5.2. Semi-conducteur extrinsèque de type N :
a) Dopeur :
Le dopeur utilisé appartient à la famille des pentavalents (As, Sb, P, ...). Il appartient à la colonne (V). Son atome possède cinq électrons périphériques
Dopage :
Si on introduit au sein du cristal de silicium ou germanium pur un atome d'arsenic (As). L'atome dopeur s'intègre dans le cristal de semi-conducteur, cependant, pour assurer les liaisons entre atomes voisins, 4 électrons sont nécessaires pour sa stabilité : Le cinquième est donc en excès : Il n'y a pas de place pour lui dans les liaisons covalentes. 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.
Figure 1.7: (a) Libération d'un électron par l'atome d'Arsenic, (b) Schéma des bandes.
Représentation simplifiée d'un semi-conducteur de type N :
On établit le modèle de semi-conducteur représenté ci-dessous dans lequel n'apparaissent que les charges essentielles, à savoir les électrons libres et les donneurs ionisés. Les charges fixes sont entourées d'un cercle.
Figure 1.8: Représentation simplifiée d'un semi-conducteur de type N.
Relation entre les concentrations :
Neutralité électrique du semi-conducteur : La loi de conservation de la charge impose que la concentration des charges positives soit égale à la concentration des charges négatives, en tout point du semi-conducteur.
(1.7)
NA et ND sont les concentrations d'accepteurs et de donneurs.
Ecrivons que le semi-conducteur est électriquement neutre (En supposant que NA = 0) :
(1.8)
La concentration en porteurs négatifs (Majoritaires) est très supérieure à la concentration en porteurs positifs (Minoritaires), il en résulte :
(1.9)
Dans la modélisation du schéma des bandes d'énergie, la population des électrons libres de la BC est beaucoup plus importante que celle des trous libres dans la BV. Le niveau indicateur de Fermi EFN se déplace donc du milieu de la bande interdite EFi vers la bande de conduction de telle manière que :
(1.10)
Exemple:
On dope un monocristal de silicium (Si) avec 1016cm-3 de phosphore (P). On donne 1010cm-3 à 300 °K.
1. Donner le type du matériau dopé.
2. Calculer les densités des électrons et des trous.
Solution :
1- Type du matériau dopé :
Le phosphore (P) est un élément à 5 électrons dans la bande de valence, c'est un donneur. Le silicium dopé par (P) est de type N.
ni=1010cm-3
2- Densités des électrons et des trous :
Les électrons (n) sont les porteurs majoritaires et les trous (p) sont les porteurs minoritaires.
n = ND 1016cm-3
Donc : n >> p.