Courant électrique dans les dispositifs semi-conducteurs. Semi-conducteurs. Structure des semi-conducteurs. Types de conductivité et apparition de courant dans les semi-conducteurs
Lire aussi
Les semi-conducteurs sont une classe de substances dont la conductivité augmente et la résistance électrique diminue avec l'augmentation de la température. C’est en cela que les semi-conducteurs diffèrent fondamentalement des métaux.
Les semi-conducteurs typiques sont des cristaux de germanium et de silicium, dans lesquels les atomes sont unis par une liaison covalente. À n'importe quelle température, les semi-conducteurs ont électrons libres. Électrons libres sous l'influence de facteurs externes champ électrique peut se déplacer dans le cristal, créant courant électronique conductivité. Retirer un électron de la coque externe d'un des atomes du réseau cristallin entraîne la transformation de cet atome en ion positif. Cet ion peut se neutraliser en capturant un électron d'un de ses atomes voisins. De plus, à la suite de la transition des électrons des atomes vers les ions positifs, un processus de mouvement chaotique de l'endroit avec l'électron manquant se produit dans le cristal. Extérieurement, ce processus est perçu comme un mouvement de positif charge électrique, appelé trou.
Lorsqu'un cristal est placé dans un champ électrique, un mouvement ordonné des trous se produit - courant de conduction des trous.
Dans un cristal semi-conducteur idéal, le courant électrique est créé par le mouvement d’un nombre égal d’électrons chargés négativement et de trous chargés positivement. La conduction dans les semi-conducteurs idéaux est appelée conductivité intrinsèque.
Les propriétés des semi-conducteurs dépendent fortement de la teneur en impuretés. Il existe deux types d'impuretés : le donneur et l'accepteur.
Les impuretés qui donnent des électrons et créent une conductivité électronique sont appelées donneur(impuretés ayant une valence supérieure à celle du semiconducteur principal). Les semi-conducteurs dans lesquels la concentration d’électrons dépasse la concentration de trous sont appelés semi-conducteurs de type n.
Les impuretés qui capturent les électrons et créent ainsi des trous mobiles sans augmenter le nombre d'électrons de conduction sont appelées accepteur(impuretés ayant une valence inférieure à celle du semiconducteur principal).
À basses températures Les principaux porteurs de courant dans un cristal semi-conducteur avec une impureté acceptrice sont des trous, et les principaux porteurs ne sont pas des électrons. Les semi-conducteurs dans lesquels la concentration de trous dépasse la concentration d'électrons de conduction sont appelés semi-conducteurs à trous ou semi-conducteurs de type p. Considérons le contact de deux semi-conducteurs avec divers types conductivité.
La diffusion mutuelle des porteurs majoritaires se produit à travers la limite de ces semi-conducteurs : les électrons du semi-conducteur n se diffusent dans le semi-conducteur p et les trous du semi-conducteur p se diffusent dans le semi-conducteur n. En conséquence, la région du semi-conducteur n adjacente au contact sera dépourvue d'électrons et une charge positive en excès s'y formera en raison de la présence d'ions d'impuretés nus. Le mouvement des trous du semi-conducteur p vers le semi-conducteur n conduit à l'apparition d'un excès de charge négative dans la région limite du semi-conducteur p. En conséquence, une double couche électrique se forme et un champ électrique de contact apparaît, ce qui empêche une diffusion ultérieure des principaux porteurs de charge. Cette couche est appelée verrouillage.
Un champ électrique externe affecte la conductivité électrique de la couche barrière. Si les semi-conducteurs sont connectés à la source comme indiqué sur la Fig. 55, alors sous l'influence d'un champ électrique externe, les principaux porteurs de charge - les électrons libres dans le semi-conducteur p et les trous dans le semi-conducteur p - se déplaceront les uns vers les autres vers l'interface des semi-conducteurs, tandis que l'épaisseur de la jonction p-n diminue donc sa résistance diminue. Dans ce cas, le courant est limité par une résistance externe. Cette direction du champ électrique externe est dite directe. La connexion directe de la jonction p-n correspond à la section 1 sur la caractéristique courant-tension (voir Fig. 57).
Les porteurs de courant électrique dans divers environnements et les caractéristiques courant-tension sont résumés dans le tableau. 1.
Si les semi-conducteurs sont connectés à la source comme indiqué sur la Fig. 56, alors les électrons du semi-conducteur n et les trous du semi-conducteur p se déplaceront sous l'action d'un champ électrique externe depuis la frontière dans des directions opposées. L’épaisseur de la couche barrière et donc sa résistance augmente. Avec cette direction du champ électrique externe - inverse (blocage), seuls les porteurs de charge minoritaires traversent l'interface, dont la concentration est bien inférieure à la majorité, et le courant est pratiquement égal à zéro. L'enclenchement inverse de la jonction pn correspond à la section 2 sur la caractéristique courant-tension (Fig. 57).
Ainsi, la jonction pn a une conductivité asymétrique. Cette propriété est utilisée dans les diodes semi-conductrices contenant une jonction pn et utilisée, par exemple, pour le redressement courant alternatif ou détection.
On trouve des semi-conducteurs large application dans la technologie électronique moderne.
La dépendance de la résistance électrique des métaux semi-conducteurs à la température est utilisée dans des dispositifs semi-conducteurs spéciaux - thermistances. Les dispositifs qui utilisent la propriété des cristaux semi-conducteurs pour modifier leur résistance électrique lorsqu'ils sont éclairés par la lumière sont appelés photorésistances.
Courant électrique dans le vide
Si deux électrodes sont placées dans un récipient scellé et que l'air est retiré du récipient, aucun courant électrique ne se produit dans le vide - il n'y a pas de porteurs de courant électrique. Le scientifique américain T. A. Edison (1847-1931) a découvert en 1879 qu'un courant électrique peut apparaître dans un flacon en verre sous vide si l'une des électrodes qu'il contient est chauffée à haute température. Le phénomène d'émission d'électrons libres depuis la surface de corps chauffés est appelé émission thermoionique. Le travail qui doit être effectué pour libérer un électron de la surface d’un corps est appelé fonction de travail. Le phénomène d’émission thermoionique s’explique par le fait qu’à mesure que la température corporelle augmente, l’énergie cinétique de certains électrons de la substance augmente. Si l’énergie cinétique d’un électron dépasse le travail de travail, il peut alors vaincre les forces d’attraction exercées par les ions positifs et laisser la surface du corps dans le vide. Le fonctionnement de divers tubes électroniques repose sur le phénomène d’émission thermoionique.
Les semi-conducteurs sont des substances qui ont une conductivité électrique position intermédiaire entre bons guides Et bons isolants(diélectriques).
Les semi-conducteurs sont à la fois des éléments chimiques (germanium Ge, silicium Si, sélénium Se, tellure Te) et des composés éléments chimiques(PbS, CdS, etc.).
La nature des porteurs de courant dans les différents semi-conducteurs est différente. Dans certains d’entre eux, les porteurs de charge sont des ions ; dans d'autres, les porteurs de charge sont des électrons.
Conductivité intrinsèque des semi-conducteurs
Il existe deux types de conductivité intrinsèque des semi-conducteurs : la conductivité électronique et la conductivité des trous des semi-conducteurs.
1. Conductivité électronique des semi-conducteurs.
La conductivité électronique est réalisée par le mouvement dirigé dans l'espace interatomique d'électrons libres qui ont quitté la couche de valence de l'atome à la suite d'influences extérieures.
2. Conductivité des trous des semi-conducteurs.
La conduction par trous se produit avec le mouvement dirigé des électrons de valence vers des positions vacantes dans les liaisons paires d'électrons - les trous. L'électron de valence d'un atome neutre situé à proximité immédiate d'un ion positif (trou) est attiré par le trou et y saute. Dans ce cas, un ion positif (trou) se forme à la place d'un atome neutre et un atome neutre se forme à la place d'un ion positif (trou).
Dans un semi-conducteur idéalement pur sans aucune impureté étrangère, chaque électron libre correspond à la formation d'un trou, c'est-à-dire le nombre d'électrons et de trous impliqués dans la création du courant est le même.
Conductivité à laquelle se produit même nombre porteurs de charge (électrons et trous) est appelée conductivité intrinsèque des semi-conducteurs.
La conductivité intrinsèque des semi-conducteurs est généralement faible, car le nombre d’électrons libres est faible. La moindre trace d'impuretés modifie radicalement les propriétés des semi-conducteurs.
Conductivité électrique des semi-conducteurs en présence d'impuretés
Les impuretés présentes dans un semi-conducteur sont considérées comme des atomes d'éléments chimiques étrangers qui ne sont pas contenus dans le semi-conducteur principal.
Conductivité des impuretés est la conductivité des semi-conducteurs due à l'introduction d'impuretés dans leurs réseaux cristallins.
Dans certains cas, l'influence des impuretés se manifeste par le fait que le mécanisme de conduction des « trous » devient pratiquement impossible et que le courant dans le semi-conducteur est réalisé principalement par le mouvement des électrons libres. De tels semi-conducteurs sont appelés semi-conducteurs électroniques ou semi-conducteurs de type n(du mot latin negativus - négatif). Les porteurs de charge majoritaires sont des électrons et les porteurs de charge non majoritaires sont des trous. Les semi-conducteurs de type N sont des semi-conducteurs contenant des impuretés donneuses.
1. Impuretés du donneur.
Les impuretés qui donnent facilement des électrons et augmentent donc le nombre d’électrons libres sont appelées impuretés donneuses. Les impuretés donneuses fournissent des électrons de conduction sans créer le même nombre de trous.
Un exemple typique d’impureté donneuse dans le germanium tétravalent Ge est les atomes d’arsenic pentavalents As.
Dans d'autres cas, le mouvement des électrons libres devient pratiquement impossible et le courant s'effectue uniquement par le mouvement des trous. Ces semi-conducteurs sont appelés semi-conducteurs à trous ou semi-conducteurs de type p(du mot latin positivus - positif). Les principaux porteurs de charge sont des trous, et non les principaux porteurs de charge - les électrons. . Les semi-conducteurs de type P sont des semi-conducteurs contenant des impuretés accepteurs.
Les impuretés accepteurs sont des impuretés dans lesquelles il n’y a pas suffisamment d’électrons pour former des liaisons paires-électrons normales.
Un exemple d'impureté acceptrice dans le germanium Ge est les atomes de gallium trivalent Ga
Électricité grâce au contact de semi-conducteurs de type p et de type n, une jonction p-n est une couche de contact de deux semi-conducteurs d'impuretés de type p et de type n ; Une jonction pn est la limite séparant les régions avec une conductivité de trou (p) et une conductivité électronique (n) dans le même monocristal.
Jonction p-n directe
Si le semi-conducteur n est connecté au pôle négatif de la source d'alimentation et que le pôle positif de la source d'alimentation est connecté au semi-conducteur p, alors sous l'influence du champ électrique, les électrons du semi-conducteur n et les trous dans le semi-conducteur p se rapprocheront les uns des autres vers l'interface des semi-conducteurs. Les électrons, traversant la frontière, « remplissent » les trous, le courant à travers la jonction p-n est réalisé par les principaux porteurs de charge. En conséquence, la conductivité de l’ensemble de l’échantillon augmente. Avec une telle direction vers l'avant (traversante) du champ électrique externe, l'épaisseur de la couche de blocage et sa résistance diminuent.
Dans cette direction, le courant traverse la frontière des deux semi-conducteurs.
  |
Jonction pn inversée
Si un semi-conducteur n est connecté au pôle positif de la source d'alimentation et qu'un semi-conducteur p est connecté au pôle négatif de la source d'alimentation, alors les électrons du semi-conducteur n et les trous du semi-conducteur p sous l'influence de le champ électrique se déplacera depuis l'interface dans des directions opposées, le courant traversant p La jonction -n est réalisée par des porteurs de charge minoritaires. Cela entraîne un épaississement de la couche barrière et une augmentation de sa résistance. En conséquence, la conductivité de l'échantillon s'avère insignifiante et la résistance est grande.
Une couche dite barrière se forme. Avec cette direction du champ externe, le courant électrique ne passe pratiquement pas par le contact des semi-conducteurs p et n.
Ainsi, la transition électron-trou a une conductivité unidirectionnelle.
Dépendance du courant sur la caractéristique tension - volt - ampère jonction р-n montré sur la figure (caractéristique volt-ampère p-n direct la transition est représentée par une ligne continue, caractéristique voltampère p-n inversé la transition est représentée par une ligne pointillée).
Diode semi-conductrice- pour redresser le courant alternatif, il utilise une jonction p-n avec des résistances différentes : dans le sens direct, la résistance de la jonction p-n est nettement inférieure à celle dans le sens inverse.
Photorésistances - pour enregistrer et mesurer de faibles flux lumineux. Avec leur aide, ils déterminent la qualité des surfaces et contrôlent les dimensions des produits.
Thermistances - pour la mesure de température à distance, les alarmes incendie.
Les semi-conducteurs sont des matériaux qui sont diélectriques dans des conditions normales, mais qui deviennent conducteurs lorsque la température augmente. Autrement dit, dans les semi-conducteurs, à mesure que la température augmente, la résistance diminue.
La structure d'un semi-conducteur à l'aide de l'exemple d'un cristal de silicium
Considérons la structure des semi-conducteurs et leurs principaux types de conductivité. À titre d'exemple, considérons un cristal de silicium.
Le silicium est un élément tétravalent. Par conséquent, dans sa coque externe se trouvent quatre électrons faiblement liés au noyau de l’atome. Chacun a quatre atomes supplémentaires dans son voisinage.
Les atomes interagissent les uns avec les autres et forment des liaisons covalentes. Un électron de chaque atome participe à une telle liaison. Le schéma du dispositif au silicium est présenté dans la figure suivante.
image
Les liaisons covalentes sont assez fortes et ne se rompent pas à basse température. Par conséquent, le silicium ne contient pas de porteurs de charge libres et, à basse température, il s'agit d'un diélectrique. Il existe deux types de conductivité dans les semi-conducteurs : les électrons et les trous.
Conductivité électronique
Lorsque le silicium est chauffé, une énergie supplémentaire lui est transmise. Énergie cinétique les particules augmentent et certaines liaisons covalentes sont rompues. Cela crée des électrons libres.
DANS champ électrique ces électrons se déplacent entre les nœuds du réseau cristallin. Dans ce cas, un courant électrique va être créé dans le silicium.
Les principaux porteurs de charge étant des électrons libres, ce type de conductivité est appelé conductivité électronique. Le nombre d'électrons libres dépend de la température. Plus on chauffe le silicium, plus les liaisons covalentes seront rompues, et donc plus d’électrons libres apparaîtront. Cela conduit à une diminution de la résistance. Et le silicium devient conducteur.
Conductivité du trou
Lorsqu'une liaison covalente se rompt, un place vacante, qui peut être occupé par un autre électron. Cet endroit s'appelle un trou. Le trou a une charge positive en excès.
La position du trou dans le cristal change constamment ; n'importe quel électron peut occuper cette position et le trou se déplacera vers l'endroit d'où l'électron a sauté. S’il n’y a pas de champ électrique, alors le mouvement des trous est aléatoire et donc aucun courant ne se produit.
Lorsqu'il est présent, un mouvement ordonné des trous se produit et, en plus du courant créé par les électrons libres, il existe également un courant créé par les trous. Les trous se déplaceront dans la direction opposée aux électrons.
Ainsi, dans les semi-conducteurs, la conductivité est électron-trou. Le courant est créé à la fois par des électrons et des trous. Ce type de conductivité est également appelé conductivité intrinsèque, car les éléments d'un seul atome sont impliqués.
Les semi-conducteurs occupent une place intermédiaire en conductivité électrique entre conducteurs et non-conducteurs du courant électrique. Le groupe des semi-conducteurs comprend beaucoup plus de substances que les groupes de conducteurs et de non-conducteurs pris ensemble. Les représentants les plus caractéristiques des semi-conducteurs trouvés utilisation pratique dans la technologie sont le germanium, le silicium, le sélénium, le tellure, l'arsenic, l'oxyde cuivreux et un grand nombre d'alliages et composants chimiques. Presque toutes substances inorganiques le monde qui nous entoure - les semi-conducteurs. Le semi-conducteur le plus répandu dans la nature est le silicium, qui représente environ 30 % de la croûte terrestre.
La différence qualitative entre les semi-conducteurs et les métaux se manifeste principalement dans la dépendance de la résistivité à la température. À mesure que la température diminue, la résistance des métaux diminue. Dans les semi-conducteurs, au contraire, à mesure que la température diminue, la résistance augmente et presque zéro absolu ils deviennent pratiquement des isolants.
Dans les semi-conducteurs, la concentration de porteurs de charge libres augmente avec l’augmentation de la température. Le mécanisme du courant électrique dans les semi-conducteurs ne peut pas être expliqué dans le cadre du modèle des gaz d’électrons libres.
Les atomes de germanium ont quatre électrons faiblement liés dans leur enveloppe externe. On les appelle des électrons de valence. Dans un réseau cristallin, chaque atome est entouré de ses quatre plus proches voisins. La liaison entre les atomes d'un cristal de germanium est covalente, c'est-à-dire qu'elle est réalisée par des paires d'électrons de valence. Chaque électron de valence appartient à deux atomes. Les électrons de valence dans un cristal de germanium sont beaucoup plus fortement liés aux atomes que dans les métaux ; par conséquent, la concentration d'électrons de conduction à température ambiante dans les semi-conducteurs est inférieur de plusieurs ordres de grandeur à celui des métaux. Température proche du zéro absolu dans un cristal de germanium, tous les électrons sont occupés à la formation de liaisons. Un tel cristal ne conduit pas le courant électrique.
À mesure que la température augmente, certains électrons de valence peuvent gagner suffisamment d’énergie pour rompre les liaisons covalentes. Des électrons libres (électrons de conduction) apparaîtront alors dans le cristal. Dans le même temps, des postes vacants se forment aux endroits où les liaisons sont rompues, qui ne sont pas occupées par des électrons. Ces postes vacants sont appelés des « trous ».
À une température donnée du semi-conducteur, un certain nombre de paires électron-trou se forment par unité de temps. Dans le même temps, le processus inverse se produit : lorsqu'un électron libre rencontre un trou, la liaison électronique entre les atomes de germanium est rétablie. Ce processus est appelé recombinaison. Des paires électron-trou peuvent également être créées lorsqu’un semi-conducteur est éclairé en raison de l’énergie d’un rayonnement électromagnétique.
Si un semi-conducteur est placé dans un champ électrique, non seulement des électrons libres sont impliqués dans le mouvement ordonné, mais également des trous, qui se comportent comme des particules chargées positivement. Par conséquent, le courant I dans un semi-conducteur est constitué des courants d’électron I n et de trou I p : je = je n + je p.
La concentration d'électrons de conduction dans un semi-conducteur est égale à la concentration de trous : n n = n p. Le mécanisme de conductivité électron-trou ne se manifeste que dans les semi-conducteurs purs (c’est-à-dire sans impuretés). C’est ce qu’on appelle la conductivité électrique intrinsèque des semi-conducteurs.
En présence d'impuretés, la conductivité électrique des semi-conducteurs change considérablement. Par exemple, ajouter des impuretés phosphore en cristal silicium dans une quantité de 0,001 pour cent atomique réduit résistivité de plus de cinq ordres de grandeur.
Un semi-conducteur dans lequel une impureté est introduite (c'est-à-dire qu'une partie des atomes d'un type est remplacée par des atomes d'un autre type) est appelé impureté ou dopé.
Il existe deux types de conductivité des impuretés : la conductivité électronique et la conductivité des trous.
Ainsi, lors du dopage d'un composé à quatre valences germanium (Ge) ou silicium (Si) pentavalent - phosphore (P), antimoine (Sb), arsenic (As) Un électron libre supplémentaire apparaît à l’emplacement de l’atome d’impureté. Dans ce cas, l'impureté est appelée donneur .
Lors du dopage du germanium quadrivalent (Ge) ou du silicium (Si) avec du trivalent - aluminium (Al), indium (Jn), bore (B), gallium (Ga)
- un trou de ligne apparaît. De telles impuretés sont appelées accepteur
.
Dans le même échantillon de matériau semi-conducteur, une section peut avoir une conductivité p et une autre n - conductivité. Un tel dispositif est appelé diode semi-conductrice.
Le préfixe « di » dans le mot « diode » signifie « deux », il indique que l'appareil comporte deux « parties » principales, deux cristaux semi-conducteurs étroitement adjacents l'un à l'autre : un avec une conductivité p (c'est la zone R), l'autre - avec n - conductivité (c'est la zone P). En fait, une diode semi-conductrice est un cristal dans une partie duquel une impureté donneuse est introduite (zone P),à l'autre - accepteur (zone R).
Si vous appliquez une tension constante « plus » à la zone allant de la batterie à la diode R. et "moins" à la zone P., alors les charges libres - les électrons et les trous - se précipiteront vers la frontière et se précipiteront vers la jonction pn. Ici, ils se neutraliseront, de nouvelles charges s'approcheront de la frontière et un D.C.. C'est ce qu'on appelle la connexion directe d'une diode - les charges la traversent intensément et un courant continu relativement important circule dans le circuit.
Changeons maintenant la polarité de la tension sur la diode et, comme on dit, allumons-la à l'envers - connectez la batterie « plus » à la zone P,"moins" - à la zone R. Les charges libres seront éloignées de la frontière, les électrons se déplaceront vers le « plus », les trous vers le « moins » et par conséquent la jonction pn se transformera en une zone sans charges libres, en un pur isolant. Cela signifie que le circuit se brisera et que le courant s'arrêtera.
Un petit courant inverse circulera toujours à travers la diode. Car, en plus des principales charges libres (porteurs de charge) - les électrons, dans la zone P., et des trous dans la zone p - dans chacune des zones, il y a également une quantité insignifiante de charges de signe opposé. Ce sont leurs propres porteurs de charge minoritaires, ils existent dans n'importe quel semi-conducteur, ils y apparaissent en raison des mouvements thermiques des atomes, et ce sont eux qui créent un courant inverse à travers la diode. Ces charges sont relativement faibles et le courant inverse est plusieurs fois inférieur au courant direct. La quantité de courant inverse dépend fortement de : la température environnement, matériau semi-conducteur et surface p-n transition. À mesure que la zone de jonction augmente, son volume augmente, et donc le nombre de porteurs minoritaires apparaissant suite à la génération thermique et au courant thermique augmente. Souvent, les caractéristiques courant-tension sont présentées sous forme de graphiques pour plus de clarté.
Dans les semi-conducteurs, les électrons libres et les trous sont dans un état de mouvement chaotique. Par conséquent, si vous choisissez une section arbitraire à l'intérieur du volume semi-conducteur et comptez le nombre de porteurs de charge traversant cette section par unité de temps de gauche à droite et de droite à gauche, les valeurs de ces nombres seront les même. Cela signifie qu’il n’y a pas de courant électrique dans un volume donné du semi-conducteur. Lorsqu’un semi-conducteur est placé dans un champ électrique d’intensité E, une composante de mouvement dirigé se superpose au mouvement chaotique des porteurs de charge. Le mouvement dirigé des porteurs de charge dans un champ électrique provoque l'apparition d'un courant appelé dérive (Fig. 1.5)
Dans la zone hautes températures la concentration d'électrons et de trous augmente considérablement en raison de la rupture des liaisons covalentes et, malgré une diminution de leur mobilité, la conductivité électrique du semi-conducteur augmente de façon exponentielle.
Figure 1.5 Courant de dérive dans un semi-conducteur
1.2.2 Courant de diffusion
Outre l'excitation thermique, qui conduit à l'apparition d'une concentration d'équilibre de charges uniformément réparties dans tout le volume du semi-conducteur, l'enrichissement du semi-conducteur en électrons jusqu'à une concentration n p et en trous jusqu'à une concentration p n peut être réalisé par illumination, irradiation avec un flux de particules chargées, leur introduction par contact (injection), etc. Dans ce cas, l'énergie de l'excitateur est transférée directement aux porteurs de charge et l'énérgie thermique le réseau cristallin reste presque constant. Par conséquent, les porteurs de charge en excès ne sont pas en équilibre thermique avec le réseau et sont donc appelés hors équilibre. Contrairement à ceux d'équilibre, ils peuvent être inégalement répartis dans tout le volume du semi-conducteur (Fig. 1.6) 
Une fois que l'action de l'agent pathogène cesse en raison de la recombinaison des électrons et des trous, la concentration de porteurs en excès diminue rapidement et atteint une valeur d'équilibre.
Les porteurs de charge se recombinent dans la masse du semi-conducteur et à sa surface. La répartition inégale des porteurs de charge hors équilibre s'accompagne de leur diffusion vers des concentrations plus faibles. Ce mouvement des porteurs de charge provoque le passage d'un courant électrique, appelé diffusion (Fig. 1.6).
Figure 1.6 Courant de diffusion dans un semi-conducteur
1.3 Phénomènes de contact
Transition électron-trou à l'état d'équilibre
Le principe de fonctionnement de la plupart des dispositifs semi-conducteurs repose sur des phénomènes physiques se produisant dans la zone de contact entre solides. Dans ce cas, on utilise principalement des contacts : semi-conducteur-semi-conducteur ; métal semi-conducteur; métal-diélectrique-semi-conducteur.
Si une jonction est créée entre des semi-conducteurs de type n et de type p, on parle alors de jonction électron-trou ou jonction p-n.
Une jonction électron-trou est créée dans un seul cristal semi-conducteur à l’aide d’opérations technologiques complexes et variées.
Considérons une transition p-n dans laquelle les concentrations de donneurs N d et d'accepteurs N a changent brusquement à l'interface (Fig. 1.7, a). Une telle transition pn est dite abrupte. La concentration d'équilibre des trous dans la région p () dépasse largement leur concentration dans la région n (). De même, pour les électrons, la condition > est satisfaite. La répartition inégale des concentrations de porteurs de charges similaires dans le cristal (Fig. 1.7, b) conduit à la diffusion d'électrons de la région n vers la région p et de trous de la région p vers la région n. Ce mouvement de charges crée un courant de diffusion d'électrons et de trous.
Les électrons et les trous, passant à travers le contact les uns vers les autres (en raison de la diffusion), se recombinent et une charge non compensée d'ions négatifs d'impuretés accepteurs se forme dans la région proche du contact du semi-conducteur à trous, et une charge non compensée d'ions donneurs positifs dans le semi-conducteur électronique (Fig. 1.6, c). Ainsi, le semi-conducteur électronique est chargé positivement et le semi-conducteur à trous est chargé négativement. Entre les zones avec différents types de conductivité électrique, un propre champ électrique d'intensité E self apparaît (Fig. 1.7, a), créé par deux couches de charges d'espace.
Le champ autoélectrique décélère pour les porteurs de charge majoritaires et accélère pour les porteurs minoritaires. Électrons de la région p et trous de la région n, faisant mouvement thermique, tombent dans les limites du champ électrique de diffusion, sont emportés par celui-ci et sont transférés vers des régions opposées, formant un courant de dérive, ou courant de conduction.
Figure 1.7 État d'équilibre de la jonction p-n
La région de contact proche, où existe son propre champ électrique, est appelée p- ntransition. Dans cette zone, le semi-conducteur se caractérise par sa propre conductivité électrique et présente une résistance accrue par rapport au reste du volume. À cet égard, on l’appelle couche barrière ou région de charge d’espace.
La largeur de la couche de blocage est considérablement affectée par la concentration d’atomes d’impuretés. Une augmentation de la concentration d'atomes d'impuretés rétrécit la couche barrière et une diminution l'agrandit. Ceci est souvent utilisé pour conférer les propriétés souhaitées aux dispositifs semi-conducteurs.