5.3. Semi-conducteur extrinsèque de type P :
a) Dopeur :
Le dopeur utilisé appartient à la famille des trivalents (B, Ga, In,...). Il appartient à la colonne (III). Son atome possède trois électrons périphériques.
Dopage :
Si on introduit au sein du cristal de silicium ou germanium pur un atome d'indium (In). 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.
L'atome du dopeur devient un ion négatif fixe. L'atome quitté aura un trou et une charge positive excédentaire. On dit que le dopeur est un accepteur (P) d'électrons.
(a) Libération d'un trou par l'atome d'Indium, (b) Schéma des bandes.
Représentation simplifiée d'un semi-conducteur de type P :
Le nombre volumique des trous : Il est approximativement égal au nombre volumique des impuretés. Le nombre volumique des électrons libres est alors considéré comme négligeable. Il s'ensuit un modèle, représenté à la figure ci-dessous, dans lequel n'apparaissent que les charges prépondérantes : les trous et les accepteurs ionisés.
Représentation simplifiée d'un semi-conducteur de type P.
Relation entre les concentrations :
La neutralité électrique du semi-conducteur entraîne (En supposant que ND = 0) :
p = n + NA et ni2 = n. p (1.11)
La concentration en porteurs positifs (Majoritaires) est très supérieure à la concentration en porteurs négatifs
(Minoritaires), il en résulte :
(1.12)
Dans la modélisation du schéma des bandes d'énergie, la population des électrons libres de la BC est beaucoup plus faible que celle des trous libres dans la BV. Le niveau indicateur de Fermi EFP se déplace du niveau intrinsèque EFi vers la bande de valence de telle manière que :
(1.13)
Exemple
La concentration des électrons dans un semi-conducteur intrinsèque au Silicium à 300 °K est ni = 1,5×1010cm-3. Le Silicium est dopé par 1015cm-3 atomes de Gallium (Ga) (un élément à 3 électrons dans la bande de valence).
1. Calculer les concentrations des porteurs (n et p) à l'équilibre.
2. Déduire le type de semi-conducteur.
Conseil
1- Concentrations des porteurs (n et p) :
Le Silicium est dopé par 1015cm-3 atomes de Gallium (Ga). Le Gallium (Ga) est un élément à 3 électrons dans la bande de valence, c'est un accepteur :
p = NA = 1015cm-3
2- Type de semi-conducteur :
p >> n → Le semi-conducteur obtenu est de type P.