II.7.2.2. Dopage de type P :
Les semiconducteurs de type P sont également des
semiconducteurs extrinsèques. Le but d'un dopage P est de
créer un excès de trous. Dans ce cas, un atome trivalent,
généralement un atome de Bore, est substitué à un
atome de silicium dans le réseau cristallin. En conséquence, il
manque un électron pour l'une des quatre liaisons covalentes des atomes
de silicium adjacents, et l'atome peut accepter un électron pour
compléter cette quatrième liaison, formant ainsi un trou. Quand
le dopage est suffisant, le nombre de trous dépasse de loin le nombre
d'électrons. Les trous sont alors des porteurs majoritaires et les
électrons des porteurs minoritaires sont appelés accepteurs.
· le dopage de type N, qui consiste
à produire un excès d'électrons, qui sont
négativement chargés;
· le dopage de type P, qui consiste
à produire une carence en électrons, donc un excès de
trous, considérés comme positivement
chargés.
Les schémas suivants présentent des exemples de
dopage du Silicium respectivement par du Phosphore (dopage N) et du
Bore (dopage P). Dans le cas du Phospore (à gauche), un
électron supplémentaire est amené. Dans le cas du Bore
(à droite), il manque un électron; c'est donc un trou
d'électron qui est amené.
Figure II. 5: Dopage du silicium
par du Phosphore (N) et du Bore (P).
II.7.2.3. Atomes donneurs et accepteurs :
L'atome d'impureté provoque des effets qui
dépendent de la colonne qu'il occupe dans la classification
périodique de Mendeleïev, par rapport à la colonne de
l'atome qu'il remplace.
· Si l'atome dopant appartient à la même
colonne que l'atome qu'il remplace, ils sont isovalents (ou
isoélectriques). Les électrons de valence de l'atome
d'impureté remplacent exactement les électrons de l'atome
initial. Les propriétés de conduction électrique du
matériau ne sont pas modifiées.
· Si l'atome dopant appartient à la colonne
précédente, il manque alors un électron
périphérique pour rétablir l'ensemble des liaisons
covalentes initiales. Il apparaît alors une carence en électron,
autrement dit un trou. L'atome inséré est dit accepteur
(d'électron), car il est capable de recevoir un électron
supplémentaire, provenant de la bande de valence. C'est un dopage
P.
· Si l'atome dopant appartient à la colonne
suivante, il possède un électron supplémentaire par
rapport à l'atome initial. Les liaisons covalentes initiales sont
restaurées, mais un des électrons n'est pas utilisé dans
ces liaisons. Il est donc sur un état libre du système. L'atome
inséré est dit donneur (d'électron).
C'est un dopage N.
Un même atome dopant peut être à la fois
donneur et accepteur : il est alors dit amphotère.
C'est par exemple le cas du Silicium (Si, colonne IV), qui est un dopant de
l'Arséniure de gallium (AsGa) : si le Si se met en substitution d'un
atome de Gallium (colonne III), il est donneur d'électron. S'il est en
substitution d'un atome d'Arsenic (colonne V), il est accepteur.
Si l'énergie d'ionisation ÄE est
inférieure à l'énergie thermique ambiante kT
(où k est la constante de Boltzmann et T la
température), alors les atomes d'impuretés sont ionisés
à température ambiante.
II.7.3. Modification de la structure en bandes
d'énergie :
Le dopage provoque l'apparition de nouveaux niveaux accepteurs
et donneurs d'électrons dans la structure de bande du matériau
dopé. Ces niveaux apparaissent dans le gap, entre la bande de
conduction et la bande de valence.
Lors d'un dopage N (schéma de gauche),
l'introduction d'atomes donneurs d'électrons entraîne l'apparition
d'un pseudo niveau d'énergie situé juste sous la bande de
conduction. Ainsi, l'énergie nécessaire pour que les
électrons passent dans la bande de conduction est bien plus facilement
atteinte que dans un semiconducteur intrinsèque.
Lors d'un dopage P (schéma de droite),
l'introduction d'atomes accepteurs d'électrons entraîne, de
manière analogue, l'apparition d'un pseudo niveau situé au-dessus
de la bande de valence. L'énergie à fournir aux électrons
de valence pour passer sur ce niveau accepteur est faible, et le départ
des électrons entraîne l'apparition de trous dans la bande de
valence.
(a) (b)
Figure II. 6: (a) Dopage de type n,
(b) Dopage de type p.
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