Technologie des Semi-conducteurs

Le réseau Zinc-blende est une structure identique à celle du diamant, sauf que la base est constituée de deux atomes différents. Là aussi l’atome possède 4 plus proches voisins (de l’autre espèce) et le type de liaison est covalent.

Le tableau suivant donne la structure et le paramètre de maille de quelques semi-conducteurs :

Zoom

l'interpénétration des bandes de valence et de conduction implique qu'il n'existe pas d'énergie de gap. La bande de conduction est alors partiellement pleine (même aux basses températures) et ainsi la conduction du matériau est « élevée ».Pour les conducteurs, la bande de valence et la bande de conduction se chevauchent. Les électrons peuvent donc passer directement dans la bande de conduction et circuler dans tout le solide. La conductivité est bonne.

Pour les isolants, la bande de valence et la bande de conduction sont séparées par un gap (bande interdite) de l'ordre de 6 eV. Cette valeur est trop élevée pour que les électrons passent dans la bande de conduction.

Pour les semi-conducteurs, la bande de valence et la bande de conduction sont séparées par un gap plus faible, compris entre 0,5 et 4eV, mais le plus souvent voisin de 1eV. Si on apporte cette énergie aux électrons, certains pourront passer dans la bande de conduction et circuler dans le matériau. L'apport d'énergie peut se faire par chauffage, par application d'un champ électromagnétique ou par illumination. A température ambiante la conduction est faible, elle augmente rapidement avec la température.

Lorsque la température est basse (0°K), le cristal de semi-conducteur ne reçoit pas d’énergie extérieure. Tous les électrons de valence forment des liaisons covalentes, les électrons possèdent des énergies situées dans la bande de valence BV. Il n’y a pas d’électron circulant librement dans le cristal, la BC est vide.

Lorsque la température augmente (T=300°K par exemple), le cristal de SC reçoit de l’énergie supplémentaire, certains électrons acquièrent une énergie suffisante et cassent leur liaison avec leur atome, ils deviennent libres et circulent dans le cristal. L’électron libre ne participe plus à une liaison cristalline.

Les énergies dont disposent ces électrons libres appartiennent à la bande de conduction BC. En même temps qu’il y a rupture de liaison covalente, l’atome qui a perdu un électron devient un ion positif et il a un trou ou lacune. Cet ion positif peut combler son trou en captant un électron appartenant à un atome voisin. L’ion positif redevient un atome neutre tandis que l’atome voisin acquiert une charge positive. Le trou s’est déplacé en sens inverse du déplacement de l’électron. Par conséquent, les trous et électrons libres participent à la conduction électrique.

Zoom

L’électron libre est représenté par une particule libre en lui affectant une masse effective « m_n » différente de la masse de l’électron dans le vide « m₀ = 0,91×10^-30 kg» et m_p est la masse effective du trou.

Au voisinage d’un extremum des bandes (BV ou BC), la relation de l'énergie cinétique d'un électron est donnée par:

$E(p)-E_C\approx \frac{1}{2}\frac{d^{2}E}{d{p}^2}{p}^2=\frac{p^2}{2m_n}$Zoom

Avec : p la quantité de mouvement.

On déduit par identification que la masse effective des électrons dans la vallée considérée est donnée par :

$m_n={(\frac{{\partial }^{2}E}{\partial p^2})}^{-1}$Zoom

même raisonnement pour déterminer l'expression de la masse effective des trous.

La densité est le nombre de places disponibles (occupées ou non) par les électrons dans la BC et les trous dans la BV.

La densité d’états dans la BC pour les électrons est donnée par :

$\frac{\mathit{dN}}{\mathit{dE}}=\frac{1}{2{\pi }^2}\sqrt{{(\frac{2m_n}{{\mathrm{\hslash }}^2})}^3(E-E_c)}$Zoom

Et dans la BV pour les trous est donnée par :

$\frac{\mathit{dN}}{\mathit{dE}}=\frac{1}{2{\pi }^2}\sqrt{{(\frac{2m_p}{{\mathrm{\hslash }}^2})}^3(E_v-E)}$Zoom

Avec ℏ=6,62× 10 ^ (-34) J.S est la constante de Planck.

Pour par exemple un cristal d’atome de la colonne IV tel que le Silicium le dopeur utilisé appartient à la famille des pentavalents.

L’atome dopeur s’intègre dans le cristal de semi‐conducteur, cependant, pour assurer les liaisons entre atomes voisins, 4 électrons sont nécessaires : le cinquième est donc en excès et n’a pas de place pour lui. On dit que le dopeur est un donneur (N) d’électrons (porteurs de charge Négative). Il faut noter que cet électron lorsqu’il quitte son atome, il laisse à sa place un ion positif fixe. Ceci augmente considérablement la conductivité du matériau dopé. Les charges négatives (électrons) sont dits majoritaires. On appelle souvent les atomes pentavalents, les atomes donneurs parce qu’ils produisent des électrons libres.

Zoom

Le dopeur utilisé appartient à la famille des trivalents.

L’atome dopeur s’intègre dans le cristal de semi‐conducteur, cependant, pour assurer les liaisons entre atomes voisins, 4 électrons sont nécessaires alors que le dopeur ne porte que 3, il y a donc un trou disponible susceptible de recevoir un électron. Un électron d’un atome voisin peut occuper ce trou. On dit que le- dopeur est un accepteur(P) d’électrons. La conduction extrinsèque du SC type P (Positive) augmente et est assurée par des trous, les trous deviennent majoritaires. Les atomes trivalents sont aussi connus sous le nom d’atomes accepteurs parce que chaque trou qu’ils créent peut recevoir un électron pendant la recombinaison.

Zoom