Dopage (semi-conducteur)
246617
31561979
2008-07-14T08:32:49Z
Pedro Lassouras
101813
/* Dopage de type N et de type P */ ortho
{{voir homonyme|Dopage (sport)}}
Un '''dopant''', dans le domaine des [[semi-conducteur]]s, est une impureté ajoutée en petites quantités à une substance pure afin de 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 [[électron]]s ou les [[trou d'électron|trous]]. Le dopage d'un [[matériau]] consiste à introduire dans sa matrice des [[atome]]s 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 également appelés impuretés, et sont en phase diluée : leur concentration reste négligeable devant celle des atomes du matériau initial.
==Conduction dans les semi-conducteurs==
Un [[semi-conducteur]] est un [[Physique du solide|solide]] [[cristal]]lin dont les propriétés de conduction électrique sont déterminées par deux [[bande d'énergie|bandes d'énergie]] particulières : d'une part, la ''bande de valence'', qui correspond aux [[électron]]s impliqués dans les [[liaison covalente|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 séparées 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 considérée de façon tout à fait équivalente en terme de [[trou d'électron|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. Tous les électrons présents dans la bande de conduction proviennent donc de la bande de valence. Il y a donc autant d'électrons que de trous : <math>n = p = n_i</math> ; <math>n_i</math> est la concentration intrinsèque. Tout dopage sert à modifier cet équilibre entre les électrons et les trous, pour favoriser la conduction électrique par l'un des deux types de porteurs.
On a toujours la ''loi d'action de masse'': <math>\bar{p}\,\bar{n} = n_i^2</math>
== Dopage de type ''N'' et de type ''P'' ==
Il existe deux types de dopage :
* le dopage de '''type N''', qui consiste à produire un excès d'[[électron]]s, qui sont '''n'''égativement [[charge électrique|chargés]] ;
* le dopage de '''type P''', qui consiste à produire un déficit d'[[électron]]s, donc un excès de [[trou d'électron|trous]], considérés comme '''p'''ositivement [[charge électrique|chargés]].
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 donc un trou d'électron qui est amené.
{| border="0" width="100%"
|align="center" | [[Image:N-doped Si.svg|300px|Dopage N du Silicium]]
|align="center" | [[Image:P-doped Si.svg|300px|Dopage P du Silicium]]
|}
== Atomes donneurs et accepteurs ==
L'atome d'impureté provoque des effets qui dépendent de la colonne qu'il occupe dans la [[Tableau périodique des éléments|classification périodique]] de [[Dmitri_Mendeleïev|Mendeleïev]], par rapport à la colonne de l'atome qu'il remplace.
* Si l'atome dopant appartient à la même colonne que l'atome qu'il remplace, ils sont '''isovalents''' (ou ''isoélectriques''). Les électrons de valence de l'atome d'impureté remplacent exactement les électrons de l'atome initial. Les propriétés de [[Conductivité électrique|conduction]] électrique du matériau ne sont pas modifiées.
* Si l'atome dopant appartient à la colonne précédente, il manque alors un électron périphérique pour rétablir l'ensemble des [[liaison covalente|liaisons covalentes]] initiales. Il apparaît alors une ''carence'' en électron, autrement dit un [[trou d'électron|trou]]. L'atome inséré est dit '''accepteur''' (d'électron), car il est capable de recevoir un électron supplémentaire, provenant de la [[bande de valence]]. C'est un dopage '''P'''.
* Si l'atome dopant appartient à la colonne suivante, il possède un électron supplémentaire par rapport à l'atome initial. Les liaisons covalentes initiales sont restaurées, mais un des électrons n'est pas utilisé dans ces liaisons. Il est donc sur un état libre du système. L'atome inséré est dit '''donneur''' (d'électron). C'est un dopage '''N'''.
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]] <math>\Delta E</math> est inférieure à l'énergie thermique ambiante <math>k T</math> (où <math>k</math> est la [[constante de Boltzmann]] et <math>T</math> la température), alors les atomes d'impuretés sont ionisés à [[température]] ambiante.
== Modification de la structure en [[bande d'énergie|bandes d'énergie]] ==
Le dopage provoque l'apparition de nouveaux niveaux accepteurs et donneurs d'électrons dans la [[bande d'énergie|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 l'apparition d'un pseudo niveau d'énergie situé juste sous la bande de conduction. Ainsi, l'énergie nécessaire pour que les électrons passent dans la bande de conduction est bien plus facilement 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, l'apparition d'un pseudo niveau situé au-dessus de la bande de valence. L'énergie à fournir aux électrons de valence pour passer sur ce niveau accepteur est faible, et le départ des électrons entraîne l'apparition de trous dans la bande de valence.
{| border="0" width="100%"
|align="center" | [[Image:Niveau_donneur.svg|300px|Niveau donneur]]
|align="center" | [[Image:Niveau accepteur.svg|300px|Niveau accepteur]]
|}
== Technologies de dopage dans la [[micro-électronique]]==
Il existe plusieurs méthodes pour effectuer le dopage d'un matériau :
* le dopage par [[Diffusion de la matière|diffusion]] ;
* l'[[implantation ionique]] ;
* le dopage par transmutation nucléaire.
===Dopage par [[Diffusion de la matière|diffusion]]===
Le dopage par diffusion peut être fait à partir :
* d'une source solide : l'échantillon à doper est placé dans l'enceinte. L'impureté est transportée jusqu'au matériau par un [[gaz]] vecteur inerte, à partir d'un composé solide qui se [[sublimation (physique)|sublime]]. Exemple : [[Phosphore|P]]<sub>2</sub>O<sub>5</sub> (dopage ''N'' du [[Silicium]]).
* d'une source liquide : le gaz vecteur barbote dans le liquide ou frôle sa surface à une température choisie. La [[pression partielle]] du composé dans le gaz est égale à la [[tension de vapeur]] du liquide. Exemple : [[Phosphore|P]]OCl<sub>3</sub> (dopage ''N'' du [[Silicium]]).
* d'une source gazeuse : le gaz contenant l'espèce dopante est introduit dans l'atmosphère. Exemples : [[Phosphore|P]]H<sub>3</sub> (dopage ''N'' du [[Silicium]]), [[Bore|B]]<sub>2</sub>H<sub>6</sub> (dopage ''P'' du [[Silicium]]), [[Arsenic|As]]H<sub>3</sub> (dopage ''N'' du [[Silicium]]).
Le dopage a lieu dans un ''four à diffusion'', à une température comprise entre 850 °C et 1 150 °C, afin de permettre la [[Diffusion de la matière|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, afin de leur conférer l'énergie nécessaire pour rentrer dans le matériau à doper. Cette méthode permet d'utiliser une grande variété d'[[élément chimique|éléments]] dopants. Le faisceau mono-énergétique et la chambre sous vide rendent possible une grande reproductibilité et des dopages localisés.
Plus un [[ion]] est accéléré, plus son [[énergie cinétique]] est grande, et donc plus il s'enfoncera profondément dans le réseau [[cristal]]lin du substrat que l'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 engendré par les chocs entre les ions incidents et les atomes du matériau. Cela engendre 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 permet de 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 notamment rencontrées lorsque l'on souhaite réaliser des [[contact ohmique|contacts ohmiques]].
{{boîte déroulante|align=left|alignT=left|titre=Calcul de la gamme de conductivité|contenu=
On considère en général qu'un [[cristal]] comporte :
:<math>C_{cristal} = 10^{22}</math> atomes/cm<sup>3</sup>.
L'une de nos hypothèses est que la concentration en impuretés doit rester négligeable devant celle des atomes du cristal, disons de deux ordres de grandeur. Prenons donc au maximum :
:<math>C_{impuretes} = 10^{20}</math> at/cm<sup>3</sup>
On peut faire varier la concentration des porteurs comme 1:1000, donc jusqu'à
:<math>C_{impuretes} = 10^{17}</math> at/cm<sup>3</sup>.
Cela donne une marge de [[conductivité électrique]] allant de
:<math>\sigma = 10^{-9}</math> à <math>10^3</math> :<math>\Omega</math><sup>-1</sup>cm<sup>-1</sup>.
À titre de comparaison, les valeurs de conductivité sont d'environ
:<math>10^6</math> <math>\Omega</math><sup>-1</sup>cm<sup>-1</sup> pour un [[métal]], et
:<math>10^{-22}</math> <math>\Omega</math><sup>-1</sup>cm<sup>-1</sup> pour un [[isolant]].
}}
=== Dispositifs et composants ===
Le dopage des semi-conducteurs intervient dans la réalisation de nombreux dispositifs électroniques : [[jonction P-N]], [[transistor]], [[diode électro-luminescente|DEL]], [[diode laser]], [[photodiode]], [[hétérojonction à modulation de dopage]]
==Voir aussi==
=== Articles connexes ===
'''Domaines englobants'''
*[[Semi-conducteur]]
*[[Physique du solide]]
*[[Électronique]]
* [[Procédés de fabrication des dispositifs à semiconducteurs]]
'''Domaines Connexes'''
* Circuits semiconducteurs
**[[Transistor]]s
**[[Diode]]s
**[[Microprocesseur]]s
* Matériaux semiconducteurs
**[[Nitrure de bore]]
**[[Diamant]]
**[[Arséniure de gallium]]
**[[Arséniure de gallium-aluminium]]
**[[Germanium]]
**[[Phosphure d'indium]]
**[[Silicium]]
**[[Silicium-germanium]]
*[[Semi-conducteur à large bande]]
*[[Spintronique]]
'''Concepts'''
* [[Bande de valence]]
* [[Bande de conduction]]
* [[Bande d'énergie]]
* [[Trou d'électron|Trou]]
[[Catégorie:Semi-conducteur]]
{{Portail|chimie|physique|électricité et électronique}}
[[de:Dotierung]]
[[en:Dopant]]
[[id:Doping (semikonduktor)]]
[[ja:ドーパント]]
[[nl:Dopering]]
[[pt:Dopante (química)]]
[[sv:Dopning (fysik)]]