Dopage

Un dopant, dans le domaine des semi-conducteurs, est une impureté ajoutée en petites quantités à une substance pure pour modifier ses propriétés de conductivité.



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  • Pour ajuster la conductivité du matériau, le dopage consiste en effet à remplacer certains atomes de silicium par d'autres qui ont un électron de plus ou de ... (source : defis.cea)
  • Dans le dopage de type P, les atomes utilisés sont dits trivalents, c'est-à-dire qu'ils ont trois électrons sur leur dernière couche. Dans le dopage P, ... (source : jbaumann)

Un dopant, dans le domaine des semi-conducteurs, est une impureté ajoutée en petites quantités à une substance pure pour modifier ses propriétés de conductivité.

Les propriétés des semi-conducteurs sont en grande partie régies par la quantité de porteurs de charge qu'ils contiennent. Ces porteurs sont les électrons ou les trous. Le dopage d'un matériau consiste à introduire, dans sa matrice, des atomes d'un autre matériau. Ces atomes vont se substituer à certains atomes initiaux et ainsi introduire davantage d'électrons ou de trous.

Les atomes de matériau dopant sont aussi nommés impuretés, et sont en phase diluée : leur concentration reste négligeable devant celle des atomes du matériau d'origine.

Conduction dans les semi-conducteurs

Un semi-conducteur est un solide cristallin dont les propriétés de conduction électrique sont déterminées par deux bandes d'énergie spécifiques : d'une part, la bande de valence, qui correspond aux électrons impliqués dans les liaisons covalentes ; d'autre part, la bande de conduction, comprenant les électrons dans un état excité, qui peuvent se déplacer dans le cristal.

Ces deux bandes sont scindées par un gap, une bande interdite que les électrons ne peuvent franchir que grâce à une excitation extérieure (par exemple, l'absorption d'un photon). La bande interdite correspond à une barrière d'énergie, dont l'ordre de grandeur est l'électron-volt.

Les électrons présents dans la bande de conduction permettent la conduction du courant. La conduction du courant peut être reconnue de façon particulièrement équivalente en termes de trous d'électron se déplaçant dans la bande de valence. La densité d'électrons (concentration par unité de volume) est notée n, celle des trous p.

Dans un semi-conducteur intrinsèque, ou pur, il n'y a aucun atome dopant. L'ensemble des électrons présents dans la bande de conduction proviennent par conséquent de la bande de valence. Il y a par conséquent tout autant d'électrons que de trous : n = p = ni ; ni est la concentration intrinsèque. Tout dopage permet de modifier cet équilibre entre les électrons et les trous, pour faciliter la conduction électrique par l'un des deux types de porteurs.

On a toujours la loi d'action de masse : \bar{p}\,\bar{n} = n_iˆ2

Dopage de type N et de type P

Il existe deux types de dopage :

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 phosphore (à gauche), un électron supplémentaire est amené. Dans le cas du bore (à droite), il manque un électron ; c'est par conséquent un trou d'électron qui est amené.

Dopage N du silicium

Dopage de type N

Dopage P du silicium

Dopage de type P

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, comparé à la colonne de l'atome qu'il remplace.

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 ΔE 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.

Modification de la structure en bandes d'énergie

Le dopage provoque la naissance 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 la naissance d'un pseudo niveau d'énergie localisé juste sous la bande de conduction. Ainsi, l'énergie indispensable pour que les électrons passent dans la bande de conduction est énormément plus aisément 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, la naissance d'un pseudo niveau localisé au-dessus de la bande de valence. L'énergie à apporter aux électrons de valence pour passer sur ce niveau accepteur est faible, et le départ des électrons entraîne la naissance de trous dans la bande de valence.

Niveau donneur

Dopage N

Niveau accepteur

Dopage P

Technologies de dopage dans la micro-électronique

Il existe plusieurs méthodes pour effectuer le dopage d'un matériau :

Dopage par diffusion

Le dopage par diffusion peut être fait à partir :

Le dopage a lieu dans un four à diffusion, à une température comprise entre 850 °C et 1 150 °C, pour permettre la diffusion des espèces dopantes dans le matériau.

Dopage par implantation ionique

Le dopage par implantation ionique consiste à accélérer des impuretés ionisées avec un champ électrique, pour leur conférer l'énergie indispensable pour rentrer dans le matériau à doper. Cette méthode permet d'utiliser une grande variété d'éléments dopants. Le faisceau mono-énergétique et la chambre sous vide rendent envisageable une grande reproductibilité et des dopages situés.

Plus un ion est accéléré, plus son énergie cinétique est grande, et par conséquent plus il s'enfoncera profondément dans le réseau cristallin du substrat qu'on dope. Ainsi, en contrôlant la dose et l'énergie, on détermine le profil de dopage.

L'un des inconvénients du dopage par implantation ionique est le fort desordre cristallin génèré par les chocs entre les ions incidents et les atomes du matériau. Cela génère des défauts qui augmentent les probabilités de collision, et diminuent la mobilité des porteurs de charge.

Applications du dopage

Modulation des concentrations de porteurs

Le dopage de substrats semi-conducteurs sert à moduler leur conductivité électrique sur une large gamme. Ainsi, des semi-conducteurs fortement dopés (appelés N++ et P++) ont une conductivité proche de celle des métaux. Ces zones fortement dopées sont surtout rencontrées quand on souhaite réaliser des contacts ohmiques.

Dispositifs et composants

Le dopage des semi-conducteurs intervient dans la réalisation de nombreux systèmes électroniques : jonction P-N, transistor, DEL, diode laser, photodiode, hétérojonction à modulation de dopage

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