Semi-conducteurs intrinsèques et extrinsèques

Un semi-conducteur pur ne conduit l'électricité que par l'intermédiaire de paires électron-trou générées thermiquement, mais l'ajout délibéré d'impuretés donneuses ou acceptrices le transforme en un matériau de type n ou de type p dont la conductivité est contrôlable.

Definition

Un semi-conducteur intrinsèque est un cristal pur dans lequel un nombre égal d'électrons et de trous sont générés par excitation thermique à travers la bande interdite ; un semi-conducteur extrinsèque est un semi-conducteur dopé avec des impuretés donneuses ou acceptrices qui créent un excès d'un type de porteur, le rendant de type n ou de type p.

Scope

Ce sujet distingue les semi-conducteurs intrinsèques, où les concentrations d'électrons et de trous sont égales et déterminées par l'excitation thermique à travers la bande interdite, des semi-conducteurs extrinsèques (dopés), où les impuretés donneuses ou acceptrices fournissent les porteurs majoritaires. Il aborde les niveaux peu profonds des donneurs et des accepteurs, l'ionisation, les régimes de température de gel (freeze-out), extrinsèque et intrinsèque, ainsi que la dépendance de la concentration des porteurs à la température qui en résulte. Il prépare les sujets suivants sur les statistiques des porteurs et les jonctions.

Core questions

• Comment les porteurs sont-ils créés dans un semi-conducteur pur, et pourquoi la concentration intrinsèque augmente-t-elle fortement avec la température ?
• Comment les impuretés donneuses et acceptrices produisent-elles des matériaux de type n et de type p ?
• Pourquoi les niveaux d'énergie des dopants sont-ils peu profonds, et comment l'ionisation varie-t-elle avec la température ?
• Quels sont les régimes de concentration des porteurs de gel (freeze-out), extrinsèque et intrinsèque ?

Key concepts

• Concentration intrinsèque des porteurs
• Impuretés donneuses et acceptrices
• Matériaux de type n et de type p
• Niveaux d'impuretés peu profonds et ionisation
• Régimes de gel (freeze-out), extrinsèque et intrinsèque

Clinical relevance

Le dopage contrôlé qui distingue le matériau extrinsèque de l'intrinsèque est à la base de tous les dispositifs semi-conducteurs ; le choix du type et de la concentration du dopant détermine la densité des porteurs et la conductivité des régions qui forment les diodes, les transistors et les circuits intégrés.

History

Le rôle des impuretés dans la conduction des semi-conducteurs a été clarifié dans les années 1930 et 1940, et le développement du dopage contrôlé et de la croissance de monocristaux aux Bell Labs à la fin des années 1940 et au début des années 1950 a rendu possible la production de matériaux de type n et de type p reproductibles, permettant ainsi l'avènement du transistor et de l'industrie des semi-conducteurs.

Key figures

• William Shockley
• Gordon Teal
• Walter Brattain

Seminal works

• sze2007
• ashcroft1976

Frequently asked questions

Qu'est-ce qui fait qu'un dopant est un donneur ou un accepteur ?

Un donneur possède un électron de valence de plus que l'atome hôte qu'il remplace, le cédant facilement à la bande de conduction (type n) ; un accepteur en a un de moins, capturant un électron de la bande de valence et laissant un trou (type p).

Pourquoi un semi-conducteur intrinsèque conduit-il mieux lorsqu'il est chauffé ?

L'augmentation de la température donne à davantage d'électrons suffisamment d'énergie pour traverser la bande interdite, augmentant exponentiellement le nombre de paires électron-trou disponibles pour transporter le courant, ce qui est l'inverse d'un métal dont la conductivité diminue avec le chauffage.