Semi-conducteur intrinsèque

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Un semi-conducteur intrinsèque est un matériau semi-conducteur dont le comportement électrique ne dépend que de sa structure, et non de l'adjonction d'impuretés comme dans le cas du dopage.

Caractéristiques[modifier | modifier le code]

Mis à part d'éventuels défauts cristallins, la conductivité électrique d'un semi-conducteur est intégralement déterminée par la structure du matériau et ne dépend que de la température. Au zéro absolu, cette conductivité est nulle. Lorsque la température augmente, la probabilité qu'un électron de la bande de valence obtienne suffisamment d'énergie pour rejoindre la bande de conduction augmente également. En conséquence, la conductivité du semi-conducteur augmente par génération thermique.

Dans un semi-conducteur intrinsèque, comme les électrons de la bande de conduction sont générés en laissant un trou dans la bande de valence ; en conséquence, les concentrations d'électrons (n) et de trous (p) sont égales et valent n_i, contrairement à un semi-conducteur extrinsèque. Sachant que :

n=N_c*e^{\frac{E_F-E_C}{kT}}

et ;

p=N_V*e^{\frac{E_V-E_F}{kT}}

  • N_c et N_v sont les densités d'états effectives respective des électrons dans la bande de conduction et des trous dans la bande de valence. Ces densités N_c et N_v dépendent faiblement de la température. Pour des bandes paraboliques de masse effective m_c et m_v, on a :
N_{c,v} = 2\left( \frac{m_{c,v}k T}{2\pi \hbar^2}\right)^{3/2} = \left( \frac{m_{c,v}}{m_0}\right)^{3/2} \left(\frac{T}{300}\right)^{3/2}\times 2.5 \times 10^{19}\ (\text{cm}^{-3}).

En posant Eg=EC-EV, largeur de la bande interdite, on peut facilement déduire ni :

n_i=\sqrt{N_c.N_v}.e^{-\frac{E_g}{2kT}},

Ainsi que le niveau de Fermi :

E_F=\frac{E_C+E_V}{2} + \frac{3kT}{4} ln(\frac{m_v}{m_c})

Soit environ à la moitié de la bande interdite, le second terme étant souvent négligeable.

Pour le silicium, on trouve par exemple :

  • ni = 1×1010 cm-3,
  • EF=0,553 eV

à température ambiante.

Exemples[modifier | modifier le code]

Ce comportement correspond à un semi-conducteur parfait, c'est-à-dire sans défaut structurel ou impureté chimique. Un semi-conducteur réel n'est jamais parfaitement intrinsèque, mais certains matériaux peuvent se rapprocher de ce comportement idéal, comme le silicium monocristallin pur.

Les semi-conducteurs intrinsèques ne conduisent que très peu le courant, sauf à des températures élevées. La technique du dopage permet — entre autres — de pallier ce problème.

Voir aussi[modifier | modifier le code]