E3 Dopage : donneurs et accepteurs

Topique

Une impureté donneuse introduite dans le réseau cristallin de ce matériau semi-conducteur libère un électron dans la bande de conduction, selon une énergie d'ionisation décrite par un modèle hydrogénoïde. Cet électron supplémentaire est lié à l'impureté beaucoup plus faiblement qu'un électron de valence ordinaire, toujours selon ce modèle hydrogénoïde. Dans ce modèle, l'électron supplémentaire orbite autour de l'impureté donneuse comme il orbiterait autour d'un noyau d'hydrogène, mais au sein du matériau semi-conducteur et non dans le vide. Par conséquent, l'énergie d'ionisation requise pour libérer l'électron dans la bande de conduction est bien inférieure à la largeur de bande interdite du matériau semi-conducteur. Du fait de cette énergie d'ionisation plus faible, une plus grande proportion de ces impuretés donneuses, à température égale du matériau semi-conducteur, libérera leur électron supplémentaire dans la bande de conduction.

La concentration de ces impuretés donneuses déjà ionisées, ainsi que celle des impuretés acceptrices déjà ionisées présentes dans le réseau cristallin, doit, conjointement à la concentration d'électrons et de trous libres dans ce matériau semi-conducteur, maintenir la neutralité électrique de l'ensemble du matériau. Chaque impureté donneuse déjà ionisée, après avoir cédé son électron supplémentaire, porte une charge positive fixe dans le réseau cristallin, et chaque impureté acceptrice déjà ionisée, porte une charge négative fixe. Par conséquent, la somme de ces deux charges fixes et des charges des électrons et trous libres doit s'annuler exactement. Une concentration plus élevée d'impuretés donneuses déjà ionisées dans le réseau cristallin implique que, pour maintenir cette neutralité électrique, la concentration d'électrons libres dans ce matériau semi-conducteur doit également être plus élevée.

Par conséquent, ce modèle, avec cette impureté donneuse et cette neutralité de charge lors de son ouverture, induit un dopage qui déplace la concentration d'électrons libres de ce matériau semi-conducteur bien au-delà de la concentration intrinsèque déjà établie par un autre modèle de cet ensemble, sans nécessiter, pour obtenir ce même déplacement, d'excitation thermique intense sur toute la bande interdite. Alors que la concentration intrinsèque de porteurs de charge requiert l'excitation directe d'électrons de la bande de valence vers la bande de conduction sur toute la bande interdite, ce dopage permet d'obtenir le même déplacement de la concentration d'électrons libres grâce à l'énergie d'ionisation beaucoup plus faible de cette impureté donneuse. Le fait que cette concentration d'impuretés donneuses au sein de ce réseau cristallin soit plus élevée signifie que cette concentration d'électrons libres, déplacée bien au-delà de la concentration intrinsèque, est par conséquent encore plus éloignée de celle-ci. Cela signifie également que le niveau de Fermi de ce matériau semi-conducteur, qui décrit plus en détail un autre modèle de cet ensemble, est par conséquent déterminé par cette même concentration d'impuretés donneuses.

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