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Physique des systèmes complexes
3.6.3. Injection d'électrons et de trous dans la matière
Les semi-conducteurs ou les isolants sont des matériaux dont la (les) dernière(s)
bande(s) d'énergie accessible aux électrons est (sont), à température nulle, complètement pleine(s) (voir chapitre Il). Les dernières bandes pleines sont nommées
bandes de valence, la première bande vide est appelée bande de conduction. Nous
avons vu au deuxième chapitre que le taux d'occupation des états d'énergie électroniques (ici répartis en bandes) était déterminé par la statistique de Fermi-Dirac.
Ceci signifie qu'à une température donnée il existe une densité électronique n
dans la bande de conduction correspondant au « transfert thermique » des électrons de la bande de valence vers la bande de conduction. La bande de valence est
donc peuplée de «manque d'électrons» agissant, lors d'une expérience de
conductivité électrique comme des particules chargées positivement que l'on
nomme «trous». Ainsi de manière générale, la conductivité d'un semiconducteur est-elle déterminée par des porteurs de charge négatifs : les électrons
de la bande de conduction et des porteurs de charge positifs : les trous de la bande
de valence. Les densités d'électrons et de trous résultant de l'ionisation thermique
ne sont jamais très importantes dans les matériaux parfaits (intrinsèques); Aussi,
pour améliorer la conductivité des semi-conducteurs, on procède à des opérations
de dopage, c'est à dire à l'introduction d'impuretés de valence différente de celle
des atomes du cristal. Lorsqu'une impureté apporte un nombre n+ 1 d'électrons de
valence, alors que les atomes normaux n'en apportent que n, cette impureté apporte un électron supplémentaire dont l'état d'énergie se place dans la bande interdite
du semi-conducteur, à une distance généralement très proche de la bande de
conduction. Inversement, lorsqu'une impureté possède un nombre d'électrons de
valence inférieur à celui des atomes normaux, cette impureté crée un niveau
d'énergie extrinsèque vide situé dans la bande interdite mais à une position très
proche de la bande de valence.
Dans de telles situations, lorsque le cristal est soumis à une température donnée,
qui aurait conduit à une densité de porteurs intrinsèque trop faible, Il apparaît que
cette température est nettement suffisante pour ioniser les états d'impuretés.
- Ainsi les impuretés dont le niveau d'énergie est très proche de la bande de
conduction fournissent très rapidement des électrons à la bande de conduction
alors qu'il n'apparaît pas encore de façon notable de trous dans la bande de valence. On dit dans ce cas « extrinsèque » que le semi-conducteur est de type « n » car
sa conductivité est assurée par des électrons « extrinsèques » présents dans la
bande de conduction. De telles impuretés pouvant fournir des électrons à la bande
de conduction sont appelées des « donneurs ».
- De façon similaire, si un cristal possède des impuretés qui introduisent dans le
gap des niveaux vides proches de la bande de valence, alors, même à très faible
température, ces niveaux pourront capturer des électrons de la bande de valence,
faisant ainsi apparaître des trous dans cette même bande. Dans un tel cas les impuretés ayant piégé les électrons sont appelées « accepteurs » et le cristal est dit de
type « p » puisque sa conductivité est assurée par des particules positives : les
trous de la bande de valence.
Physique des systèmes complexes
3.6.3. Injection d'électrons et de trous dans la matière
Les semi-conducteurs ou les isolants sont des matériaux dont la (les) dernière(s)
bande(s) d'énergie accessible aux électrons est (sont), à température nulle, complètement pleine(s) (voir chapitre Il). Les dernières bandes pleines sont nommées
bandes de valence, la première bande vide est appelée bande de conduction. Nous
avons vu au deuxième chapitre que le taux d'occupation des états d'énergie électroniques (ici répartis en bandes) était déterminé par la statistique de Fermi-Dirac.
Ceci signifie qu'à une température donnée il existe une densité électronique n
dans la bande de conduction correspondant au « transfert thermique » des électrons de la bande de valence vers la bande de conduction. La bande de valence est
donc peuplée de «manque d'électrons» agissant, lors d'une expérience de
conductivité électrique comme des particules chargées positivement que l'on
nomme «trous». Ainsi de manière générale, la conductivité d'un semiconducteur est-elle déterminée par des porteurs de charge négatifs : les électrons
de la bande de conduction et des porteurs de charge positifs : les trous de la bande
de valence. Les densités d'électrons et de trous résultant de l'ionisation thermique
ne sont jamais très importantes dans les matériaux parfaits (intrinsèques); Aussi,
pour améliorer la conductivité des semi-conducteurs, on procède à des opérations
de dopage, c'est à dire à l'introduction d'impuretés de valence différente de celle
des atomes du cristal. Lorsqu'une impureté apporte un nombre n+ 1 d'électrons de
valence, alors que les atomes normaux n'en apportent que n, cette impureté apporte un électron supplémentaire dont l'état d'énergie se place dans la bande interdite
du semi-conducteur, à une distance généralement très proche de la bande de
conduction. Inversement, lorsqu'une impureté possède un nombre d'électrons de
valence inférieur à celui des atomes normaux, cette impureté crée un niveau
d'énergie extrinsèque vide situé dans la bande interdite mais à une position très
proche de la bande de valence.
Dans de telles situations, lorsque le cristal est soumis à une température donnée,
qui aurait conduit à une densité de porteurs intrinsèque trop faible, Il apparaît que
cette température est nettement suffisante pour ioniser les états d'impuretés.
- Ainsi les impuretés dont le niveau d'énergie est très proche de la bande de
conduction fournissent très rapidement des électrons à la bande de conduction
alors qu'il n'apparaît pas encore de façon notable de trous dans la bande de valence. On dit dans ce cas « extrinsèque » que le semi-conducteur est de type « n » car
sa conductivité est assurée par des électrons « extrinsèques » présents dans la
bande de conduction. De telles impuretés pouvant fournir des électrons à la bande
de conduction sont appelées des « donneurs ».
- De façon similaire, si un cristal possède des impuretés qui introduisent dans le
gap des niveaux vides proches de la bande de valence, alors, même à très faible
température, ces niveaux pourront capturer des électrons de la bande de valence,
faisant ainsi apparaître des trous dans cette même bande. Dans un tel cas les impuretés ayant piégé les électrons sont appelées « accepteurs » et le cristal est dit de
type « p » puisque sa conductivité est assurée par des particules positives : les
trous de la bande de valence.