains électrons de valence rompent leurs liaisons covalentes en raison de l'énergie thermique. Cela crée un vide, appelé trou, là où se trouvait l'électron. Autrement dit, à toute température supérieure à 0 K, certains des électrons de valence dans le cristal semi-conducteur acquièrent suffisamment d'énergie pour sauter de la bande de valence à la bande de conduction, laissant derrière eux un trou dans la bande de valence. Cette énergie est d'environ 1,2 eV à température ambiante (c'est-à-dire à 300 K), ce qui correspond à l'énergie de la bande interdite du silicium.

Dans le cristal de silicium intrinsèque, le nombre de trous est égal au nombre d'électrons libres. Chaque électron qui quitte la liaison covalente contribue à la création d'un trou dans la liaison brisée. À une certaine température, de nouveaux paires électron-trou sont continuellement créées par l'énergie thermique, tandis qu'un nombre égal de paires se recombinent. Par conséquent, à une température donnée, dans un volume donné de silicium intrinsèque, le nombre de paires électron-trou reste le même. C'est une condition d'équilibre. Il est donc évident que, dans cette condition d'équilibre, la concentration d'électrons libres n et la concentration de trous p sont égales l'une à l'autre, et cela n'est rien d'autre que la concentration intrinsèque de porteurs de charge (ni). c'est-à-dire, n = p = ni. La structure atomique est montrée ci-dessous.

Silicium intrinsèque à 0 K

Silicium intrinsèque à température ambiante

Silicium extrinsèque

Le silicium intrinsèque peut être transformé en silicium extrinsèque lorsqu'il est dopé avec une quantité contrôlée de dopants. S'il est dopé avec un atome donneur (éléments du groupe V), il devient un semi-conducteur de type n, et s'il est dopé avec des atomes accepteurs (éléments du groupe III), il devient un semi-conducteur de type p.

Supposons qu'une petite quantité d'élément du groupe V soit ajoutée à un cristal de silicium intrinsèque. Les exemples d'éléments du groupe V sont le phosphore (P), l'arsenic (As), l'antimoine (Sb) et le bismuth (Bi). Ils ont cinq électrons de valence. Lorsqu'ils remplacent un atome de Si, les quatre électrons de valence forment des liaisons covalentes avec les atomes voisins, et le cinquième électron, qui ne participe pas à la formation de la liaison covalente, est faiblement attaché à l'atome parent et peut facilement quitter l'atome sous forme d'électron libre. L'énergie nécessaire pour libérer ce cinquième électron est d'environ 0,05 eV. Ce type d'impureté est nommé donneur car il contribue des électrons libres au cristal de silicium. Le silicium est connu sous le nom de silicium de type n ou de type négatif, car les électrons sont des particules chargées négativement.

Le niveau d'énergie de Fermi se rapproche de la bande de conduction dans le silicium de type n. Ici, le nombre d'électrons libres est augmenté par rapport à la concentration intrinsèque d'électrons. D'autre part, le nombre de trous est diminué par rapport à la concentration intrinsèque de trous, car il y a plus de probabilité de recombinaison en raison de la plus grande concentration d'électrons libres. Les électrons sont les porteurs de charge majoritaires.

Silicium extrinsèque avec impureté pentavalente

Si une petite quantité d'éléments du groupe III est ajoutée à un cristal de semi-conducteur intrinsèque, alors ils remplacent un atome de silicium. Les éléments du groupe III tels que Al, B, In ont trois électrons de valence. Ces trois électrons forment des liaisons covalentes avec les atomes voisins, créant un trou. Ces types d'atomes d'impureté sont connus sous le nom d'accepteurs. Le semi-conducteur est connu sous le nom de semi-conducteur de type p, car le trou est considéré comme étant chargé positivement.

Silicium extrinsèque avec impureté trivalente

Le niveau d'énergie de Fermi dans les semi-conducteurs de type p se rapproche de la bande de valence. Le nombre de trous augmente, tandis que le nombre d'électrons diminue par rapport au silicium intrinsèque. Dans les semi-conducteurs de type p, les trous sont les porteurs de charge majoritaires.

Concentration intrinsèque de porteurs de charge dans le silicium

Lorsqu'un électron saute de la bande de valence à la bande de conduction en raison de l'excitation thermique, des porteurs libres sont créés dans les deux bandes, c'est-à-dire des électrons dans la bande de conduction et des trous dans la bande de valence. La concentration de ces porteurs est connue sous le nom de concentration intrinsèque de porteurs. En pratique, dans un cristal de silicium pur ou intrinsèque, le nombre de trous (p) et d'électrons (n) est égal, et ils sont égaux à la concentration intrinsèque de porteurs ni. Par conséquent, n = p = ni

Le nombre de ces porteurs dépend de l'énergie de la bande interdite. Pour le silicium, l'énergie de la bande interdite est de 1,2 eV à 298 K. La concentration intrinsèque de porteurs dans le silicium augmente avec l'augmentation de la température. La concentration intrinsèque de porteurs dans le silicium est donnée par,

Ici, T = température en échelle absolue

La concentration intrinsèque de porteurs à 300 K est de 1,01 × 10¹⁰ cm^-3. Mais la valeur précédemment acceptée est de 1,5 × 10¹⁰ cm^-3.