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André VAPAILLE : Professeur à l’Université de Paris XI
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Lire l’articleINTRODUCTION
Depuis les années 50, les matériaux semi‐conducteurs ont révolutionné l’électronique, l’informatique et l’optoélectronique en permettant de réaliser une très grande variété de composants discrets et de circuits intégrés. Ils doivent leur succès à la très grande richesse de leurs propriétés électroniques et en particulier au fait qu’il est possible, en les dopant (c’est‐à‐dire en introduisant dans le matériau des impuretés convenables en quantité contrôlée) :
-
d’obtenir soit une conduction par électrons libres (comme dans les métaux), soit une conduction par trous libres (un trou étant une absence d’électron) ;
-
de contrôler, par la concentration des impuretés de dopage, la résistivité du matériau dans un domaine de valeurs compris entre 10 – 5 et 10 2 Ω · m.
La résistivité de ces matériaux est donc extrêmement sensible :
-
à l’état cristallin du matériau (amorphe, polycristallin, monocristallin) ;
-
au niveau de dopage (concentration des impuretés électriquement actives présentes dans le matériau).
Nous allons donc distinguer quatre types de matériau :
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matériau monocristallin non dopé ou matériau intrinsèque ;
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matériau monocristallin dopé ou matériau extrinsèque (pratiquement tous les composants semi‐conducteurs sont réalisés en matériau monocristallin dopé) ;
-
matériau polycristallin [grille des composants MOS (Métal Oxyde Semi‐conducteur)] ;
-
matériau amorphe (cellules solaires, écrans plats, etc.).
Pour satisfaire aux règles de normalisation, toutes les grandeurs ont été exprimées dans les unités du système international. Toutefois, il faut bien reconnaître que ce système n’est absolument pas utilisé par les spécialistes des matériaux et composants semi‐conducteurs qui lui préfèrent un système où les longueurs sont en centimètres et les énergies en électronvolts (eV). Le tableau 1 donne les facteurs de conversion à utiliser.
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2. Matériau monocristallin dopé ou matériau extrinsèque
En diffusant, dans un matériau semi‐conducteur, certaines impuretés électriquement actives, on peut :
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privilégier la conduction par électrons ou la conduction par trous, donc réaliser des matériaux de type N ou de type P ;
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contrôler la résistivité du matériau typiquement entre 10–5 et 102 Ω · m.
2.1 Exemple de matériau N : silicium dopé au phosphore
Supposons que des atomes de phosphore (P) soient diffusés dans le réseau cristallin du silicium et qu’ils s’y placent en position substitutionnelle (c’est‐à‐dire qu’un atome de phosphore prend la place d’un atome de silicium). Chaque atome de phosphore va se trouver environné de 4 atomes de silicium avec lesquels il va échanger 4 liaisons de valence dans lesquelles il va engager 4 de ses 5 électrons de valence (figure 5).
Ce cinquième électron de valence est très faiblement lié et un apport d’énergie de quelques 10–2 eV va suffire à le libérer. Il en résulte que, pour des températures supérieures à quelques dizaines de kelvins, la plus grande partie des atomes de phosphore aura donné son cinquième électron. On dit que le phosphore est une impureté de type donneur du silicium. Par conséquent, dans ce type de matériaux, entre quelques dizaines de kelvins et quelques centaines de degrés Celsius, pratiquement les seuls porteurs libres sont les électrons donnés par les atomes de phosphore.
On a donc, N d (m–3) étant la concentration des atomes donneurs :
La conductivité σ n d’un matériau extrinsèque de type N est égale à :
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - CASTAGNÉ (C.), VAPAILLE (A.) - Dispositifs et circuits intégrés semi‐conducteurs. - Dunod (1987).
-
(2) - MATHIEU (H.) - Physique des semi‐ conducteurs et composants électroniques. - Masson (1987).
-
(3) - SZE (S.M.) - Physics of semiconductor Devices. - 2nd Edition, John Wiley (1981).
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(4) - THURMOND (C.D.) - J. Electrochem. - Soc. 122, 1133 (1975).
-
(5) - MORIN (F.J.), MAÏTA (J.P.) - Physical Review. - 96, 28 (1954).
-
(6) - RUNY AN (W.R.) - Silicon semiconductor Technology. - Mc Graw Hill, p. 179 (1965).
-
(7) - SZE (S.M.), IRVIN (J.C.) - Solid...
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