La génération de porteurs de charge dans les matériaux semi-conducteurs est un processus important pour le développement de l’électronique moderne. C’est le processus par lequel des électrons et des trous sont générés dans un matériau semi-conducteur, permettant la circulation du courant.
Ce processus est essentiel au fonctionnement des transistors, des diodes et d’autres composants électroniques. La génération de porteurs de charge est également importante pour le développement des cellules solaires, car elle permet la conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique.
De plus, la génération de porteurs de charge est essentielle au développement des dispositifs optoélectroniques, comme les diodes électroluminescentes et les diodes laser. En conclusion, la génération de porteurs de charge dans les matériaux semi-conducteurs est un processus essentiel au développement de l’électronique moderne et des dispositifs optoélectroniques.
Structure de bandes d’énergie
Les semi-conducteurs sont des matériaux cristallins dont les niveaux atomiques de la couche externe présentent une structure de bandes d’énergie, constituée d’une bande de valence, d’une bande d’énergie « interdite » et d’une bande de conduction.
Les bandes d’énergie sont des régions comportant de nombreux niveaux discrets si rapprochés qu’on peut les considérer comme un continuum, tandis que la bande d’énergie « interdite » est une région où aucun niveau d’énergie n’est disponible.
Comme le principe de Pauli interdit à plus d’un électron d’occuper le même état, la dégénérescence des niveaux d’énergie de la couche atomique externe se rompt pour former de nombreux niveaux discrets à peine séparés les uns des autres. Comme deux électrons de spins opposés peuvent occuper le même niveau, il existe autant de niveaux qu’il y a de paires d’électrons dans le cristal. Cette rupture de dégénérescence n’affecte cependant pas les niveaux atomiques internes, qui sont plus étroitement liés.
La bande d’énergie la plus élevée est la bande de conduction. Les électrons de cette région sont détachés de leur atome d’origine et peuvent circuler librement dans tout le cristal. Les électrons des niveaux de la bande de valence, en revanche, sont plus étroitement liés et restent associés à leurs atomes du réseau respectifs.
La largeur de la bande interdite et des bandes est déterminée par l’espacement du réseau entre les atomes. Ces paramètres dépendent donc de la température et de la pression. Dans les conducteurs, la bande interdite n’existe pas, tandis que dans les isolants, elle est large.
À température normale, les électrons d’un isolant se trouvent normalement tous dans la bande de valence, l’énergie thermique étant insuffisante pour exciter les électrons au travers de cette bande interdite. Lorsqu’un champ électrique externe est appliqué, il n’y a donc aucun mouvement d’électrons dans le cristal et donc aucun courant. Pour un conducteur, en revanche, l’absence de bande interdite permet très facilement aux électrons excités thermiquement de passer dans la bande de conduction, où ils peuvent circuler librement dans le cristal. Un courant circule alors dès qu’un champ électrique est appliqué.
Dans un semi-conducteur, la bande interdite est de taille intermédiaire, si bien que seuls quelques électrons sont excités vers la bande de conduction par l’énergie thermique. Lorsqu’un champ électrique est appliqué, on observe donc un faible courant. Si le semi-conducteur est refroidi, en revanche, la quasi-totalité des électrons retombera dans la bande de valence et la conductivité du semi-conducteur diminuera.
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Les porteurs de charge dans les semi-conducteurs
Les porteurs de charge dans les semi-conducteurs sont des particules qui transportent la charge électrique à travers un matériau semi-conducteur. Ces particules sont responsables des propriétés électriques des semi-conducteurs, comme leur capacité à conduire l’électricité. Les porteurs de charge peuvent être des électrons ou des trous, selon le type de matériau semi-conducteur.
Les électrons sont le type de porteur de charge le plus courant dans les semi-conducteurs. Ce sont des particules chargées négativement, situées au niveau d’énergie le plus externe de l’atome.
Les trous sont l’autre type de porteur de charge dans les semi-conducteurs. Ce sont des particules chargées positivement, situées au niveau d’énergie le plus interne de l’atome. Les trous se forment lorsque des électrons passent d’un atome à un autre, laissant derrière eux un « trou » dans le niveau d’énergie de l’atome. Les trous sont responsables d’une minorité de la conduction électrique dans les semi-conducteurs.
Lorsqu’un champ électrique est appliqué à un semi-conducteur, les trous et les électrons sont forcés de se déplacer d’un atome à un autre, créant un courant électrique.
À 0 K, dans l’état d’énergie le plus bas du semi-conducteur, les électrons de la bande de valence participent tous à la liaison covalente entre les atomes du réseau.
À température normale, cependant, l’action de l’énergie thermique peut exciter un électron de valence vers la bande de conduction, laissant un trou à sa position d’origine. Dans cet état, il est facile pour un électron de valence voisin de quitter sa liaison pour combler le trou. Cela laisse alors un trou à la position voisine. Si l’électron voisin suivant répète la séquence, le trou semble se déplacer à travers le cristal. Comme le trou est positif par rapport à la mer d’électrons négatifs de la bande de valence, le trou se comporte comme un porteur de charge positif, et son déplacement à travers le cristal constitue lui aussi un courant électrique.
Dans un semi-conducteur, le courant électrique provient donc de deux sources : le déplacement des électrons libres dans la bande de conduction et le déplacement des trous dans la bande de valence. Cela contraste avec un métal, où le courant n’est porté que par des électrons.
Interaction of Particles with Matter: From Theory to Measurements
Understand the Mysteries of Radiation: Master the Interaction with Matter in a Few Simple Steps
L’énergie nécessaire pour créer des porteurs de charge dans les semi-conducteurs
L’énergie W nécessaire pour créer une paire électron-trou dans un semi-conducteur par une particule chargée massive traversant le milieu dépend de l’énergie de bande interdite Eg du matériau et donc, quoique légèrement, de la température.
Les mesures de cette grandeur montrent une dépendance quasi linéaire à l’énergie de bande interdite, et l’ajustement linéaire des données obtenues pour différents matériaux donne [1]
L’énergie de génération de porteurs de charge est toujours supérieure à l’énergie de bande interdite, en raison de l’excitation additionnelle possible d’états de phonons et de plasmons. L’excitation des phonons transfère de l’énergie au réseau, et cette énergie transférée apparaît finalement sous forme de chaleur dans le détecteur.
L’énergie moyenne W nécessaire pour créer une paire électron-trou a été calculée et mesurée lors d’expériences impliquant des particules chargées de haute énergie et des photons X [1,2]. L’énergie moyenne W nécessaire pour créer une paire électron-trou dans le silicium est W ≈ 3,68 eV.
Références
- R.C.Alig, S.Bloom, C.W.Struck, Scattering by Ionization and Phonon Emission In Semiconductors, Phys. Rev. B, Vol.22, No.12, (1980), pp.5565-5582.
- G.W.Fraser et al., The X-ray Energy Response of Silicon, Nucl. Instr. and Meth., A 350, (1994), pp.368-378.
- S. Meroli « Interaction of radiation with matter: from the theory to the measurements »
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