E7 Physique des semi-conducteurs

Topique

Les semi-conducteurs conduisent l'électricité à un niveau intermédiaire entre celui d'un bon conducteur et celui d'un isolant, grâce à une bande interdite relativement étroite entre les électrons liés aux atomes et les électrons libres qui peuvent se déplacer librement dans le matériau. Au zéro absolu, un semi-conducteur pur se comporte comme un isolant parfait ; à température ambiante, l'agitation thermique suffit à exciter certains électrons vers la bande de conduction, générant simultanément un électron libre et un trou – l'absence de cet électron, qui se comporte comme une charge positive mobile.

Plus le nombre d'électrons libres générés thermiquement est élevé, plus la concentration intrinsèque de porteurs de charge augmente, et ce, de manière très sensible à la fois à la température et à la largeur de la bande interdite : un matériau à bande interdite plus large possède beaucoup moins de porteurs libres à température égale qu'un matériau à bande interdite plus étroite.

Le dopage est la technique qui confère aux semi-conducteurs leur utilité : il consiste à introduire délibérément des atomes d'impuretés qui apportent des électrons libres supplémentaires (dopage de type N) ou qui acceptent des électrons, créant ainsi des trous supplémentaires (dopage de type P), permettant un contrôle précis de la conductivité du matériau. Dans un semi-conducteur, le courant circule selon deux mécanismes qui peuvent coexister : le courant de dérive, induit par un champ électrique externe, et le courant de diffusion, dû à la simple tendance des porteurs de charge à se déplacer des zones de forte concentration vers les zones de faible concentration, à l'instar du parfum qui se diffuse dans une pièce. Les mêmes lois statistiques sous-jacentes régissent à la fois la facilité avec laquelle les porteurs de charge se déplacent sous l'effet d'un champ (leur mobilité) et la facilité avec laquelle ils diffusent en raison des différences de concentration. Ces deux phénomènes, bien que paraissant distincts, ne sont donc pas indépendants.

C'est pourquoi ce module, qui s'ouvre sur la bande interdite séparant les électrons liés des électrons libres, se conclut en montrant que le dopage d'un semi-conducteur ne crée pas un nouveau matériau, mais modifie délibérément, dans un sens ou dans l'autre, l'équilibre entre électrons et trous que la température établit spontanément.

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