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.
Semi-conducteur intrinsèque – 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 donateurs 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 4eV (environ 1eV). 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 intervalle 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 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.