III.2 Les impuretés de bord de bande. Notions de donneurs et accepteurs
Nous allons, dans un premier temps, nous intéresser à ce deuxième type de niveaux et plus particulièrement, au Bore et au Phosphore dans le silicium. Ces deux impuretés appartiennent, dans la classification périodique de éléments, aux colonnes adjacentes à celle du silicium: colonne III pour le Bore, colonne V pour le phosphore. Ils possèdent donc soit un électron de plus, soit un électron de moins que le silicium.
De plus, ils se situent très près des bords de bandes: 0,O44 eV de Ec pour le Phosphore, 0,045 eV de Ev pour le Bore.
Exemple :
Considérons le cas du Phosphore dans le silicium :
Si on introduit une quantité relativement faible de phosphore dans le silicium, celui-ci va se substituer à des atomes de silicium. Or, il possède 5 électrons de valence. Quatre d'entre-eux vont être utilisés pour les liaisons avec les atomes voisins et le cinquième pourra facilement être libéré compte tenu du faible écart d'énergie entre le niveau ED et la bande de conduction. Soit ND la concentration en atomes de phosphore; Un faible apport d'énergie va libérer l'électron excédentaire qui va passer sur le niveau de conduction et de ce fait devenir libre. Cela se traduit par :
Fondamental :
ND + énergie → ND+ + 1 e-
Exemple :
Il y a donc apparition de deux types de charges : ND+ qui est un Ion positif totalement stable car il possède 8 liaisons de valence et un électron qui pourra très facilement être libéré afin de participer au processus de conduction.
Le processus est similaire avec le Bore. Ce dernier n'ayant que 3 électrons de valence peut en accepter un quatrième provenant de la bande de valence. Il devient alors Ion négatif stable et fait apparaître un trou.
Fondamental :
NA+ énergie → NA- + 1 trou
Complément :
Le processus permettant de générer un trou est matérialisé sur la figure ci contre. La liaison manquante due au fait que le bore ne comporte que trois électrons de valence permettra, lorsque cette liaison sera comblée par un électron d'un autre atome de générer un ion négatif stable et un trou qui s'est déplacé participant ainsi au passage d'un courant électrique. En fait, le déplacement d'un trou correspond à celui d'un électron qui saute de liaison en liaison.
Définition :
Ce processus, appelé « Dopage » permet de générer de électrons OU des trous et confère un caractère spécifique au matériau qui sera dit de type N ou de type P.