10.3 : Bases des semi-conducteurs

Les semi-conducteurs intrinsèques sont des matériaux très purs, sans impuretés. Au zéro absolu, ces semi-conducteurs se comportent comme de parfaits isolants car tous les électrons de valence sont liés et la bande de conduction est vide, interdisant la conduction électrique. Le niveau de Fermi est un concept utilisé pour décrire la probabilité d'occupation des niveaux d'énergie par des électrons à l'équilibre thermique. Dans les semi-conducteurs intrinsèques, le niveau de Fermi est positionné au milieu de l’écart énergétique au zéro absolu. Lorsque la température du semi-conducteur augmente, l’énergie thermique excite certains électrons de la bande de valence vers la bande de conduction, créant ainsi des paires électron-trou (EHP). La création d'EHP permet la conduction car les électrons peuvent se déplacer librement dans la bande de conduction et les trous peuvent agir comme des porteurs de charge positive dans la bande de valence.

La concentration intrinsèque de porteurs, notée n_i, est le nombre d'électrons libres ou de trous dans un semi-conducteur pur à l'équilibre thermique. C'est une valeur dépendante de la température et peut être exprimée par la formule:

Où B est une constante matérielle, T est la température, E_g est l'énergie de la bande interdite et k est la constante de Boltzmann.

À toute température supérieure au zéro absolu, les EHP sont générés à une vitesse g_i et se combinent à une vitesse r_i. Pour que le semi-conducteur maintient l’équilibre thermique, ces taux doivent être égaux. Le taux de recombinaison est proportionnel au produit des concentrations d’électrons (n₀) et de trous (p₀), décrit par:

où α_r est le coefficient de recombinaison.

Les semi-conducteurs intrinsèques peuvent être modifiés pour devenir des semi-conducteurs extrinsèques par dopage, ce qui introduit des impuretés pour modifier les propriétés électriques du matériau. Le dopage des semi-conducteurs intrinsèques avec des atomes pentavalents crée des matériaux de type N en ajoutant des électrons libres. À l'inverse, les dopants trivalents produisent des matériaux de type P avec des trous prédominants, déplaçant le niveau de Fermi vers la bande de valence, modifiant ainsi les propriétés conductrices du semi-conducteur.