Qu’est-ce qu’un matériau semi-conducteur – Semi-conducteur pur et dopé – 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 intervalle d’énergie ou bande interdite est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conductionoù 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.

Matériaux semi-conducteurs

Il existe de nombreux types de semi-conducteurs dans la nature et d’autres synthétisés dans les laboratoires; cependant, les plus connus sont le silicium (Si) et le germanium (Ge).

Types de semi-conducteurs:

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  Silicium. Le silicium est un élément chimique de numéro atomique 14, ce qui signifie qu’il y a 14 protons et 14 électrons dans la structure atomique. Le symbole chimique du silicium est Si . Le silicium est un solide cristallin dur et cassant avec un éclat métallique bleu-gris, c’est un métalloïde tétravalent et un semi-conducteur. Le silicium est principalement utilisé pour les détecteurs de particules chargées (en particulier pour le suivi des particules chargées) et les détecteurs de rayons X mous. La grande énergie de bande interdite (Egap = 1,12 eV) nous permet de faire fonctionner le détecteur à température ambiante, mais le refroidissement est préférable pour réduire le bruit. Les détecteurs à base de silicium sont très importants en physique des hautes énergies. Étant donné que les détecteurs à base de silicium sont très bons pour suivre les particules chargées, ils constituent une partie importante du système de détection du LHC au CERN.

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  Germanium. Le germanium est un élément chimique de numéro atomique 32, ce qui signifie qu’il y a 32 protons et 32 ​​électrons dans la structure atomique. Le symbole chimique du germanium est Ge . Le germanium est un métalloïde brillant, dur, blanc grisâtre dans le groupe du carbone, chimiquement similaire à son groupe voisin de l’étain et du silicium. Le germanium pur est un semi-conducteur d’aspect similaire au silicium élémentaire. Le germanium est largement utilisé pour la spectroscopie des rayons gamma. En spectroscopie gamma, le germanium est préféré en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. Le germanium est plus utilisé que le silicium pour la détection des radiations car l’énergie moyenne nécessaire à la création d’une paire électron-trou est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium, ce qui offre à ce dernier une meilleure résolution en énergie. En revanche, 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.

• Diamant . Le diamant est une forme solide de l’élément carbone avec ses atomes disposés dans une structure cristalline appelée diamant cubique. Les diamants sont également de très bons isolants électriques, ce qui est étrangement à la fois utile et problématique pour les appareils électriques. Le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (Egap = 5,47 eV) à fort potentiel comme matériau de dispositif électronique dans de nombreux dispositifs. Les détecteurs au diamant présentent de nombreuses similitudes avec les détecteurs au silicium, mais devraient offrir des avantages importants, en particulier une dureté de rayonnement élevée et des courants de dérive très faibles.
• CdTe et CdZnTe. Le tellurure de cadmium (CdTe) et le tellurure de cadmium zinc (CdZnTe) sont considérés comme des matériaux semi-conducteurs prometteurs pour la détection des rayons X durs et des rayons gamma. Le nombre atomique élevé et la densité élevée de ces matériaux permettent d’atténuer efficacement les rayons X et les rayons gamma avec des énergies supérieures à 20 keV que les capteurs traditionnels à base de silicium sont incapables de détecter. Cela augmente considérablement leur efficacité quantique par rapport à celle à base de silicium. La grande énergie de bande interdite (Egap = 1,44 eV) nous permet de faire fonctionner le détecteur à température ambiante. En revanche, une perte de charge considérable dans ces détecteurs produit une résolution d’énergie réduite.

Semi-conducteur pur

Un semi – conducteur intrinsèque est un semi – conducteur complètement pur sans aucune espèce de dopant significative présente. Par conséquent, les semi-conducteurs intrinsèques sont également appelés semi-conducteurs purs ou semi-conducteurs de type i.

Le nombre de porteurs de charge à une certaine température est donc déterminé par les propriétés du matériau lui-même au lieu de la quantité d’impuretés. Notez que, un échantillon de 1 cm ³ de germanium pur à 20 ° C contient environ 4,2 × 10 ²² atomes, mais contient également environ 2,5 x 10 ¹³ électrons libres et 2,5 x 10 ¹³ trous. Ces porteurs de charge sont produits par excitation thermique. Dans les semi-conducteurs intrinsèques, le nombre d’électrons excités et le nombre de trous sont égaux: n = p . 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 atome ou un réseau atomique. Cette égalité peut même être le cas après dopage du semi-conducteur, mais seulement s’il est dopé à la fois avec les donneurs et les accepteurs. Dans ce cas, n = p est toujours valable et le semi-conducteur reste intrinsèque, bien que dopé.

Les semi-conducteurs ont un écart d’énergie inférieur à 4 eV (environ 1 eV). Les bandes interdites sont naturellement différentes pour différents matériaux. Par exemple, le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite (Egap = 5,47 eV) à fort potentiel 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. 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 semi-conducteurs intrinsèques, cependant, ne sont pas très utiles, car ils ne sont ni de très bons isolants ni de très bons conducteurs. Cependant, une caractéristique importante des semi-conducteurs est que leur conductivité peut être augmentée et contrôlée par dopage avec des impuretés et déclenchement avec des champs électriques. Rappelons qu’un échantillon de 1 cm ³ de germanium pur à 20 ° C contient environ 4,2 × 10 ²² atomes, mais contient également environ 2,5 x 10 ¹³ électrons libres et 2,5 x 10 ¹³ trous générés en permanence à partir de l’énergie thermique. L’absorption totale d’un photon de 1 MeV produit environ 3 x 10 ⁵ paires électron-trou . Cette valeur est mineure par rapport au nombre total de porteurs gratuits dans un 1 cm ³semi-conducteur intrinsèque. Comme on peut le voir, le rapport signal / bruit (S / N) serait minime. L’ajout de 0,001% d’arsenic (une impureté) donne 10 ¹⁷ électrons libres supplémentaires dans le même volume et la conductivité électrique est augmentée d’un facteur 10 000. Dans un matériau dopé, le rapport signal / bruit (S / N) serait encore plus petit. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible, ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur. Le dopage et le déclenchement rapprochent la bande de conduction ou de valence beaucoup plus près du niveau de Fermi et augmentent considérablement le nombre d’états partiellement remplis.

Semi-conducteurs dopés

Un semi-conducteur extrinsèque , ou semi – conducteur dopé , est un semi-conducteur, qui a été intentionnellement dopé dans le but de moduler ses propriétés électriques, optiques et structurelles. Dans le cas des détecteurs semi-conducteurs de rayonnement ionisant, le dopage est l’introduction intentionnelle d’impuretés dans un semi-conducteur intrinsèque dans le but de modifier leurs propriétés électriques. Par conséquent, les semi-conducteurs intrinsèques sont également appelés semi-conducteurs purs ou semi-conducteurs de type i.

L’ajout d’un petit pourcentage d’atomes étrangers dans le réseau cristallin régulier de silicium ou de germanium produit des changements spectaculaires dans leurs propriétés électriques, car ces atomes étrangers incorporés dans la structure cristalline du semi-conducteur fournissent des porteurs de charge gratuits (électrons ou trous d’électrons) dans le semi-conducteur. Dans un semi-conducteur extrinsèque, ce sont ces atomes dopants étrangers dans le réseau cristallin qui fournissent principalement les porteurs de charge qui transportent le courant électrique à travers le cristal. En général, il existe deux types d’atomes dopants, ce qui entraîne deux types de semi-conducteurs extrinsèques. Ces dopants qui produisent les changements contrôlés souhaités sont classés comme accepteurs d’électrons ou donneurs et les semi-conducteurs dopés correspondants sont appelés:

• Semi-conducteurs de type n .
• Semi-conducteurs de type p .

Les semi – conducteurs extrinsèques sont des composants de nombreux appareils électriques courants, ainsi que de nombreux détecteurs de rayonnement ionisant. À ces fins, une diode à semi-conducteur (dispositifs qui ne permettent le courant que dans une seule direction) est généralement constituée de semi-conducteurs de type p et de type n placés en jonction l’un avec l’autre.