Courant électrique dans les semi-conducteurs
Entre les conducteurs et les diélectriques, en termes de résistance, se situent semi-conducteurs… Silicium, germanium, tellure, etc. — de nombreux éléments du tableau périodique et leurs composés appartiennent aux semi-conducteurs. De nombreuses substances inorganiques sont des semi-conducteurs. Le silicium est plus large que les autres dans la nature ; la croûte terrestre en est constituée à 30 %.
La principale différence frappante entre les semi-conducteurs et les métaux réside dans le coefficient de température négatif de la résistance : plus la température du semi-conducteur est élevée, plus sa résistance électrique est faible. Pour les métaux, c'est l'inverse : plus la température est élevée, plus la résistance est élevée. Si un semi-conducteur est refroidi au zéro absolu, il devient diélectrique.
Cette dépendance de la conductivité du semi-conducteur à la température montre que la concentration chauffeurs de taxi gratuits dans les semi-conducteurs n'est pas constante et augmente avec la température.Le mécanisme de passage d'un courant électrique à travers un semi-conducteur ne peut être réduit au modèle d'un gaz d'électrons libres, comme dans les métaux. Pour comprendre ce mécanisme, on peut le regarder par exemple sur un cristal de germanium.
À l'état normal, les atomes de germanium contiennent quatre électrons de valence dans leur enveloppe externe - quatre électrons qui sont faiblement liés au noyau. De plus, chaque atome du réseau cristallin de germanium est entouré de quatre atomes voisins. Et la liaison ici est covalente, ce qui signifie qu'elle est formée de paires d'électrons de valence.
Il s'avère que chacun des électrons de valence appartient à deux atomes en même temps, et les liaisons des électrons de valence à l'intérieur du germanium avec ses atomes sont plus fortes que dans les métaux. C'est pourquoi, à température ambiante, les semi-conducteurs conduisent le courant de plusieurs ordres de grandeur moins bien que les métaux. Et au zéro absolu, tous les électrons de valence du germanium seront occupés dans des liaisons et il n'y aura pas d'électrons libres pour fournir le courant.
À mesure que la température augmente, certains des électrons de valence gagnent de l'énergie qui devient suffisante pour rompre les liaisons covalentes. C'est ainsi que les électrons de conduction libre apparaissent. Un type de vacance se forme dans les zones de déconnexion— trous sans électrons.
Ce trou peut facilement être occupé par un électron de valence d'une paire voisine, puis le trou se mettra en place sur l'atome voisin. A une certaine température, un certain nombre de paires dites électron-trou se forment dans le cristal.
Dans le même temps, le processus de recombinaison électron-trou a lieu - un trou rencontrant un électron libre restaure la liaison covalente entre les atomes dans un cristal de germanium. De telles paires, constituées d'un électron et d'un trou, peuvent apparaître dans un semi-conducteur non seulement en raison de l'action de la température, mais également lorsque le semi-conducteur est éclairé, c'est-à-dire en raison de l'énergie incidente sur celui-ci. un rayonnement électromagnétique.
Si aucun champ électrique externe n'est appliqué au semi-conducteur, les électrons libres et les trous s'engagent dans un mouvement thermique chaotique. Mais lorsqu'un semi-conducteur est placé dans un champ électrique externe, les électrons et les trous commencent à se déplacer de manière ordonnée. C'est comme ça qu'il est né courant semi-conducteur.
Il se compose d'un courant d'électrons et d'un courant de trous. Dans un semi-conducteur, la concentration de trous et d'électrons de conduction est égale, et ce n'est le cas que dans les semi-conducteurs purs. mécanisme de conduction des trous d'électrons… C'est la conductivité électrique intrinsèque du semi-conducteur.
Conduction des impuretés (électron et trou)
S'il y a des impuretés dans le semi-conducteur, sa conductivité électrique change considérablement par rapport au semi-conducteur pur. L'ajout d'une impureté sous forme de phosphore à un cristal de silicium, en une quantité de 0,001 % atomique, augmentera la conductivité de plus de 100 000 fois ! Un effet aussi important des impuretés sur la conductivité est compréhensible.
La condition principale pour la croissance de la conductivité des impuretés est la différence entre la valence de l'impureté et la valence de l'élément parent. Une telle conduction d'impuretés est appelée conduction d'impureté et peut être un électron et un trou.
Un cristal de germanium commence à avoir une conductivité électronique si des atomes pentavalents, par exemple de l'arsenic, y sont introduits, tandis que la valence des atomes de germanium lui-même est de quatre. Lorsque l'atome d'arsenic pentavalent est à la place du réseau cristallin de germanium, les quatre électrons externes de l'atome d'arsenic sont impliqués dans des liaisons covalentes avec quatre atomes de germanium voisins. Le cinquième électron de l'atome d'arsenic devient libre, il quitte facilement son atome.
Et l'atome laissé par l'électron se transforme en ion positif à la place du réseau cristallin du semi-conducteur. C'est l'impureté dite donneuse lorsque la valence de l'impureté est supérieure à la valence des atomes principaux. De nombreux électrons libres apparaissent ici, c'est pourquoi, avec l'introduction d'une impureté, la résistance électrique du semi-conducteur chute des milliers et des millions de fois. Un semi-conducteur avec une grande quantité d'impuretés ajoutées se rapproche des métaux en conductivité.
Bien que les électrons et les trous soient responsables de la conductivité intrinsèque dans un cristal de germanium dopé à l'arsenic, les électrons qui ont quitté les atomes d'arsenic sont les principaux porteurs de charge libres. Dans une telle situation, la concentration d'électrons libres dépasse largement la concentration de trous, et ce type de conductivité est appelé la conductivité électronique du semi-conducteur, et le semi-conducteur lui-même est appelé semi-conducteur de type n.
Si, au lieu d'arsenic pentavalent, de l'indium trivalent est ajouté au cristal de germanium, il formera des liaisons covalentes avec seulement trois atomes de germanium. Le quatrième atome de germanium restera non lié à l'atome d'indium. Mais un électron covalent peut être capturé par des atomes de germanium voisins.L'indium sera alors un ion négatif, et l'atome de germanium voisin occupera une lacune où existait la liaison covalente.
Une telle impureté, lorsqu'un atome d'impureté capture des électrons, est appelée impureté acceptrice. Lorsqu'une impureté acceptrice est introduite, de nombreuses liaisons covalentes sont rompues dans le cristal et de nombreux trous se forment dans lesquels les électrons peuvent sauter des liaisons covalentes. En l'absence de courant électrique, les trous se déplacent de manière aléatoire sur le cristal.
Un accepteur entraîne une forte augmentation de la conductivité du semi-conducteur en raison de la création d'une abondance de trous, et la concentration de ces trous dépasse considérablement la concentration d'électrons de la conductivité électrique intrinsèque du semi-conducteur. C'est la conduction des trous et le semi-conducteur est appelé semi-conducteur de type p. Les principaux porteurs de charge qu'il contient sont des trous.