Dans cet article, nous apprenons en détail les principes de fonctionnement fondamentaux des dispositifs à semi-conducteurs et comment la structure interne des semi-conducteurs fonctionne sous l'influence de l'électricité.
La valeur de résistivité entre ces matériaux semi-conducteurs n'a ni de caractéristique de conducteur complet ni d'isolant complet, elle se situe entre ces deux limites.
Cette caractéristique peut définir la propriété semi-conductrice du matériau, mais il serait intéressant de savoir comment un semi-conducteur fonctionne entre un conducteur et un isolant.
Résistivité
Selon la loi d'Ohm, la résistance électrique d'un appareil électronique est définie comme le rapport entre la différence de potentiel à travers le composant et le courant traversant le composant.
Maintenant, l'utilisation de la mesure de résistance peut poser un problème, sa valeur change à mesure que la dimension physique du matériau résistif change.
Par exemple, lorsqu'un matériau résistif est augmenté en longueur, sa valeur de résistance augmente également proportionnellement.
De même, lorsque son épaisseur augmente, sa valeur de résistance diminue proportionnellement.
Il s'agit ici de définir un matériau qui puisse indiquer une propriété soit de conduction, soit d'opposition au courant électrique quelles que soient sa taille, sa forme ou son aspect physique.
L'amplitude pour exprimer cette valeur de résistance particulière est connue sous le nom de résistivité, qui a le synbol ρ, (Rho)
L'unité de mesure de la résistivité est l'Ohm-mètre (Ω.m), et elle peut être comprise comme un paramètre qui inverse la conductivité.
Afin d'obtenir les comparaisons entre les résistivités de plusieurs matériaux, ceux-ci sont classés en 3 catégories principales: conducteurs, isolants et semi-conducteurs. Le tableau ci-dessous fournit les détails requis:
Comme vous pouvez le voir dans la figure ci-dessus, il existe une différence négligeable entre la résistivité des conducteurs comme l'or et l'argent, alors qu'il peut y avoir une différence significative dans la résistivité entre les isolants tels que le quartz et le verre.
Cela est dû à leur réponse à la température ambiante qui fait des métaux des conducteurs extrêmement efficaces que les isolants.
Conducteurs
D'après le tableau ci-dessus, nous comprenons que les conducteurs ont le moins de résistivité, qui peut être généralement en microohms / mètre.
En raison de leur faible résistivité, le courant électrique est capable de les traverser facilement, en raison de la disponibilité d'une grande quantité d'électrons.
Cependant, ces électrons ne peuvent être poussés que lorsqu'il y a une pression à travers le conducteur, et cette pression peut être formée en appliquant une tension à travers le conducteur.
Ainsi, lorsqu'un conducteur est appliqué avec une différence de potentiel positive / négative, les électrons libres de chaque atome du conducteur sont forcés de se déloger de leurs atomes parents et ils commencent à dériver à l'intérieur du conducteur, et est généralement connu sous le nom de flux de courant. .
Le degré auquel ces électrons sont capables de se déplacer dépend de la facilité avec laquelle ils peuvent être libérés de leurs atomes, en réponse à une différence de tension.
Les métaux sont généralement considérés comme de bons conducteurs d'électricité, et parmi les métaux, l'or, l'argent, le cuivre et l'aluminium sont les meilleurs conducteurs.
Étant donné que ces conducteurs ont très peu d'électrons dans la bande de valence de leurs atomes, ils sont facilement délogés par une différence de potentiel et ils commencent à sauter d'un atome à l'atome suivant grâce à un processus appelé `` effet domino '', ce qui entraîne un flux de courant à travers le conducteur.
Bien que l'or et l'argent soient les meilleurs conducteurs d'électricité, le cuivre et l'aluminium sont préférés pour la fabrication de fils et de câbles en raison de leur faible coût et de leur abondance, ainsi que de leur robustesse physique.
Malgré le fait que le cuivre et l'aluminium sont de bons conducteurs d'électricité, ils ont encore une certaine résistance, car rien ne peut être idéal à 100%.
Bien que faible, la résistance offerte par ces conducteurs peut devenir significative avec l'application de courants plus élevés. Finalement, la résistance à un courant plus élevé sur ces conducteurs est dissipée sous forme de chaleur.
Isolateurs
Contrairement aux conducteurs, les isolants sont de mauvais conducteurs d'électricité. Ceux-ci sont généralement sous forme de non-métaux et ont très peu d'électrons vulnérables ou libres avec leurs atomes parents.
Ce qui signifie que les électrons de ces non métaux sont étroitement liés à leurs atomes parents, qui sont extrêmement difficiles à déloger avec l'application de tension.
En raison de cette caractéristique, lorsque la tension électrique est appliquée, les électrons ne parviennent pas à s'éloigner des atomes, ce qui n'entraîne aucun flux d'électrons et donc aucune conduction n'a lieu.
Cette propriété conduit à une valeur de résistance à l'isolant très élevée, de l'ordre de plusieurs millions d'Ohms.
Des matériaux comme le verre, le marbre, le PVC, les plastiques, le quartz, le caoutchouc, le mica, la bakélite sont des exemples de bons isolants.
Tout comme les conducteurs, les isolateurs jouent également un rôle important dans le domaine de l'électronique. Sans isolant, il serait impossible d'isoler les différences de tension entre les étages du circuit, ce qui entraînerait des courts-circuits.
Par exemple, nous voyons l'utilisation de la porcelaine et du verre dans les tours à haute tension pour transmettre le courant alternatif en toute sécurité à travers les câbles. Dans les fils, nous utilisons du PVC pour isoler les bornes positives et négatives, et dans les PCB, nous utilisons la bakélite afin d'isoler les pistes en cuivre les unes des autres.
Bases des semi-conducteurs
Des matériaux comme le silicium (Si), le germanium (Ge) et l'arséniure de gallium font partie des matériaux semi-conducteurs de base. C'est parce que ces matériaux ont la particularité de conduire l'électricité intermédiairement ne donnant lieu ni à une bonne conduction ni à une bonne isolation. En raison de cette propriété, ces matériaux sont appelés semi-conducteurs.
Ces matériaux présentent très peu d'électrons libres à travers leurs atomes, qui sont étroitement regroupés dans une sorte de formation de réseau cristallin. Pourtant, les électrons peuvent se déloger et s'écouler, mais uniquement lorsque des conditions spécifiques sont utilisées.
Cela dit, il devient possible d'améliorer le taux de conduction dans ces semi-conducteurs en introduisant ou en substituant une sorte d'atomes `` donneurs '' ou `` accepteurs '' à la disposition cristalline, permettant la libération d'`` électrons libres '' supplémentaires et de `` trous '' ou vice versa.
Ceci est mis en œuvre en introduisant une certaine quantité d'un matériau externe dans le matériau existant tel que le silicium ou le germanium.
En soi, des matériaux comme le silicium et le germanium sont classés comme des semi-conducteurs intrinsèques, en raison de leur nature chimique extrêmement pure et de la présence d'un matériau semi-conducteur complet.
Cela signifie également qu'en y appliquant une quantité contrôlée d'impureté, nous sommes en mesure de déterminer le taux de conduction dans ces matériaux intrinsèques.
Nous pouvons introduire des types d'impuretés appelées donneurs ou accepteurs dans ces matériaux pour les améliorer avec des électrons libres ou des trous libres.
Dans ces procédés, lorsqu'une impureté est ajoutée à un matériau intrinsèque dans la proportion de 1 atome d'impureté par 10 millions d'atome de matériau semi-conducteur, elle est appelée Se doper .
Avec l'introduction d'impuretés suffisantes, un matériau semi-conducteur pourrait être transformé en un matériau de type N ou de type P.
Le silicium est l'un des matériaux semi-conducteurs les plus populaires, ayant 4 électrons de valence à travers sa couche la plus externe, et également entouré d'atomes adjacents formant une orbite totale de 8 électrons.
La liaison entre les deux atomes de silicium est développée de telle manière qu'elle permet le partage d'un électron avec son atome adjacent, conduisant à une bonne liaison stable.
Dans sa forme pure, un cristal de silicium peut avoir très peu d'électrons de valence libres, ce qui lui attribue les propriétés d'un bon isolant, ayant des valeurs de résistance extrêmes.
Connecter un matériau silicium à une différence de potentiel n'aidera aucune conduction à travers celui-ci, à moins qu'une sorte de polarités positives ou négatives n'y soit créée.
Et pour créer de telles polarités, le processus de dopage est mis en œuvre dans ces matériaux en ajoutant des impuretés comme discuté dans les paragraphes précédents.
Comprendre la structure de l'atome de silicium
Dans les images ci-dessus, nous voyons à quoi ressemble la structure d'un réseau cristallin de silicium pur régulier. Pour l'impureté, normalement des matériaux comme l'arsenic, l'antimoine ou le phosphore sont introduits dans les cristaux semi-conducteurs, les transformant en extrinsèques, ce qui signifie «avoir des impuretés».
Les impuretés mentionnées sont constituées de 5 électrons sur leur bande la plus externe connue sous le nom d'impureté «pentavalente», à partager avec leurs atomes adjacents.
Cela garantit que 4 des 5 atomes sont capables de se joindre aux atomes de silicium adjacents, à l'exclusion d'un seul «électron libre» qui peut être libéré lorsqu'une tension électrique est connectée.
Dans ce processus, parce que les atomes impurs commencent à «donner» chaque électron à travers leur atome voisin, les atomes «pentavalents» sont appelés «donneurs».
Utilisation de l'antimoine pour le dopage
L'antimoine (Sb) et le phosphore (P) deviennent souvent le meilleur choix pour introduire une impureté «pentavalente» dans le silicium. 
Dans l'antimoine, 51 électrons sont installés à travers 5 coquilles autour de son noyau, tandis que sa bande la plus externe se compose de 5 électrons.
Pour cette raison, le matériau semi-conducteur de base est capable d'acquérir des électrons porteurs de courant supplémentaires, chacun étant attribué à une charge négative. Par conséquent, il est appelé «matériau de type N».
De plus, les électrons sont appelés «porteurs majoritaires» et les trous qui se développent par la suite sont appelés «porteurs minoritaires».
Lorsqu'un semi-conducteur dopé à l'antimoine est soumis à un potentiel électrique, les électrons qui se trouvent renversés sont instantanément remplacés par les électrons libres des atomes d'antimoine. Cependant, étant donné que le processus maintient finalement un électron libre flottant dans le cristal dopé, cela en fait un matériau chargé négativement.
Dans ce cas, un semi-conducteur peut être qualifié de type N s'il a une densité de donneur supérieure à sa densité d'accepteur. Cela signifie quand il y a un plus grand nombre d'électrons libres par rapport au nombre de trous, provoquant une polarisation négative, comme indiqué ci-dessous.
Comprendre le semi-conducteur de type P
Si nous considérons la situation à l'inverse, introduire une impureté `` trivalente '' à 3 électrons dans un cristal semi-conducteur, par exemple si nous introduisons de l'aluminium, du bore ou de l'indium, qui contiennent 3 électrons dans leur liaison de valence, donc une 4ème liaison devient impossible à former.
Pour cette raison, une connexion complète devient difficile, permettant au semi-conducteur d'avoir beaucoup de porteurs chargés positivement. Ces porteurs sont appelés `` trous '' sur tout le réseau semi-conducteur, en raison d'un grand nombre d'électrons manquants.
Maintenant, en raison de la présence de trous dans le cristal de silicium, un électron proche est attiré vers le trou, essayant de remplir la fente. Cependant, dès que les électrons essaient de le faire, il quitte sa position en créant un nouveau trou dans sa position précédente.
Cela attire à son tour le prochain électron proche, qui laisse à nouveau un nouveau trou tout en essayant d'occuper le trou suivant. Le processus se poursuit en donnant l'impression qu'en fait les trous se déplacent ou coulent à travers le semi-conducteur, ce que nous reconnaissons généralement comme le schéma d'écoulement conventionnel du courant.
Lorsque les «trous semblent bouger», il en résulte une pénurie d'électrons permettant à l'ensemble du cristal dopé d'acquérir une polarité positive.
Étant donné que chaque atome d'impureté devient responsable de la génération d'un trou, ces impuretés trivalentes sont appelées `` accepteurs '' en raison du fait qu'ils continuent d'accepter des électrons libres en continu dans le processus.
Le bore (B) est l'un des additifs trivalents couramment utilisés pour le processus de dopage expliqué ci-dessus.
Lorsque le bore est utilisé comme matériau dopant, la conduction a principalement des porteurs chargés positivement.
Il en résulte la création d'un matériau de type P ayant des trous positifs appelés «porteurs majoritaires», tandis que les électrons libres sont appelés «porteurs minoritaires».
Cela explique comment un matériau de base semi-conducteur se transforme en un type P en raison d'une densité accrue de ses atomes accepteurs par rapport aux atomes donneurs.
Comment le bore est-il utilisé pour le dopage
Résumer les bases des semi-conducteurs
Semi-conducteur de type N (dopé avec une impureté pentavalente telle que l'antimoine par exemple)
De tels semi-conducteurs dopés avec des atomes d'impuretés pentavalents sont appelés donneurs, car ils montrent une conduction par le mouvement des électrons et sont donc appelés semi-conducteurs de type N.
Dans le semi-conducteur de type N, nous trouvons:
- Donateurs chargés positivement
- Un nombre abondant d'électrons libres
- Nombre relativement moindre de `` trous '' par rapport aux `` électrons libres ''
- À la suite du dopage, des donneurs chargés positivement et des électrons libres chargés négativement sont créés.
- L'application d'une différence de potentiel entraîne le développement d'électrons chargés négativement et de trous chargés positivement.
Semi-conducteur de type P (dopé avec une impureté trivalente telle que le bore par exemple)
De tels semi-conducteurs qui sont dopés avec des atomes d'impuretés trivalents sont appelés accepteurs, car ils montrent une conduction à travers le mouvement des trous et sont donc appelés semi-conducteurs de type P.
Dans le semi-conducteur de type N, nous trouvons:
- Accepteurs chargés négativement
- Quantité abondante de trous
- Nombre d'électrons libres relativement plus petit par rapport à la présence de trous.
- Le dopage entraîne la création d'accepteurs chargés négativement et de trous chargés positivement.
- L'application d'un champ de tension provoque la génération de trous chargés positivement et d'électrons libres chargés négativement.
En soi, les semi-conducteurs de type P et N sont naturellement électriquement neutres.
Généralement, l'antimoine (Sb) et le bore (B) sont les deux matériaux qui sont utilisés comme agents dopants en raison de leur abondante disponibilité. Ceux-ci sont également appelés «mettaloids».
Cela dit, si vous regardez le tableau périodique, vous trouverez de nombreux autres matériaux similaires ayant 3 ou 5 électrons dans leur bande atomique la plus externe. Cela implique que ces matériaux peuvent également devenir appropriés à des fins de dopage.
Tableau périodique 
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