Qu’est-ce que le semi-conducteur – Propriétés des semi-conducteurs – Définition

En général, les semi – conducteurs sont des matériaux, inorganiques ou organiques, qui ont la capacité de contrôler leur conduction en fonction de la structure chimique, de la température, de l’illumination et de la présence de dopants. Le nom semi-conducteur vient du fait que ces matériaux ont une conductivité électrique entre celle d’un métal, comme le cuivre, l’or, etc. et un isolant, comme le verre. Ils ont un écart énergétique inférieur à 4eV (environ 1eV). En physique du solide, cet écart d’énergie ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les propriétés des semi – conducteurs sont déterminées par l’écart d’énergie entre les bandes de valence et de conduction. Pour comprendre ce qu’est le semi-conducteur, il faut définir ces termes.

Propriétés des semi-conducteurs

Pour comprendre la différence entre les métaux , les semi – conducteurs et les isolants électriques , nous devons définir les termes suivants à partir de la physique du solide:

• Bande de Valence . En physique du solide, la bande de valence et la bande de conduction sont les bandes les plus proches du niveau de Fermi et déterminent ainsi la conductivité électrique du solide. Dans les isolateurs électriques et les semi-conducteurs, la bande de valence est la gamme la plus élevée d’énergies électroniques dans laquelle les électrons sont normalement présents à une température zéro absolue. Par exemple, un atome de silicium a quatorze électrons. A l’état fondamental, ils sont disposés dans la configuration électronique [Ne] 3s ² 3p ² . Parmi ceux-ci, quatre sont des électrons de valence, occupant l’orbitale 3s et deux des orbitales 3p. La distinction entre les bandes de valence et de conduction n’a pas de sens dans les métaux, car la conduction se produit dans une ou plusieurs bandes partiellement remplies qui prennent à la fois les propriétés des bandes de valence et de conduction.
• Bande de conduction . En physique du solide, la bande de valence et la bande de conduction sont les bandes les plus proches du niveau de Fermi et déterminent ainsi la conductivité électrique du solide. Dans les isolateurs électriques et les semi-conducteurs, la bande de conduction est la plage la plus basse d’ états électroniques vacants . Sur un graphique de la structure de la bande électronique d’un matériau, la bande de valence est située en dessous du niveau de Fermi, tandis que la bande de conduction est située au-dessus. Dans les semi-conducteurs, les électrons peuvent atteindre la bande de conduction, lorsqu’ils sont excités , par exemple, par des rayonnements ionisants (c’est-à-dire qu’ils doivent obtenir une énergie supérieure à l’ _intervalle E). Par exemple, le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (E _gap  = 5,47 eV) avec un potentiel élevé comme matériau de dispositif électronique dans de nombreux dispositifs. De l’autre côté, le germanium a une petite énergie de bande interdite (E _gap = 0,67 eV), ce qui nécessite de faire fonctionner le détecteur à des températures cryogéniques. La distinction entre les bandes de valence et de conduction n’a pas de sens dans les métaux, car la conduction se produit dans une ou plusieurs bandes partiellement remplies qui prennent à la fois les propriétés des bandes de valence et de conduction.
• Écart de bande . En physique du solide, l’ écart énergétique ou la bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons d’un semi-conducteur doivent obtenir de l’énergie (par exemple à partir de rayonnements ionisants) pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction. Les bandes interdites sont naturellement différentes pour différents matériaux. Par exemple, le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (E _gap  = 5,47 eV) avec un potentiel élevé comme matériau de dispositif électronique dans de nombreux dispositifs. De l’autre côté, le germanium a une petite énergie de bande interdite (E _gap = 0,67 eV), ce qui nécessite de faire fonctionner le détecteur à des températures cryogéniques.
• Niveau de Fermi . Le terme «niveau de Fermi» vient des statistiques de Fermi-Dirac , qui décrivent une distribution des particules sur les états énergétiques dans des systèmes constitués de fermions (électrons) qui obéissent au principe d’exclusion de Pauli . Puisqu’ils ne peuvent pas exister dans des états d’énergie identiques, le niveau de Fermi est le terme utilisé pour décrire le sommet de la collection des niveaux d’énergie des électrons à une température zéro absolue . Le niveau de Fermi est la surface de la mer de Fermiau zéro absolu où aucun électron n’aura suffisamment d’énergie pour s’élever au-dessus de la surface. Dans les métaux, le niveau de Fermi se situe dans la bande de conduction hypothétique donnant naissance à des électrons de conduction libres. Dans les semi-conducteurs, la position du niveau de Fermi est dans la bande interdite, approximativement au milieu de la bande interdite.
• Paire d’électrons-trous . Dans le semi-conducteur, les porteurs de charge gratuits sont les électrons et les trous d’ électrons (paires électron-trou). Les électrons et les trous sont créés par l’ excitation d’électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Un trou d’électrons (souvent simplement appelé trou) est le manque d’électrons à une position où l’on pourrait exister dans un atomeou un réseau atomique. C’est l’un des deux types de porteurs de charge qui sont responsables de la création de courant électrique dans les matériaux semi-conducteurs. Étant donné que dans un atome normal ou un réseau cristallin, la charge négative des électrons est équilibrée par la charge positive des noyaux atomiques, l’absence d’électron laisse une charge positive nette à l’emplacement du trou. Les trous chargés positivement peuvent se déplacer d’atome en atome dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position. Lorsqu’un électron rencontre un trou, il se recombine et ces porteurs libres disparaissent efficacement. La recombinaison signifie qu’un électron qui a été excité de la bande de valence à la bande de conduction retombe à l’état vide dans la bande de valence, connu sous le nom de trous.

La conductivité d’un semi-conducteur peut être modélisée en fonction de la théorie des bandes des solides . Le modèle de bande d’un semi-conducteur suggère qu’à des températures ordinaires, il existe une possibilité limitée que les électrons puissent atteindre la bande de conduction et contribuer à la conduction électrique. Dans le semi-conducteur, des porteurs de charge gratuits (paires électron-trou) sont créés par excitation d’électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Cette excitation a laissé un trou dans la bande de valence qui se comporte comme une charge positive et une paire électron-trou est créée. Les trous peuvent parfois prêter à confusion car ce ne sont pas des particules physiques à la manière des électrons, mais plutôt l’absence d’un électron dans un atome. Les trous peuvent se déplacer d’atome en atome dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position.

Excitation d’électrons dans les semi-conducteurs

L’énergie pour l’excitation peut être obtenue de différentes manières.

Excitation thermique

Les paires électron-trou sont également générées en permanence à partir de l’énergie thermique, en l’absence de toute source d’énergie externe. L’excitation thermique ne nécessite aucune autre forme d’impulsion de démarrage. Ce phénomène se produit également à température ambiante. Elle est causée par des impuretés, une irrégularité du réseau de structure ou par un dopant. Cela dépend fortement de l’ _espace E (une distance entre la valence et la bande de conduction), de sorte que pour un _espace E plus faibleun certain nombre de porteurs de charge excités thermiquement augmente. Étant donné que l’excitation thermique entraîne le bruit du détecteur, un refroidissement actif est nécessaire pour certains types de semi-conducteurs (par exemple le germanium). Les détecteurs à base de silicium ont un bruit suffisamment faible même à température ambiante. Cela est dû à la large bande interdite de silicium (Egap = 1,12 eV), qui nous permet de faire fonctionner le détecteur à température ambiante, mais le refroidissement est préférable pour réduire le bruit.

Excitation optique

Notez que l’énergie d’un seul photon du spectre de lumière visible est comparable à ces bandes interdites. Les photons de longueurs d’onde de 700 nm à 400 nm ont des énergies de 1,77 eV 3,10 eV. En conséquence, la lumière visible est également capable d’exciter des électrons vers la bande de conduction. En fait, c’est le principe des panneaux photovoltaïques qui génèrent du courant électrique.

Excitation par rayonnement ionisant

Les électrons peuvent atteindre la bande de conduction, lorsqu’ils sont excités par des rayonnements ionisants (c’est-à-dire qu’ils doivent obtenir une énergie supérieure à Egap). En général, les particules lourdes chargées transfèrent l’énergie principalement par:

• Excitation. La particule chargée peut transférer de l’énergie à l’atome, élevant les électrons à des niveaux d’énergie plus élevés.
• Ionisation. L’ionisation peut se produire lorsque les particules chargées ont suffisamment d’énergie pour retirer un électron. Il en résulte une création de paires d’ions dans la matière environnante.

Une variable pratique qui décrit les propriétés d’ionisation du milieu environnant est le pouvoir d’arrêt . L’expression classique qui décrit la perte d’énergie spécifique est connue sous le nom de formule de Bethe . Pour les particules alpha et les particules plus lourdes, le pouvoir d’arrêt de la plupart des matériaux est très élevé pour les particules chargées lourdes et ces particules ont des portées très courtes.

En plus de ces interactions, les particules bêta perdent également de l’énergie par un processus radiatif connu sous le nom de bremsstrahlung . D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit rayonner de l’énergie et le rayonnement de décélération est connu sous le nom de bremsstrahlung («rayonnement de freinage») .

Les photons (rayons gamma et rayons X) peuvent ioniser les atomes directement (bien qu’ils soient électriquement neutres) par l’effet photoélectrique et l’effet Compton, mais l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante. Bien qu’un grand nombre d’interactions possibles soient connues, il existe trois mécanismes d’interaction clés avec la matière.

• Effet photoélectrique
• Diffusion de Compton
• Production de paires

Dans tous les cas, une particule de rayonnement ionisant dépose une partie de son énergie le long de son trajet. Les particules traversant le détecteur ionisent les atomes de semi-conducteur, produisant les paires électron-trou . Par exemple, l’épaisseur typique du détecteur de silicium est d’environ 300 µm, de sorte que le nombre de paires électron-trou générées par des particules ionisantes minimales (MIP) passant perpendiculairement à travers le détecteur est d’environ 3,2 x 10 ⁴ . Cette valeur est mineure par rapport au nombre total de porteurs libres en semi-conducteur intrinsèque d’une surface de 1 cm ² et de même épaisseur. Notez que, un échantillon de germanium pur à 20 ° C contient environ 1,26 × 10 ²¹ atomes, mais contient également 7,5 x 10 ¹¹électrons libres et 7,5 x 10 ¹¹ trous générés en permanence par l’ énergie thermique . Comme on peut le voir, le rapport signal / bruit (S / N) serait minime. L’addition de 0,001% de l’ arsenic (impureté) fait don un supplément de 10 ¹⁵ électrons libres dans le même volume et la conductivité électrique est augmentée par un facteur de 10 000. Dans un matériau dopé, le rapport signal / bruit (S / N) serait encore plus petit. Le refroidissement du semi – conducteur est un moyen de réduire ce rapport.

Une amélioration peut être obtenue en utilisant une tension de polarisation inverse à la jonction PN pour épuiser le détecteur de porteurs libres, qui est le principe de la plupart des détecteurs de rayonnement en silicium. Dans ce cas, une tension négative est appliquée du côté p et positive au second. Les trous dans la région p sont attirés par la jonction vers le contact p et de même pour les électrons et le contact n.