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Dans la vidéo précédente, nous avons expliqué que les semi-conducteurs ne conduisent pas l'électricité très bien.

Une façon de manipuler la conductivité électrique dans les semi-conducteurs est de manipuler la concentration des porteurs chargés électriquement. Nous pouvons le faire en utilisant le dopage. Dans cette vidéo, nous allons d'abord présenter ce qu'est le dopage. Ensuite, nous verrons comment le dopage change les propriétés des matériaux importants dans les semi-conducteurs. La concentration des porteurs de charge dans un semi-conducteur peut être manipulé par dopage le matériel. Dopage signifie que nous ajoutons des impuretés dans un environnement contrôlé

moyen de la matière. Prenons l'exemple du silicium. Le silicium a quatre électrons de valence. Dans un réseau de silicium, chaque atome est lié, de façon covalente, à quatre autres atomes de silicium. Nous pouvons prendre ce réseau de silicium et de remplacement une petite quantité d'atomes de silicium avec des atomes différents. Cela se fait couramment avec des atomes de deux éléments différents: Le bore et le phosphore. Le bore atome a trois électrons de valence, tandis que l'atome de phosphore a cinq électrons de valence.

Lorsque le bore est utilisé comme dopant, le matériau résultant est appelé de type p. Lorsque le phosphore est utilisé, nous appelons ce matériau de type n. Alors qu'est-ce qui se passe réellement lorsque nous substituons des atomes de silicium avec ces impuretés? Ici vous pouvez voir une représentation schématique de la liaison entre les atomes de silicium et de bore. Le bore est un atome au milieu de ce diagramme lié à quatre atomes de silicium. On peut voir que trois des atomes de silicium ont des liaisons covalentes avec l'atome de bore.

Cependant, l'un des atomes de silicium a une drôle de liaison avec l'atome de bore. En effet, les actions de l'atome de bore un seul électron de valence. Ce lien est manquant un électron. Cet électron manquant est noté comme un trou. Sur le côté droit de cette diapositive, nous pouvons voir la situation avec un atome de phosphore. Quatre électrons de valence de la forme d'atome de phosphore quatre liaisons covalentes avec des voisins des atomes de silicium. Étant donné que l'atome de phosphore a cinq électrons de valence,

il y a un électron supplémentaire flottant autour et ne pas être impliqué dans une liaison. Ce que nous venons de l'expliquer peut être mieux visualisé avec l'aide de la liaison à deux dimensions maquette. Commençons comparer intrinsèque et dopés les semi-conducteurs à zéro Kelvin. On peut voir que dans le réseau d'un type n semi-conducteur, il y a des électrons « extra » portés par des atomes de phosphore. De même, le réseau de type p contient des trous supplémentaires portés par des atomes de bore.

Si la température augmente, certaines liaisons silicium-silicium peuvent se briser et les électrons sont libérés des obligations. Les électrons manquants dans les obligations représentent particules virtuelles que nous appelons des trous. Ainsi, brisant les liens aboutit à la formation des paires électron-trou. Ces électrons et les trous sont mobiles et peuvent déplacer à travers le matériau. Le même processus d'obligations rupture se produit aussi si le matériau est dopé. Cependant, en matériau dopé excitation thermique

affecte aussi les atomes de dopant. Dans les matériaux de type n, le phosphore supplémentaire électronique a besoin d'une très faible quantité d'énergie thermique pour se détacher de l'atome de phosphore et devenir mobile. Par conséquent, nous disons que l'atome de phosphore « don » un électron libre mobile dans le réseau de silicium. Pour cette raison, le phosphore est également appelé être un « donneur ». Si cet électron mobile quitte le phosphore atome, l'atome de phosphore se charge positivement.

En effet, il a plus de protons que d'électrons maintenant. Dans les matériaux de type p, les électrons peuvent être facilement acceptés par des atomes de bore pour remplir les trous et terminer la liaison covalente avec un atome de silicium. Nous appelons comme le bore « dopants accepteurs ». L'atome de bore devient chargé négativement car il a maintenant accepté un électron supplémentaire. Nous disons que les atomes de bore sont négativement ionisées. L'ionisation des atomes dopants peut affecter localement la neutralité de la charge du réseau lui-même.

Cela se produit lorsque les opérateurs mobiles appauvrissent la région avec des atomes dopants ionisés fixes En conséquence, le treillis devient localement chargé positivement dans le type n, tandis que dans le type p, il deviendra chargé négativement. Néanmoins, la neutralité de charge de l'ensemble du matériel est toujours maintenu. Dans les vidéos précédentes, nous avons souligné le rapport entre l'énergie électronique et La composition du matériau et de la structure. De plus, nous avons également introduit l'énergie de Fermi

niveau et a montré que sa position dépend de la densité d'états efficaces dans le bandes de conduction et de valence. Nous pouvons donc espérer que, lors de l'insertion atomes de donneur et accepteur, ces propriétés seront affectées. Voyons comment. Commençons par regarder les diagrammes de bande de nos trois matériaux. Dans les vidéos précédentes, je vous ai montré le diagramme de bande d'un semi-conducteur intrinsèque. La position du niveau de Fermi que j'ai

E_Fi marqué est ici d'une grande importance. E_Fi représente le niveau de Fermi d'un intrinsèque semi-conducteur. Dans le diagramme de bande du matériau de type n, le niveau d'énergie notée ED représente l'énergie des électrons « extra » de phosphore atomes qui ne sont pas impliqués dans des obligations. Le niveau d'énergie de cet électron faiblement lié se trouve à proximité de la bande de conduction. Une fois libéré de l'atome, il gagnera l'énergie et occupent un niveau d'énergie dans la bande de conduction.

Depuis par le dopage, nous augmentons nombre d'électrons avec des énergies dans la bande de conduction de la moyenne énergie des électrons augmente. Cela se traduira par un changement du niveau de Fermi vers la bande de conduction. J'ai dessiné le niveau de Fermi intrinsèque référence, mais le véritable niveau de Fermi E_F est dessiné ici en rouge. Vous pouvez voir qu'il se situe entre le niveau de Fermi intrinsèque et la bande de conduction et la plus nous doper le matériau, plus le niveau de Fermi sera à la bande de conduction.

Si nous regardons un matériau de type p, nous pouvons voir un effet similaire, mais contraire. Maintenant, nous avons un niveau d'énergie, notée E_A, qui est occupée par des électrons qui sont acceptés pour former des liaisons covalentes. Etant donné que dans ce cas, la plupart des électrons occupent les niveaux d'énergie dans ou à proximité de la bande de valence de l'énergie moyenne des électrons diminue. Le niveau de Fermi est décalée vers la bande de valence. Encore une fois, plus le dopage avec des atomes accepteurs, plus le niveau de Fermi sera

de la bande de valence. Avant de passer en avant avec quelques calculs pour déterminer la concentration des porteurs de charge mobiles, il est important de comprendre certains terminologie importante. Dans les semi-conducteurs, on distingue souvent entre majorité et porteurs de charge minoritaires. Comme vous le savez déjà, nous traitons deux types de porteurs de charge dans les semi-conducteurs. Électrons chargés négativement et positivement des trous pratiqués. Dans un semi-conducteur intrinsèque, nous avons la

même nombre d'électrons et de trous. Cependant, avec le dopage nous manipulons la concentration d'un seul type de porteurs de charge. Nous appelons les transporteurs dont la concentration est beaucoup plus grande que celle des autres porteurs majoritaires de type. Ce sont des trous dans des matériaux de type p et des électrons dans les matériaux de type n. porteurs de charge minoritaires sont les porteurs avec une concentration beaucoup plus faible que la majorité transporteurs. Ce sont des électrons dans les matériaux dans de type p

et les trous dans les matériaux de type n. La concentration en dopant peut être sélectivement choisi en fonction de l'application. Pour silicium cristallin on peut avoir trois les niveaux de dopage, faible, modérée et forte, dont les gammes peut le voir dans cette image. À titre d'illustration lorsque l'on prend un dopage modéré de 10 à la puissance de 16 atomes de dopant par cubique centimètre cela signifie que nous avons substitué seulement un atome de silicium de 1 million de silicium atomes. Pour les applications de cellules solaires, nous en général

utiliser des couches modérée à forte concentration de dopant. Dans cette vidéo, nous avons examiné la façon dont le dopage affecte quelques-unes des propriétés semi-conductrices qualitativement. Dans la vidéo suivante, nous allons apprendre comment calculer les concentrations de porteurs et la position des niveaux de Fermi des semi-conducteurs en fonction leur concentration de dopage.



Video Description

PV1x_2017_2.2.3_Doping-video.mp4