Dopage
Un semi-conducteur pur est neutre car il ne contient aucun électron dans sa bande de conduction, les liens covalents étant tous comblés. Lorsqu’on l’excite en appliquant de la chaleur, seuls quelques électrons de covalence seront libérés ne permettant qu’un faible courant dans le matériau. Pour augmenter le flux, il est nécessaire d’ajouter quelques parties par millions d’un autre élément pour remplacer certains atomes de la matrice du cristal.
Le processus d’ajout de ces impuretés s’appelle le dopage et il permet de remplacer un lien covalent stable par un autre ayant un électron ou un trou libre qui peut se déplacer sous l’action d’une tension électrique externe. Quand l’impureté augmente le nombre d’électrons libres, le semi-conducteurs dopé est négatif, ou de type n, et l’impureté est donc de type n. Au contraire, une impureté qui diminue le nombre d’électrons disponibles, et causant donc des trous, est de type positif ou de type p. Les semi-conducteurs dopés sont dit extrinsèques.
Semi-conducteurs de type n
Figure 1 : Cristal de germanium dopé avec de l’arsenic.
Figure 1 : Cristal de germanium dopé avec de l’arsenic.
Les impuretés de type n sont des atomes ayant des électrons de valence supplémentaires au cristal qui les contiennent. L’arsenic, l’antimoine, le bismuth et le phosphore entrent dans ce groupe d’impuretés. Dans la figure 1, un atome d’arsenic (As), qui nécessite cinq électrons de valence (pentavalents), remplace un atome de germanium (Ge) dans le cristal et forme des liens covalents avec les atomes adjacents. Puisque le germanium ne demande que quatre électrons de valence, il reste un électron non lié après avoir rempli les liens requis par le germanium. L’atome d’arsenic peut donc perdre facilement cet électron supplémentaire ce qui augmente la conductivité du cristal. L’arsenic est appelé un donneur.
Comme les semi-conducteurs de type n ont un surplus d’électrons, ceux-ci sont considérés comme les porteurs de charge majoritaires. Les trous de la couche de valence étant inférieurs en nombre deviennent les porteurs minoritaires. La conductivité des semi-conducteurs de type n est similaire à celle des métaux comme le cuivre: lorsqu’une tension-seuil est appliquée aux bornes du cristal, les électrons se déplacent vers la cathode (positive). Ces électrons quitteront ensuite le cristal vers le terminal positif de la source électrique et les électrons provenant de la borne négative (anode) entreront dans le cristal pour compléter le circuit. Par conséquent, les porteurs majoritaires du type n sont repoussés par la borne négative du circuit et attirés par la borne positive.
Semi-conducteurs de type p
Figure 2 : Cristal de germanium dopé à l’indium
Figure 2 : Cristal de germanium dopé à l’indium
De façon inverse, il est possible de doper un semi-conducteur avec des atomes ayant un nombre inférieur d’électrons de valence à celui du cristal pur. Dans ce cas, l’impureté tend à compenser le manque en attirant des électrons d’un atome voisin. On parle alors d’une impureté réceptrice. Dans cette catégorie se retrouvent des atomes trivalents comme d’aluminium, l’indium, le gallium et le bore qui peuvent accepter des électrons provenant des atomes de germanium ou de silicium.
Dans la figure 2, on peut voir un atome d’indium dans un cristal de germanium. Un des quatre liens covalent est manquant avec un de ses voisins. Cela laisse un « trou » dans la structure. Ce trou ne provient pas de l’extraction d’un électron de la couche de covalence d’un atome neutre de germanium mais bien des caractéristiques de l’impureté. Comme ce trou peut être comblé par le déplacement d’un électron d’un atome de germanium adjacent, les porteurs de charges majoritaire sont les trous dans ce cas et les électrons sont les porteurs minoritaires.
Les trous étant positifs, le courant dans un semi-conducteur de type p est donc dirigé vers la borne négative, l’anode. En atteignant la borne, un électron venant de celle-ci comble le trou mais en même temps un électron venant de la couche de covalence sort par la cathode et laisse un trou. Un courant électrique de trous depuis la cathode vers l’anode est ainsi établi.
Notice in both n-type and p-type materials, current flow in the external circuit consists of electrons moving out of the negative terminal of the battery and into the positive terminal of the battery. Hole flow, on the other hand, only exists within the material itself.
Nota
Dans les deux cas, les semi-conducteurs de type n et p, ce sont des électrons qui circulent dans la partie externe du circuit électrique. Ceux-ci vont de la borne négative à celle positive. D’autre part, les trous ne « circulent » que dans le semi-conducteur.