La Physique des Semiconducteurs

Les cristaux de silicium (de germanium ou d'arséniure de gallium...) utilisés pour la fabrication des composants et des circuits intégrés, contiennent de nombreuses imperfections consistant en impuretés ou en défauts de cristallisation du réseau. Certaines de ces impuretés seront d'ailleurs introduites volontairement dans le réseau afin de conférer au matériau des propriétés particulières.

Les impuretés néfastes proviennent soit du matériau de base, soit de la chaîne de traitement permettant l'obtention du cristal.

Nous avons vu dans ce qui précède que la densité intrinsèque des porteurs vaut, pour le silicium: n_i = 1,6 10¹⁰ cm^-3. Pour que les impuretés puissent être considérées comme négligeables dans ce matériau, elles doivent être en quantité beaucoup plus faibles (1/100, 1/1000 ...), soit des densités de l'ordre de 10⁷ ou 10⁸ cm^-3. On peut comparer ce chiffre avec le nombre d'atomes de silicium par cm³.

Soit: N = 5,02 10²² cm^-3

En comparant ce nombre à celui de la densité intrinsèque, on s'aperçoit que le degré de pureté à atteindre pour obtenir un matériau intrinsèque est de l'ordre de: 10⁸/ 10²² soit sensiblement 10^–14. Ceci est absolument inconcevable compte tenu des opérations nécessaires pour obtenir le silicium mono-cristallin . Les limites technologiques permettent d'atteindre des densités d'impuretés résiduelles de l'ordre de 10¹² cm^–3.

Le matériau intrinsèque, au sens étymologique du terme n'existe donc pas. Il permet toutefois de définir une constante extrêmement importante qui est la densité intrinsèque n_i.

Toutes ces imperfections (impuretés résiduelles, défauts de cristallisation,...) perturbent localement la périodicité du potentiel et, de ce fait, introduisent des niveaux énergétiques qui peuvent être accessibles aux électrons. Par opposition avec les niveaux correspondant au matériau pur, nous parlerons de « niveaux extrinsèques ». On peut généralement admettre que ces imperfections étant en nombre relativement faibles par rapport au nombre d'atomes du réseau, elles génèrent des niveaux discrets et non des bandes d'énergie.

Dans tout ce qui suit, nous nous intéresserons à des matériaux qui satisfont cette condition (matériaux non dégénérés).

Par contre, en ce qui concerne les niveaux apparaissant dans la bande interdite, leur influence va être très importante. On pourra toutefois les classer en deux catégories suivant leur position dans la bande interdite:

- Niveaux de bords de bande ou « Shallow levels »,situés à quelques centièmes d'Électron Volt de E_C ou E_V,

- Niveaux profonds ou « Deep levels », situés vers le milieu de la bande interdite.

La figure ci dessous montre, à titre d'exemple, les différents niveaux extrinsèques qui apparaissent dans la bande interdite du silicium. On remarquera le nombre important de niveaux et le fait que certains corps donnent naissance à plusieurs niveaux.

• Les niveaux profonds: Ce sont généralement des métaux. Ils peuvent avoir une action sur la conductivité du matériau (compensation de l'effet des niveaux de bord de bande), mais leur rôle le plus important se situera au niveau de la durée de vie des porteurs en excès

• Les niveaux de bord de bande: Distants de moins de 0,1 eV de E_C ou E_V, ils peuvent interagir facilement avec les bandes permises et conditionnent la conductivité extrinsèque du matériau. Ils vont permettre de générer soit des électrons soit des trous. Ce sont, pour le Silicium, surtout le Phosphore, le Bore, le Gallium, l'Aluminium...