1. Semi-conducteurs

Définition

Le courant correspond au déplacement des électrons dans un matériau et les électrons libres permettent à ce courant de circuler.

Les isolants possèdent 8 électrons sur la couche de valence (= couche complète). Il n’y a donc pas d’électrons libres.

Les métaux sont des conducteurs car ils possèdent très peu d’électrons (environ 1 à 3 électrons) sur la couche de valence. De plus, les électrons qui participent à un courant électrique sont dis électrons libres.

Donc, un semi-conducteur correspond à l’intermédiaire entre un conducteur et un isolant car ce dernier a généralement 4 électrons sur leur couche de valence (Silicium, Germanium …). Ainsi à faible température, il se comporte comme un isolant alors qu’à haute température, comme un conducteur.

Semi-conducteurs intrinsèques

Les semi-conducteurs intrinsèques sont dits « purs », ils appartiennent à la 4ème colonne du tableau périodique et les éléments dopants appartiennent aux colonnes adjacentes à cette dernière.

Leur comportement électrique ne dépend que de leur structure par opposition aux extrinsèques qui dépendent de l’ajout d’impureté dans la structure. La conductivité de ces matériaux est nulle a 0 Kelvin et augmente suivant la température.

En effet, à 0 Kelvin tous les électrons de la couche de valence forment des liaisons covalentes dans le cristal, il n’y a ainsi pas d’électrons libres pouvant conduire, c’est un isolant parfait.

Quand la température augmente, les électrons de valence ont assez d’énergie pour se libérer des liaisons covalentes et permettre la conduction électrique : fonctionnement en conducteur

Semi-conducteurs extrinsèques

La conductivité dans les semi-conducteurs intrinsèques est limitée, il convient donc de recourir au dopage afin de l’augmenter : on parle alors de semi-conducteur extrinsèque.

Le dopage consiste en l’ajout d’un atome étranger ou une impureté dans le matériau servant de semi-conducteur, cet atome permet d’augmenter leur conductivité.

On distingue 4 types d’atome pouvant être ajoutés :

• les atomes isovalents ou isoélectrique : les propriétés de conduction électrique ne sont pas modifiées.

• les atomes amphotères : cet atome est à la fois donneur et receveur.

• les atomes avec moins d’électrons dans leur couche périphérique que l’atome constituant le matériau (=atome accepteur d’électron).

• les atomes avec plus d’électrons dans leur couche périphérique que l’atome constituant le matériau (atome donneur d’électron).

Les 4 méthodes de dopage possible du semi-conducteur sont :

• La diffusion : le matériau à doper est chauffé, l’impureté se diffuse dans le matériau grâce à la chaleur. Les atomes utilisés sont par exemple : le phosphore, le bore, l’arsenic et l’aluminium.

• L’implantation ionique : l’atome étranger est accéléré grâce à un champ électrique pour rentrer dans le matériau à doper.

• La transmutation nucléaire : ce procédé se réalise dans un réacteur nucléaire expérimental, il permet de transformer l’isotope 31 Si vers le 31 P par radioactivité β-.
  

• La technique laser : l’atome étranger est introduit dans le matériau en phase liquide grâce à la chaleur émise par le laser.

Dopage type N

Le dopage de type N consiste à remplacer un atome constituant le matériau à doper par un atome ayant 1 électron de plus dans sa couche de valence.

Il y a donc un excès d’électron, le semi-conducteur est donc chargé négativement.

Ainsi, le dopage de type N, c’est à dire de type « N »égatif, a la représentation suivante :

Les atomes étrangers utilisé dans le dopage de type N sont par exemple : l’aluminium et le bore.

Dopage type P

Le dopage de type P consiste à remplacer un atome constituant le matériau à doper par un atome ayant 1 électron de moins dans sa couche de valence.

Il y a donc un déficit d’électron, le semi-conducteur est donc chargé positivement.

Ainsi, le dopage de type P, c’est à dire de type « P »ositif, a la représentation suivante :

Les atomes étrangers utilisés dans le dopage de type P sont par exemple : le phosphore et l’arsenic.