Les semi-conducteurs: Dopage

Doper un semi-conducteur

Le dopage est une méthode permettant d'augmenter la conductivité d'un semiconducteur. Cela consiste à introduire des impuretés dans un cristal intrinsèque pour modifier ses propriétés électriques. Un semi-conducteur dopé est appelé semiconducteur extrinsèque.

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Augmenter le nombre d'électrons libres

Comment un constructeur dope-t-il un cristal de silicium ? La première manière consiste à fondre un cristal de silicium pur. Cela brise les liaisons de valence et le liquéfie. Pour augmenter le nombre d'électrons libres, on ajoute au silicium fondu des atomes pentavalents tels que l'arsenic, l'antimoine et le phosphore. Ils possèdent cinq électrons périphériques et donnent l'électron excédentaire au cristal de silicium, ce sont des impuretés donneuses.

La figure a: 

représente le silicium dopé après refroidissement et reconstitution de la structure cristalline. Un atome pentavalent est au centre, entouré de quatre atomes de silicium. Comme précédemment, les atomes voisins mettent en commun un électron avec l'atome central, et il reste un électron en trop (atome pentavalent : cinq électrons périphériques). Comme il y a huit places sur l'orbite de valence, l'électron excédentaire devient un électron libre.

Chaque atome pentavalent introduit dans le silicium donne un électron libre. Voici comment un constructeur contrôle la conductivité d'un semi-conducteur dopé. Plus il introduit d'impuretés, plus la conductivité est importante. Un semiconducteur peu dopé a une grande résistance, tandis que fortement dopé il présente une faible résistance.

Augmenter le nombre de trous 

Comment doper le silicium pour avoir un excès de trous ? En utilisant une impureté trivalente (dont l'atome a seulement trois électrons de valence) : par exemple l'aluminium, le bore, le gallium.

La figure b: 

illustre un atome trivalent entouré par quatre atomes de silicium. Comme l'atome trivalent a seulement trois électrons de valence et que chaque voisin en donne un, il y en a seulement sept sur l'orbite de valence, cela veut dire qu’un trou s'est formé. On donne le nom d'atome accepteur à un atome trivalent parce que le trou ainsi créé peut accepter un électron libre pour effectuer une recombinaison.

Ce qu'il faut retenir 

Avant de réaliser un dopage, les constructeurs doivent produire un cristal pur. Ensuite, en contrôlant le taux d'impuretés, ils peuvent déterminer avec précision les propriétés du semi-conducteur. Historiquement, le germanium pur était plus facile à produire que le silicium pur, c'est pour cela que les premiers composants utilisaient du germanium. Ensuite, les techniques se sont améliorées et on a pu obtenir du silicium pur. Grâce à ses qualités, le silicium est devenu le semi-conducteur le plus utilisé.

Les deux types de semi-conducteurs extrinsèques

Un semi-conducteur dope peut avoir un excès d'électrons libres ou un excès de trous, c'est pour cela qu'il y a deux types de semi-conducteurs dopés.

 Le semi-conducteur de type n

Le silicium dopé avec une impureté pentavalente est appelé semi-conducteur de type n (n pour négatif). La figure illustre un semi-conducteur de type n où les électrons sont beaucoup plus nombreux (porteurs majoritaires) que les trous (porteurs minoritaires).

Figure: Le semi-conducteur de type n possède beaucoup d'électrons libres.

Le semi-conducteur de type p 

Le silicium dopé par une impureté trivalente est appelé semi-conducteur de type p (p pour positif). La figure ci-dessous montre un semi-conducteur de type p où les trous beaucoup plus nombreux sont les porteurs majoritaires et les électrons libres les porteurs minoritaires.

La tension appliquée entraîne les électrons libres vers la gauche et les trous vers la droite. Lorsque ces derniers arrivent au bord droit du cristal, ils se combinent avec les électrons libres du circuit extérieur.

Sur la figure ci-dessous, il existe aussi un flux de porteurs minoritaires, ce sont les électrons libres qui se déplacent de la droite vers la gauche. Ils sont si peu nombreux que leur effet est insignifiant.

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Figure: Le semi-conducteur de type p possède beaucoup de trous.