Cours de physique électronique

1-B:Le Matériau semi-conducteur Extrinsèque
1 – Densité des porteurs
1 –1 Niveaux d’énergie introduits par les impuretés et les imperfections du cristal.
Les cristaux de silicium (de germanium ou d’arséniure de gallium…) utilisés pour la fabrication des composants et des circuits intégrés, contiennent de nombreuses imperfections consistant en impuretés ou en défauts de cristallisation du réseau. Certaines de ces impuretés seront d’ailleurs introduites volontairement dans le réseau afin de conférer au matériau des propriétés particulières.
Les impuretés néfastes proviennent soit du matériau de base, soit de la chaîne de traitement permettant l’obtention du cristal.
Nous avons vu dans ce qui précède que la densité intrinsèque des porteurs vaut, pour le silicium: ni= 1,6 10 . Pour que les impuretés puissent être considérées comme négligeables dans ce matériau, elles doivent être en quantité beaucoup plus faibles (1/100, 1/1000 …), soit des densités de l’ordre de 10 7 ou 10 8cm -3. On peut comparer ce chiffre avec le nombre d’atomes de silicium par cm 3. Celui-ci se calcule aisément à partir de la connaissance du système de cristallisation du silicium.
Le silicium cristallise dans un système « cubique faces centrées » décalé d’un quart de diagonale. La figure ci contre montre la structure de la maille de base.
L’arête du cube vaut 5,43 Angstrom. Un rapide calcul s’appuyant sur la cristallographie montre que cette structure correspond à 8 atomes par maille. On peut donc calculer le nombre d’atomes par cm
En comparant ce nombre à celui de la densité intrinsèque, on s’aperçoit que le degré de pureté à atteindre pour obtenir un matériau intrinsèque est de l’ordre de..
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Le Matériau semi-conducteur Extrinsèque
Toutes ces imperfections (impuretés résiduelles, défauts de cristallisation,…) perturbent localement la périodicité du potentiel et, de ce fait, introduisent des niveaux énergétiques qui peuvent être accessibles aux électrons. Par opposition avec les niveaux correspondant au matériau pur, nous parlerons de « niveaux extrinsèques ». On peut généralement admettre que ces imperfections étant en nombre relativement faibles par rapport au nombre d’atomes du réseau, elles génèrent des niveaux discrets et non des bandes d’énergie.
Dans tout ce qui suit, nous nous intéresserons à des matériaux qui satisfont cette condition (matériaux non dégénérés).
Les niveaux extrinsèques peuvent se situer soit dans les bandes permises, soit dans la bande  interdite. Leur influence sur les caractéristiques du matériau seront totalement différentes.
Les niveaux apparaissant dans les bandes permises auront très peu d’effet compte tenu de leur dilution. Ils viennent se rajouter au niveaux intrinsèque qui sont en nombre très important par rapport à eux ( 1000 à 100000fois plus).
Par contre, en ce qui concerne les niveaux apparaissant dans la bande interdite, leur influence va être très importante. On pourra toutefois les classer en deux catégories suivant leur position dans la bande interdite:
– Niveaux de bords de bande ou « Shallow levels »,situés à quelques centièmes d’Électron Volt de E,
– Niveaux profonds ou « Deep levels », situés vers le milieu de la bande interdite.
La figure ci dessous montre, à titre d’exemple, les différents niveaux extrinsèques qui apparaissent dans la bande interdite du silicium. On remarquera le nombre important de niveaux et le fait que certains corps donnent naissance à plusieurs niveaux.
Le Matériau semi-conducteur Extrinsèque
•Les niveaux profonds: Ce sont généralement des métaux. Ils peuvent avoir une action sur la conductivité du matériau (compensation de l’effet des niveaux de bord de bande), mais leur rôle le plus important se situera au niveau de la durée de vie des porteurs en excès.
•Les niveaux de bord de bande: Distants de moins de 0,1 eV de Ec ou Ev, ils peuvent interagir facilement avec les bandes permises et conditionnent la conductivité extrinsèque du matériau. Ils vont permettre de générer soit des électrons soit des trous. Ce sont, pour le silicium, surtout le Phosphore, le Bore, le Gallium, l’Aluminium…
Nous allons, dans un premier temps, nous intéresser à ce deuxième type de niveaux et plus particulièrement, au Bore et au Phosphore dans le silicium. Ces deux impuretés appartiennent, dans la classification périodique de éléments, aux colonnes adjacentes à celle du silicium:
colonne III pour le Bore, colonne V pour le phosphore. Ils possèdent donc soit un électron de plus, soit un électron de moins que le silicium.
De plus, ils se situent très près des bords de bandes: 0,O44 eV de Ec
pour le Phosphore, 0,045 eV de Ev pour le Bore, (Figure ci contre).
Considérons le cas du Phosphore dans le silicium.
Si on introduit une quantité relativement faible de phosphore dans le silicium, celui-ci  va se substituer à des atomes de silicium. Or, il possède 5 électrons de valence. Quatre d’entre-eux vont être utilisés pour les liaisons avec les atomes voisins et le cinquième pourra facilement être libéré compte tenu du faible écart d’énergie entre le niveau E et la bande de conduction. Soit N la concentration en atomes de phosphore; Un faible apport d’énergie va libérer l’électron excédentaire qui va passer sur le niveau de conduction et de ce fait devenir libre..

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