Semi-conducteur
Renseignements généraux
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Un semi-conducteur est un matériau avec conductivité électrique due à un flux d'électrons (par opposition à conductivité ionique) d'amplitude intermédiaire entre celui d'une conducteur et une isolateur. Cela signifie une conductivité plus ou moins dans la plage de 10 3 à 10 -8 siemens par centimètre. Matériaux semi-conducteurs sont à la base de l'électronique moderne, y compris la radio, ordinateurs, téléphones, et de nombreux autres dispositifs. Ces dispositifs comprennent transistors, les cellules solaires, de nombreux types de les diodes dont la diode émettrice de lumière, le redresseur commandé au silicium, et des circuits intégrés numériques et analogiques. De même, semi-conducteurs panneaux solaires photovoltaïques convertissent directement l'énergie lumineuse en énergie électrique. Dans un conducteur métallique, le courant est transporté par le flux d' électrons . Dans les semi-conducteurs, le courant est schématisé comme étant souvent effectué soit par le flux d'électrons ou par le flux de charge positive " trous "dans la structure électronique de la matière. En fait, cependant, dans les deux cas que les mouvements d'électrons sont impliqués.
Matériaux semi-conducteurs communs sont solides cristallins, mais semi-conducteurs amorphes et liquides sont connus. Il se agit notamment du silicium amorphe hydrogéné et des mélanges de l'arsenic , du sélénium et du tellure dans une variété de proportions. Ces composés partagent avec les semi-conducteurs les plus connus conductivité intermédiaire et d'une variation rapide de la conductivité avec la température, ainsi que de temps en temps résistance négative. De tels matériaux désordonnés pas la structure de semi-conducteurs classiques tels que le silicium cristallin rigide et sont généralement utilisés en des structures à couches minces, qui sont moins exigeants pour ce qui concerne la qualité électronique du matériau et sont donc relativement insensible aux impuretés et les dégâts d'irradiation. Les semi-conducteurs organiques, ce est-matériaux organiques ayant des propriétés semblables à semi-conducteurs classiques, sont également connus.
Silicon est utilisé pour créer la plupart des semi-conducteurs dans le commerce. Douzaine de d'autres matériaux sont utilisés, y compris le germanium , l'arséniure de gallium, et carbure de silicium. Un semi-conducteur pur est souvent appelé un semi-conducteur "intrinsèque". Les propriétés électroniques et la conductivité d'un semi-conducteur peuvent être modifiés d'une manière contrôlée par l'addition de très petites quantités d'autres éléments, appelés "dopants", à la matière intrinsèque. En silicium cristallin typiquement ceci est obtenu en ajoutant des impuretés de bore ou de phosphore à l'état fondu, puis en laissant la masse fondue se solidifier dans le cristal. Ce processus est appelé «dopage».
Expliquer bandes d'énergie de semi-conducteurs
Il ya trois façons populaires pour classer la structure électronique d'un cristal.
- structure de bande
- atomes - cristal - vide
En un seul atome H un électron réside dans orbitales bien connus. Notez que les orbitales sont appelées S, P, D dans l'ordre croissant courant circulaire.
Rassembler deux atomes conduit à orbitales délocalisées à travers deux atomes, donnant une une liaison covalente. En raison de Principe d'exclusion de Pauli, chaque Etat peut contenir un seul électron.
Ceci peut être poursuivie avec d'autres atomes. Remarque: Cette image montre un métal, un semi-conducteur pas réelle.
Continuer à ajouter crée un cristal, qui peut ensuite être découpée en une bande et fondus ensemble aux extrémités pour permettre à des courants circulaires.
Pour ce solide la structure régulière de la bande peut être calculée ou mesurée.
Intégration sur l'axe de k donne les bandes d'un semi-conducteurs montrant une bande de valence complet et d'une bande de conduction vide. Généralement arrêtant au niveau de vide ne est pas souhaitable, parce que certaines personnes veulent calculer: photoémission, photoémission inverse
Après que la structure de bande est déterminée états peuvent être combinées pour générer paquets d'ondes. Comme ce est analogue à la vague colis dans l'espace libre, les résultats sont similaires.
Une Description alternative, qui ne pas vraiment apprécier l'interaction de Coulomb forte, tire des électrons libres dans le cristal et se penche sur la dispersion.
Un tiers autre description utilise des électrons non appariés fortement localisées dans les liaisons chimiques, qui ressemble presque à un Isolant de Mott.
Bandes d'énergie et la conduction électrique
Dans les semi-conducteurs cristallins classiques, les électrons peuvent avoir énergies seulement dans certaines bandes (ce est à dire des gammes de niveaux d'énergie). Énergiquement, ces bandes sont situées entre l'énergie de l'état fondamental, ce qui correspond à électrons fortement liés aux noyaux atomiques de la matière, et l'énergie des électrons libres. Ce dernier est l'énergie nécessaire pour un électron de se échapper entièrement à partir de la matière. Les bandes d'énergie correspondent chacune à un grand nombre de discrète états quantiques des électrons, et la plupart des Etats à faible énergie (plus près du noyau) sont pleins, jusqu'à une bande particulière appelée bande de valence. Semi-conducteurs et d'isolants se distinguent des métaux parce que la bande de valence dans les est presque rempli d'électrons dans des conditions de fonctionnement normales, tandis que très peu (semi-conducteur) ou pratiquement nul (isolant) d'entre eux sont disponibles dans la bande de conduction, la bande immédiatement au-dessus de la valence groupe.
La facilité avec laquelle les électrons dans un semi-conducteur peuvent être excités à partir de la bande de valence à la bande de conduction dépend de la gap entre les bandes. La taille de cette bande d'énergie interdite sert de ligne de démarcation arbitraire (environ 4 eV) entre les semi-conducteurs et isolateurs.
Avec des liaisons covalentes, un électron se déplace en sautillant à une obligation voisine. Le Principe d'exclusion de Pauli nécessite l'électron être levée dans l'état anti-collage supérieur de ce lien. Pour les Etats délocalisée, par exemple dans une dimension - ce est dans un nanofil, pour chaque énergie, il est un état avec des électrons circulant dans un sens et un autre état avec les électrons circulant dans l'autre. Pour un net courant de se écouler, plusieurs Etats pour un sens que dans l'autre sens doit être occupé. Pour que cela se produise, l'énergie est requise, comme dans le semi-conducteur des prochaines états supérieurs se situent au-dessus de la bande interdite. Souvent, cela est indiqué que: groupes complets ne contribuent pas à la conductivité électrique. Cependant, comme la température d'un semi-conducteur élève au-dessus du zéro absolu , il n'y a plus d'énergie dans le semi-conducteur de passer sur les vibrations de réseau et - plus important pour nous - sur la levée de certains des électrons dans un des états d'énergie de la bande de conduction. Les électrons transportant le courant dans la bande de conduction sont connus comme "électrons libres", mais ils sont souvent simplement appelés "électrons" si le contexte permet cet usage soit clair.
Les électrons excités à la bande de conduction laissent aussi derrière trous d'électrons, ou des états inoccupés dans la bande de valence. Tant les électrons de la bande de conduction et des trous de bande de valence contribuent à la conductivité électrique. Les trous eux-mêmes ne se déplacent pas vraiment, mais un électron voisin peuvent se déplacer pour combler le trou, laissant un trou à l'endroit qu'elle vient de partir, et de cette façon les trous semblent se déplacer, et les trous se comportent comme se ils étaient réels particules chargées positivement.
Une liaison covalente entre les atomes voisins dans le solide est dix fois plus forte que la liaison de l'électron unique de l'atome, de sorte que la libération d'électrons ne implique pas la destruction de la structure cristalline.
absence d'électrons un porteur de charge: Trous
Le concept de les trous peuvent aussi être appliqués à des métaux , où les Niveau de Fermi se trouve dans la bande de conduction. Avec la plupart des métaux de la Effet Hall indique électrons sont les porteurs de charge. Toutefois, certains métaux ont une bande de conduction essentiellement rempli. Dans ceux-ci, la Effet Hall révèle porteurs positifs de charge, qui ne sont pas les ions noyaux, mais trous. Dans le cas d'un métal, seulement une petite quantité d'énergie est nécessaire pour les électrons de trouver d'autres états inoccupés à passer à, et donc pour le passage du courant. Parfois, même dans ce cas, on peut dire qu'un trou a été laissé derrière, à expliquer pourquoi l'électron ne retombe pas à des énergies plus faibles: Il ne peut pas trouver un trou. En fin de compte dans les deux matériaux d'électrons la diffusion des phonons et les défauts sont les causes dominantes de la résistance .
La distribution d'énergie des électrons détermine lequel des états sont remplis et qui sont vides. Cette répartition est décrite par Statistique de Fermi-Dirac. La distribution est caractérisée par la température des électrons, et le Fermi énergie ou niveau de Fermi. Sous zéro absolu conditions l'énergie de Fermi peut être considéré comme l'énergie jusqu'à laquelle états électroniques disponibles sont occupés. A des températures plus élevées, l'énergie de Fermi est l'énergie à laquelle la probabilité d'un état étant occupé est tombé à 0,5.
La dépendance de la distribution d'énergie des électrons de la température explique aussi pourquoi la conductivité d'un semi-conducteur a une forte dépendance de température, comme un semi-conducteur fonctionnant à des températures inférieures aura moins d'électrons et les trous disponibles capables de faire le travail.
Dispersion de l'énergie-impulsion
Dans la description qui précède un fait important est ignoré pour des raisons de simplicité: la dispersion de l'énergie. La raison pour laquelle les énergies des états sont élargies en une bande est que l'énergie dépend de la valeur de la vecteur d'onde, ou k-vecteur, de l'électron. La k-vecteur, en mécanique quantique, est la représentation de la dynamique d'une particule.
La relation de dispersion détermine la la masse effective m *, des électrons ou des trous dans le semi-conducteur, selon la formule:
![m ^ {*} = \ hbar ^ 2 \ cdot \ left [{{d ^ 2 E (k)} \ over {dk ^ 2}} \ right] ^ {- 1}.](../../images/1080/108012.png)
La masse effective est importante car elle affecte un grand nombre des propriétés électriques de la semi-conducteur, tels que l'électron ou trou la mobilité, ce qui influence à son tour la diffusivité des porteurs de charge et la la conductivité électrique du semi-conducteur.
Typiquement, la masse effective des électrons et des trous sont différents. Ceci affecte le rendement relatif de canal p et à canal n IGFETs.
La partie supérieure de la bande de valence et le fond de la bande de conduction peut pas se produire à cette même valeur de k. Matériaux à cette situation, tels que le silicium et germanium , sont connus comme matériaux à bande interdite indirecte. Matériaux dans lequel les extrema de la bande sont alignés en k, par exemple arséniure de gallium, sont appelés semi-conducteurs à gap direct. Semi-conducteurs à gap direct sont particulièrement importantes dans optoélectronique, car ils sont beaucoup plus efficaces que émetteurs de lumière que matériaux à gap indirect.
génération de porteurs et la recombinaison
Quand un rayonnement ionisant frappe un semi-conducteur, il peut exciter un électron de son niveau d'énergie et par conséquent laisser un trou. Ce processus est connu sous le nom électron-trou de génération de paire. Des paires électron-trou sont générées à partir constamment l'énergie thermique ainsi, en l'absence de toute source d'énergie externe.
Paires électron-trou sont également susceptibles de se recombiner. Conservation de l'énergie exige que ces événements de recombinaison, dans lequel un électron perd une quantité d' énergie plus grande que la bande interdite, être accompagné par l'émission d'énergie thermique (sous la forme de phonons) ou la radiothérapie (sous la forme de photons ).
Dans certains Etats, la génération et la recombinaison des paires électron-trou sont en équilibre. Le nombre de paires électron-trou dans le l'état d'équilibre à une température donnée est déterminée par mécanique statistique quantique. Les précis de mécanique quantique mécanismes de génération et de recombinaison sont régies par conservation de l'énergie et de la conservation du moment .
Comme la probabilité que les électrons et les trous se rencontrent est proportionnelle au produit de leurs montants, le produit est en état d'équilibre à peu près constant à une température donnée, à condition qu'il n'y a aucun champ électrique significative (qui pourrait "vider" les transporteurs des deux types, ou les déplacer de régions voisines contenant plusieurs d'entre eux de se réunir) ou tirée par l'extérieur génération de paire. Le produit est une fonction de la température, comme la probabilité d'obtenir suffisamment d'énergie thermique pour produire une paire augmente avec la température, étant approximativement exp (- E G / kT), où k est La constante de Boltzmann, T est la température absolue et E G est largeur de bande.
La probabilité de réunion est augmentée par Carrier-pièges impuretés ou dislocations qui peuvent piéger un électron ou un trou et le maintenir jusqu'à ce qu'une paire est terminée. Ces pièges à porteurs sont parfois délibérément ajoutées à réduire le temps nécessaire pour atteindre l'état d'équilibre.
Semi-isolants
Certains matériaux sont classés comme semi-isolants. Celles-ci ont une conductivité électrique proche de celle des isolants électriques. Semi-isolateurs trouver des applications de niche dans la micro-électronique, tels que des substrats pour HEMT. Un exemple d'un semi-isolant commun est l'arséniure de gallium.
Dopage
La propriété de semi-conducteurs qui les rend plus utile pour la construction de dispositifs électroniques, ce est que leur conductivité peut facilement être modifié par l'introduction d'impuretés dans leur réseau cristallin. Le processus d'ajout impuretés contrôlées pour un semi-conducteur est connu comme le dopage. Le montant de l'impureté ou dopant, ajoutée à un semiconducteur intrinsèque (pur) varie son niveau de conductivité. Semi-conducteurs dopés sont souvent désignés comme extrinsèque. En ajoutant impureté à semi-conducteurs purs, la conductivité électrique peut être modifiée non seulement par le nombre d'atomes d'impureté, mais aussi, par le type d'atome d'impureté et l'évolution peut être mille plis et replis million. Par exemple, 1 cm 3 d'un métal ou semi-conducteurs spécimen a un nombre d'atomes de l'ordre de 10 22. Étant donné que chaque atome dans le métal verse au moins un électron libre pour la conduction dans le métal, 1 cm 3 de métal contient des électrons libres sur le ordre de 10 22. A la température proche de 20 ° C, 1 cm 3 de germanium pur contient environ 4,2 × 10 22 atomes et 2,5 × 10 13 électrons libres et 2,5 × 10 13 trous (espaces vides dans le réseau cristallin ayant une charge positive) L'addition de 0,001% de l'arsenic (une impureté) fait un don de un supplément de 10 17 électrons libres dans le même volume et la conductivité électrique augmente d'environ 10 000 fois ".
Dopants
Les matériaux choisis comme dopants appropriés dépendent des propriétés atomiques à la fois du dopant et le matériau devant être dopés. En général, les dopants qui produisent les variations contrôlées désirées sont classées comme des électrons accepteurs ou donateurs. Un atome donneur qui active (ce est-à est incorporé dans le réseau cristallin) fait don faiblement liée électrons de valence pour la matière, ce qui crée un excès négatif les porteurs de charge. Ces électrons faiblement liés peuvent se déplacer dans le réseau cristallin relativement librement et peuvent faciliter la conduction en présence d'un champ électrique. (Les atomes donneurs introduisent certains États en vertu, mais très proche de la limite de la bande de conduction. Électrons à ces états peuvent être facilement excités à la bande de conduction, de devenir des électrons libres, à la température ambiante.) Inversement, un accepteur activé produit un trou. Semi-conducteurs dopées par des impuretés donneuses sont appelés de type n , tandis que ceux dopée avec des impuretés acceptrices sont connus comme de type p . Les n et p désignations de type indiquent qui chargent actes porteuses que le matériau de porteur de charge majoritaire. Le transporteur en face est appelé porteurs minoritaires, qui existe en raison d'une excitation thermique à une concentration beaucoup plus faible par rapport au porteur de charge majoritaire.
Par exemple, le semi-conducteur pur silicium a quatre électrons de valence. Dans le silicium, dopants les plus courants sont UICPA groupe 13 (communément appelé groupe III) et groupe 15 (communément appelé V groupe) éléments. Groupe de 13 éléments contiennent tous trois électrons de valence, les faisant fonctionner comme accepteurs lorsqu'il est utilisé pour doper le silicium. Groupe 15 éléments ont cinq électrons de valence, qui leur permet d'agir en tant que donateur. Par conséquent, un cristal de silicium dopé au bore crée un semi-conducteur de type p dopée avec une tandis phosphore conduit à un matériau de type n.
concentration de porteurs
La concentration du dopant introduit à un semi-conducteur intrinsèque détermine sa concentration et affecte indirectement grand nombre de ses propriétés électriques. Le facteur le plus important que le dopage affecte directement est la concentration de porteurs de la matière. Dans un semi-conducteur intrinsèque en équilibre thermique, la concentration des électrons et des trous est équivalent. C'est,
Si nous avons un semi-conducteur non intrinsèque dans l'équilibre thermique de la relation devient:
où n 0 est la concentration d'électrons conducteurs, p 0 est la concentration de trous d'électrons, et n i est la concentration de porteurs intrinsèques du matériau. Concentration en porteurs intrinsèque varie entre les matériaux et dépend de la température. N s i silicium, par exemple, est d'environ 1,08 × 10 10 cm -3 à 300 kelvins (température ambiante).
En général, une augmentation de la concentration de dopage permet une augmentation de la conductivité due à la concentration plus élevée de porteurs disponibles pour la conduction. Dégénérée semi-conducteurs (très fortement) dopées ont des niveaux comparables à ceux des métaux de conductivité et sont souvent utilisés dans modernes de circuits intégrés en tant que remplacement pour le métal. Souvent symboles plus et moins en exposant sont utilisés pour désigner la concentration relative de dopage dans les semi-conducteurs. Par exemple, n + désigne un semi-conducteur de type n avec une, souvent dégénéré, de la concentration de dopage élevée. De même, le p - indique un matériau de type p légèrement dopée très. Il est utile de noter que même les niveaux dégénérés de dopage impliquent de faibles concentrations d'impuretés par rapport au semi-conducteur de base. Dans le silicium cristallin intrinsèque, il ya environ 5 × 10 22 atomes / cm³. La concentration de dopage de semi-conducteurs de silicium peut varier de 10 cm 13 -3 à 10 18 cm -3. Concentration de dopage supérieure à environ 10 18 cm -3 est considéré dégénéré à la température ambiante. Silicium dopé dégénéré contient une proportion d'impuretés de silicium de l'ordre de parties par mille. Cette proportion peut être réduite à parties par milliard dans le silicium très légèrement dopée. Les valeurs de concentration typiques se situent quelque part dans cette plage et sont adaptés pour produire les propriétés désirées dans le dispositif que le semi-conducteur est destiné.
Effet sur la structure de bande
Dopage d'un cristal semi-conducteur autorisé introduit des états d'énergie à l'intérieur de la bande interdite mais très proche de la bande d'énergie qui correspond au type de dopant. En d'autres termes, les impuretés donateurs créent États près de la bande de conduction tandis accepteurs créent États près de la bande de valence. L'écart entre ces états d'énergie et la bande d'énergie le plus proche est généralement considéré comme dopant place énergie de liaison ou E et B est relativement faible. Par exemple, l'E B de bore en masse de silicium est de 0,045 eV, par rapport à l'intervalle d'environ 1,12 eV de la bande de silicium. Parce que E B est si petit, il prend peu d'énergie pour ioniser les atomes dopants et de créer des porteurs libres dans les bandes de conduction ou de valence. Habituellement, l'énergie thermique disponible à la température ambiante est suffisante pour ioniser le dopant de plus.
Des dopants ont également pour effet de déplacer importante du niveau de Fermi du matériau vers la bande d'énergie qui correspond à la dopant avec la plus grande concentration. Étant donné que le niveau de Fermi doit rester constante dans un système équilibre thermodynamique, empilement de couches de matériaux ayant des propriétés différentes conduit à de nombreuses propriétés électriques utiles. Par exemple, le Les propriétés de jonction pn sont dues à la flexion de la bande d'énergie qui se produit à la suite d'aligner les niveaux de Fermi des régions de type p et de type n en contact avec la matière.
Cet effet est montré dans un diagramme de bande. Le diagramme de bande indique généralement la variation dans les bords de la bande de valence et bande de conduction par rapport à une dimension spatiale, x souvent notée. L'énergie de Fermi est aussi généralement indiquée dans le diagramme. Parfois, l'énergie de Fermi intrinsèque, E i, qui est le niveau de Fermi en l'absence de dopage, est représenté. Ces diagrammes sont utiles pour expliquer le fonctionnement de nombreux types de dispositifs semi-conducteurs .
Préparation de matériaux semi-conducteurs
Semi-conducteurs ayant des propriétés électroniques prévisibles, fiables sont nécessaires pour production de masse. Le niveau de pureté chimique nécessaire est extrêmement élevée, car la présence d'impuretés, même en très faibles proportions peut avoir des effets importants sur les propriétés du matériau. Un haut degré de perfection cristalline est également nécessaire, car les défauts dans la structure cristalline (comme dislocations, jumeaux, et défauts d'empilement) interférer avec les propriétés semi-conductrices du matériau. Défauts cristallins sont une cause majeure de dispositifs semi-conducteurs défectueux. Le plus grand cristal, plus il est difficile d'atteindre la perfection nécessaire. Processus de production de masse actuels utilisent cristal lingots entre 100 mm et 300 mm (4-12 pouces) de diamètre qui sont cultivés sous forme de cylindres et découpé en plaquettes.
En raison du niveau requis de pureté chimique et à la perfection de la structure de cristal qui sont nécessaires pour fabriquer des dispositifs à semi-conducteurs, des procédés spéciaux ont été développés pour produire le matériau semi-conducteur initial. Une technique pour la réalisation de haute pureté comprend de plus en plus le cristal en utilisant le processus de Czochralski. Une étape supplémentaire qui peut être utilisé pour augmenter encore la pureté est connu comme zone raffinage. Dans la zone de raffinage, qui fait partie d'un cristal solide est fondu. Les impuretés ont tendance à se concentrer dans la région de fondu, tandis que le matériau souhaité recrystalizes laissant la matière solide plus pur et avec moins de défauts cristallins.
Dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs comportant hétérojonctions entre les différents matériaux semi-conducteurs, la constante de réseau, qui est la longueur de l'élément de répétition de la structure cristalline, est important pour la détermination de la compatibilité des matériaux.
