Conductivité des semi-conducteurs

Les substances capables de conduire ou de ne pas conduire un courant électrique ne sont pas limitées à une stricte division des seuls conducteurs et diélectriques. Il existe également des semi-conducteurs, tels que le silicium, le sélénium, le germanium et d'autres minéraux et alliages dignes d'être séparés en tant que groupe distinct.

Ces substances conduisent mieux le courant électrique que les diélectriques, mais moins bien que les métaux, et leur conductivité augmente avec l'augmentation de la température ou de l'éclairage. Cette caractéristique des semi-conducteurs les rend applicables dans les capteurs de lumière et de température, mais leur application principale reste l'électronique.

Si vous regardez, par exemple, un cristal de silicium, vous pouvez constater que le silicium a une valence de 4, c'est-à-dire que sur la coque externe de son atome, il y a 4 électrons qui sont liés à quatre atomes de silicium voisins dans le cristal. Si un tel cristal est affecté par la chaleur ou la lumière, les électrons de valence recevront une augmentation d'énergie et quitteront leurs atomes, devenant des électrons libres - un gaz d'électrons apparaîtra dans le volume ouvert du semi-conducteur - comme dans les métaux, c'est-à-dire il y aura une condition de maintien.

Mais contrairement aux métaux, les semi-conducteurs diffèrent par leur conductivité des électrons et des trous. Pourquoi cela se produit-il et qu'est-ce que c'est? Lorsque les électrons de valence quittent leurs sites, des régions dépourvues de charge négative - des «trous» - se forment dans ces anciens sites, qui ont maintenant un excès de charge positive.

L'électron voisin sautera facilement dans le «trou» résultant, et dès que ce trou est rempli par l'électron qui y a sauté, un trou se reforme à la place de l'électron sauté.

Autrement dit, il s'avère qu'un trou est une région mobile chargée positivement d'un semi-conducteur. Et lorsqu'un semi-conducteur est connecté à un circuit avec une source EMF, les électrons se déplaceront vers la borne positive de la source et les trous vers la borne négative. C'est ainsi que se produit la conductivité interne du semi-conducteur.

Le mouvement des trous et des électrons de conduction dans un semi-conducteur sans champ électrique appliqué sera chaotique. Si un champ électrique externe est appliqué au cristal, les électrons à l'intérieur se déplaceront contre le champ et les trous se déplaceront le long du champ, c'est-à-dire que le phénomène de conduction interne se produira dans le semi-conducteur, qui ne sera pas seulement causées par les électrons, mais aussi par les trous .

Dans un semi-conducteur, la conduction ne se produit toujours que sous l'influence de certains facteurs externes : due à l'irradiation par des photons, à l'effet de la température, à l'application de champs électriques, etc.

Le niveau de Fermi dans un semi-conducteur tombe au milieu de la bande interdite. La transition de l'électron de la bande de valence supérieure vers la bande de conduction inférieure nécessite une énergie d'activation égale au delta de la bande interdite (voir figure). Et dès qu'un électron apparaît dans la bande de conduction, un trou se crée dans la bande de valence. Ainsi, l'énergie dépensée est répartie également lors de la formation d'une paire de porteurs de courant.

La moitié de l'énergie (correspondant à la moitié de la largeur de bande) est dépensée pour le transfert d'électrons et l'autre moitié pour la formation de trous ; par conséquent, l'origine correspond au milieu de la largeur de la bande. L'énergie de Fermi dans un semi-conducteur est l'énergie à laquelle les électrons et les trous sont excités. La position à laquelle le niveau de Fermi est situé pour un semi-conducteur au milieu de la bande interdite peut être confirmée par des calculs mathématiques, mais nous omettons ici les calculs mathématiques.

Sous l'influence de facteurs externes, par exemple, lorsque la température augmente, les vibrations thermiques du réseau cristallin d'un semi-conducteur entraînent la destruction de certaines liaisons de valence, à la suite de quoi certains des électrons deviennent des porteurs de charge libres et séparés .

Dans les semi-conducteurs, parallèlement à la formation de trous et d'électrons, le processus de recombinaison a lieu: les électrons passent dans la bande de valence depuis la bande de conduction, donnant leur énergie au réseau cristallin et émettant des quanta de rayonnement électromagnétique.Ainsi, chaque température correspond à la concentration d'équilibre des trous et des électrons, qui dépend de la température selon l'expression suivante :

Il existe également une conductivité d'impureté des semi-conducteurs, lorsqu'une substance légèrement différente est introduite dans le cristal d'un semi-conducteur pur qui a une valence supérieure ou inférieure à celle de la substance mère.

Si, par exemple, dans le même silicium pur, le nombre de trous et d'électrons libres est égal, c'est-à-dire qu'ils se forment tout le temps par paires, alors dans le cas d'une impureté ajoutée au silicium, par exemple l'arsenic, ayant un valence de 5, le nombre de trous sera inférieur au nombre d'électrons libres, c'est-à-dire qu'un semi-conducteur est formé avec un grand nombre d'électrons libres, chargés négativement, ce sera un semi-conducteur de type n (négatif). Et si vous mélangez de l'indium, qui a une valence de 3, qui est inférieure à celle du silicium, alors il y aura plus de trous - ce sera un semi-conducteur de type p (positif).

Maintenant, si nous mettons en contact des semi-conducteurs de conductivité différente, nous obtenons au point de contact une jonction p-n. Les électrons se déplaçant de la région n et les trous se déplaçant de la région p commenceront à se déplacer les uns vers les autres, et sur les côtés opposés du contact, il y aura des régions avec des charges opposées (sur les côtés opposés de la jonction pn): un positif une charge s'accumulera dans la région n et une charge négative dans la région p. Les différentes parties du cristal par rapport à la transition seront chargées de manière opposée. Ce poste est très important pour le travail de chacun. dispositifs semi-conducteurs.

L'exemple le plus simple d'un tel dispositif est une diode à semi-conducteur, où une seule jonction pn est utilisée, ce qui est suffisant pour accomplir la tâche - conduire le courant dans une seule direction.

Les électrons de la région n se déplacent vers le pôle positif de la source d'alimentation et les trous de la région p se déplacent vers le pôle négatif. Des charges positives et négatives suffisantes s'accumuleront près de la jonction, la résistance de la jonction diminuera considérablement et le courant circulera dans le circuit.

Dans la connexion inverse de la diode, le courant sortira des dizaines de milliers de fois moins, car les électrons et les trous seront simplement soufflés par un champ électrique dans des directions différentes de la jonction. Ce principe fonctionne redresseur à diodes.