Impuretés donneuses et accepteuses dans les semi-conducteurs

Définition du dopage

Le dopage est le processus d'ajout d'impuretés à un semi-conducteur pour modifier ses propriétés conductrices.

Impuretés donneuses

Les impuretés donneuses sont des atomes pentavalents ajoutés aux semi-conducteurs, apportant des électrons libres supplémentaires, créant des semi-conducteurs de type n.

Semi-conducteur de type n

Lorsque des impuretés de type n ou donneuses sont ajoutées à un semi-conducteur, l'écart d'énergie interdit dans la structure de réseau se réduit. Les atomes donneurs introduisent de nouveaux niveaux d'énergie juste en dessous de la bande de conduction. Ces niveaux sont discrets car les atomes d'impureté sont éloignés et interagissent peu. Dans le germanium, l'écart d'énergie est de 0,01 eV, et dans le silicium, il est de 0,05 eV à température ambiante. Ainsi, à température ambiante, le cinquième électron des atomes donneurs entre dans la bande de conduction. L'augmentation du nombre d'électrons entraîne une diminution des trous.

Le nombre de trous par unité de volume dans un semi-conducteur de type n est encore plus faible que celui dans la même unité de volume d'un semi-conducteur intrinsèque à la même température. Cela est dû aux électrons en excès, et il y aura un taux de recombinaison des paires électron-trou plus élevé que dans un semi-conducteur pur ou intrinsèque.

Semi-conducteur de type p

Si au lieu d'une impureté pentavalente, une impureté trivalente est ajoutée au semi-conducteur intrinsèque, alors au lieu d'électrons en excès, il y aura des trous en excès créés dans le cristal. En effet, lorsque une impureté trivalente est ajoutée au cristal de semi-conducteur, les atomes trivalents remplacent certains des atomes tetravalents du semi-conducteur. Les trois (3) électrons de valence de l'atome d'impureté trivalente feront la liaison avec trois atomes de semi-conducteur voisins. Il y aura donc un manque d'électron dans une liaison du quatrième atome de semi-conducteur voisin, ce qui contribue à un trou dans le cristal. Puisque les impuretés trivalentes contribuent à des trous en excès dans le cristal de semi-conducteur, et que ces trous peuvent accepter des électrons, ces impuretés sont appelées impuretés accepteuses. Comme les trous portent virtuellement une charge positive, ces impuretés sont appelées impuretés de type positif ou de type p, et le semi-conducteur avec des impuretés de type p est appelé semi-conducteur de type p.

L'ajout d'impuretés trivalentes à un semi-conducteur crée un niveau d'énergie discret juste au-dessus de la bande de valence. Le petit écart entre la bande de valence et ce nouveau niveau d'énergie permet aux électrons de se déplacer facilement vers le niveau supérieur avec une petite quantité d'énergie externe. Lorsqu'un électron se déplace vers ce nouveau niveau, il laisse une vacance, ou un trou, dans la bande de valence.

Lorsque nous ajoutons une impureté de type n au semi-conducteur, il y aura un excès d'électrons dans le cristal, mais cela ne signifie pas qu'il n'y aura pas de trous. En raison de la nature intrinsèque du semi-conducteur à température ambiante, il y a toujours des paires électron-trou dans le semi-conducteur. L'ajout d'impuretés de type n ajoute des électrons à ces paires électron-trou et réduit également le nombre de trous par recombinaison accrue due aux électrons en excès. Par conséquent, le nombre total de porteurs de charge négative ou d'électrons libres sera plus important que celui des trous dans le semi-conducteur de type n. C'est pourquoi, dans un semi-conducteur de type n, les électrons sont appelés porteurs de charge majoritaires, tandis que les trous sont appelés porteurs de charge minoritaires. De manière similaire, dans un semi-conducteur de type p, les trous sont appelés porteurs de charge majoritaires et les électrons sont appelés porteurs de charge minoritaires.

Impuretés accepteuses

Les impuretés accepteuses sont des atomes trivalents ajoutés aux semi-conducteurs, créant un excès de trous, formant des semi-conducteurs de type p.