Physique des semi-conducteurs
Les semi-conducteurs sont des matériaux dont la faible bande interdite permet d'ajuster leur conductivité par la température, le dopage et les champs appliqués, ce qui en fait le fondement physique de l'électronique moderne.
Definition
La physique des semi-conducteurs est l'application de la théorie des bandes électroniques à des matériaux dont la bande interdite est suffisamment petite pour que l'excitation thermique et le dopage peuplent la bande de conduction et la bande de valence d'électrons et de trous mobiles, dont les concentrations et le mouvement peuvent être contrôlés pour construire des dispositifs électroniques.
Scope
Ce domaine couvre la physique des solides semi-conducteurs : le comportement intrinsèque et extrinsèque (dopé), les statistiques des porteurs (électrons et trous), la position du niveau de Fermi, la formation des jonctions p-n et la courbure des bandes aux interfaces, ainsi que les propriétés d'absorption optique et de transport qui régissent les dispositifs. Il applique la théorie des bandes aux matériaux à faible bande interdite et relie la structure électronique microscopique au fonctionnement des diodes, des transistors et des dispositifs optoélectroniques, tout en laissant les détails de l'ingénierie des dispositifs aux domaines appliqués.
Sub-topics
Core questions
- Comment la faible bande interdite d'un semi-conducteur rend-elle sa concentration de porteurs sensible à la température et au dopage ?
- Quel est le rôle des trous, et comment les impuretés donneuses et accepteuses créent-elles des matériaux de type n et de type p ?
- Comment une jonction p-n redresse-t-elle le courant par la courbure des bandes et un potentiel intégré ?
- Qu'est-ce qui détermine l'absorption optique et la mobilité des porteurs qui régissent les dispositifs semi-conducteurs ?
Key concepts
- Bande interdite, bande de conduction et bande de valence
- Électrons et trous comme porteurs de charge
- Dopage donneur et accepteur (type n et type p)
- Niveau de Fermi et statistiques des porteurs
- Jonction p-n, potentiel intégré et redressement
Key theories
- Statistiques des porteurs et loi d'action de masse
- Les concentrations d'équilibre des électrons et des trous découlent de la densité d'états et des statistiques de Fermi-Dirac ; leur produit est fixe à une température donnée, de sorte qu'un dopage qui augmente un type de porteur supprime l'autre.
- Redressement de la jonction p-n
- La jonction de matériaux de type p et de type n aligne le niveau de Fermi, courbant les bandes et créant une région de déplétion avec un champ intégré qui permet au courant de circuler facilement dans une seule direction, ce qui est la base de la diode.
Clinical relevance
La physique des semi-conducteurs est le fondement de toute l'industrie de l'électronique et des technologies de l'information : les diodes, les transistors, les circuits intégrés, les cellules solaires, les diodes électroluminescentes, les lasers et les photodétecteurs reposent tous sur la physique des porteurs et des jonctions développée dans ce domaine.
History
La théorie quantique des bandes a expliqué le comportement semi-conducteur dans les années 1930, et l'invention des transistors à pointe de contact et à jonction par Bardeen, Brattain et Shockley aux Bell Labs en 1947-1948 a fait de la physique des semi-conducteurs la base de l'électronique moderne et de la révolution microélectronique subséquente.
Key figures
- William Shockley
- John Bardeen
- Walter Brattain
Related topics
Seminal works
- sze2007
- ashcroft1976
Frequently asked questions
- Qu'est-ce qu'un trou ?
- Un trou est l'absence d'un électron dans une bande de valence autrement remplie ; il se comporte comme un porteur mobile chargé positivement, et suivre les trous est bien plus simple que de suivre les nombreux électrons qui se déplacent pour les combler.
- Pourquoi l'ajout de quantités infimes d'impuretés modifie-t-il si radicalement la conductivité ?
- Les atomes donneurs ou accepteurs introduisent des niveaux d'énergie juste à l'intérieur de la bande interdite qui sont facilement ionisés à température ambiante, de sorte qu'un dopage même de quelques parties par million peut modifier la concentration de porteurs libres de plusieurs ordres de grandeur.