Différence principale - semi-conducteur de type p contre semi-conducteur de type n

Les semi-conducteurs de type p et de type n sont absolument essentiels à la construction de l'électronique moderne. Ils sont très utiles car leurs capacités de conduction peuvent être facilement contrôlées. Les diodes et les transistors, qui sont au cœur de toutes sortes d'électronique moderne, nécessitent des semi-conducteurs de type p et de type n pour leur construction. Les différence principale entre les semi-conducteurs de type p et de type n est que Les semi-conducteurs de type p sont fabriqués en ajoutant des impuretés d'éléments du groupe III aux semi-conducteurs intrinsèques alors que, dans Semi-conducteurs de type n, les impuretés sont des éléments du groupe IV.

Qu'est-ce qu'un semi-conducteur

UNE semi-conducteur est un matériau dont la conductivité est comprise entre celle d'un conducteur et celle d'un isolant. Dans le théorie des bandes des solides, les niveaux d'énergie sont représentés en termes de bandes. Selon cette théorie, pour qu'un matériau soit conducteur, les électrons de la bande de valence doivent pouvoir se déplacer jusqu'à la bande de conduction (notez que « monter » ici ne signifie pas qu'un électron se déplace physiquement vers le haut, mais plutôt un électron gagnant une quantité de énergie associée aux énergies de la bande de conduction). Selon la théorie, les métaux (qui sont des conducteurs) ont une structure de bande où la bande de valence chevauche la bande de conduction. En conséquence, les métaux peuvent facilement conduire l'électricité. Dans les isolants, le bande interdite entre la bande de valence et la bande de conduction est assez grande, de sorte qu'il est extrêmement difficile pour les électrons d'entrer dans la bande de conduction. En revanche, les semi-conducteurs ont un petit écart entre les bandes de valence et de conduction. En augmentant la température, par exemple, il est possible de donner aux électrons suffisamment d'énergie pour leur permettre de passer de la bande de valence jusqu'à la bande de conduction. Ensuite, les électrons peuvent se déplacer dans la bande de conduction et le semi-conducteur peut conduire l'électricité.

Comment les métaux (conducteurs), les semi-conducteurs et les isolants sont considérés dans la théorie des bandes des solides.

Semi-conducteurs intrinsèques sont des éléments avec quatre électrons de valence par atome, c'est-à-dire des éléments qui apparaissent dans le "Groupe-IV" du tableau périodique tels que le silicium (Si) et le germanium (Ge). Étant donné que chaque atome a quatre électrons de valence, chacun de ces électrons de valence peut former une liaison covalente avec l'un des électrons de valence d'un atome voisin. De cette façon, tous les électrons de valence seraient impliqués dans une liaison covalente. À proprement parler, ce n'est pas le cas: en fonction de la température, un certain nombre d'électrons sont capables de « casser » leurs liaisons covalentes et de participer à la conduction. Cependant, il est possible d'augmenter considérablement la capacité de conduction d'un semi-conducteur en ajoutant de petites quantités d'une impureté au semi-conducteur, dans un processus appelé se doper. L'impureté qui est ajoutée au semi-conducteur intrinsèque est appelée le dopant. Un semi-conducteur dopé est appelé un semi-conducteur extrinsèque.

Qu'est-ce qu'un semi-conducteur de type n

Un semi-conducteur de type n est fabriqué en ajoutant une petite quantité d'un élément du groupe V tel que le phosphore (P) ou l'arsenic (As) au semi-conducteur intrinsèque. Les éléments du groupe V ont cinq électrons de valence par atome. Par conséquent, lorsque ces atomes établissent des liaisons avec les atomes du groupe IV, en raison de la structure atomique du matériau, seuls quatre des cinq électrons de valence peuvent être impliqués dans des liaisons covalentes. Cela signifie que pour chaque atome de dopant, il y a un électron « libre » supplémentaire qui peut ensuite entrer dans la bande de conduction et commencer à conduire l'électricité. Par conséquent, les atomes dopants dans les semi-conducteurs de type n sont appelés donateurs car ils "donnent" des électrons à la bande de conduction. En termes de théorie des bandes, on peut imaginer les électrons libres des donneurs ayant un niveau d'énergie proche des énergies de la bande de conduction. Comme la bande interdite est faible, les électrons peuvent facilement sauter dans la bande de conduction et commencer à conduire un courant.

Qu'est-ce qu'un semi-conducteur de type p

Un semi-conducteur de type p est fabriqué en dopant un semi-conducteur intrinsèque avec des éléments du groupe III tels que le bore (B) ou l'aluminium (Al). Dans ces éléments, il n'y a que trois électrons de valence par atome. Lorsque ces atomes sont ajoutés à un semi-conducteur intrinsèque, chacun des trois électrons peut former des liaisons covalentes avec les électrons de valence de trois des atomes environnants du semi-conducteur intrinsèque. Cependant, en raison de la structure cristalline, l'atome dopant peut créer une autre liaison covalente s'il avait un électron de plus. En d'autres termes, il y a maintenant une "vacance" pour un électron, et souvent une telle "vacance" est appelée un trou. L'atome dopant peut maintenant extraire un électron de l'un des atomes environnants et l'utiliser pour former une liaison. Dans les semi-conducteurs de type p, les atomes dopants sont appelés accepteurs car ils prennent des électrons pour eux-mêmes.

Maintenant, l'atome qui s'est fait voler un électron se retrouve également avec un trou. Cet atome peut désormais voler un électron à l'un de ses voisins, qui, à son tour, peut voler un électron à l'un de ses voisins… et ainsi de suite. De cette façon, nous pouvons en fait imaginer qu'un "trou chargé positivement" peut traverser la bande de valence d'un matériau, de la même manière qu'un électron peut traverser la bande de conduction. Le « mouvement des trous » dans la bande de conduction peut être considéré comme un courant. Notez que le mouvement des trous dans la bande de valence est dans la direction opposée au mouvement des électrons dans la bande de conduction pour une différence de potentiel donnée. Dans les semi-conducteurs de type p, les trous sont dits porteurs majoritaires tandis que les électrons dans la bande de conduction sont les porteurs minoritaires.

En termes de théorie des bandes, l'énergie des électrons acceptés ("le niveau accepteur") se situe un peu plus haut que l'énergie de la bande de valence. Les électrons de la bande de valence peuvent facilement atteindre ce niveau, laissant des trous dans la bande de valence. Le diagramme ci-dessous illustre les bandes d'énergie dans les semi-conducteurs intrinsèques, de type n et de type p.

Bandes d'énergie dans les semi-conducteurs intrinsèques, de type n et de type p.

Différence entre les semi-conducteurs de type p et de type n

Dopants

Dans semi-conducteur de type p, les dopants sont des éléments du groupe III.

Dans semi-conducteur de type n, les dopants sont des éléments du groupe IV.

Comportement des dopants:

Dans semi-conducteur de type p, les atomes dopants sont accepteurs: ils prennent des électrons et créent des trous dans la bande de valence.

Dans semi-conducteur de type n, les atomes dopants agissent comme donateurs: ils donnent des électrons qui peuvent facilement atteindre la bande de conduction.

Transporteurs majoritaires

Dans semi-conducteur de type p, les porteurs majoritaires sont des trous qui se déplacent dans la bande de valence.

Dans semi-conducteur de type n, les porteurs majoritaires sont des électrons qui se déplacent dans la bande de conduction.

Mouvement des transporteurs majoritaires

Dans semi-conducteur de type p, les porteurs majoritaires se déplacent dans le sens du courant conventionnel (du potentiel le plus élevé vers le potentiel le plus bas).

Dans semi-conducteur de type n, les porteurs majoritaires se déplacent dans le sens inverse du courant conventionnel.

Image de courtoisie:

« Comparaison des structures de bandes électroniques des métaux, des semi-conducteurs et des isolants. » par Pieter Kuiper (fait maison) [Domaine public], via Wikimedia Commons