La conductivité d’un semi-conducteur peut être modélisée en termes de théorie des bandes des solides. Le modèle de bande d’un semi-conducteur suggère qu’à des températures ordinaires, il existe une possibilité finie que les électrons puissent atteindre la bande de conduction et contribuer à la conduction électrique. Dans le semi-conducteur, des porteurs de charge libres ( paires électron-trou) sont créés par l’excitation de l’électron de la bande de valence à la bande de conduction. Cette excitation a laissé un trou dans la bande de valence qui se comporte comme une charge positive et une paire électron-trou est créée. Les trous peuvent parfois prêter à confusion car ils ne sont pas des particules physiques comme le sont les électrons, mais plutôt l’absence d’un électron dans un atome. Les trous peuvent se déplacer d’un atome à l’autre dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position. L’énergie pour l’excitation peut être obtenue de différentes manières. Des paires électron-trou sont également générées en permanence à partir d’énergie thermique, en l’absence de toute source d’énergie externe. L’excitation thermique ne nécessite aucune autre forme d’impulsion de démarrage. Ce phénomène se produit également à température ambiante. Elle est causée par des impuretés, une irrégularité du réseau de structure ou par un dopant. Cela dépend fortement de l’ Egap (une distance entre la valence et la bande de conduction), de sorte que pour un Egap inférieur le nombre de porteurs de charge excités thermiquement augmente. Étant donné que l’excitation thermique entraîne le bruit du détecteur, un refroidissement actif est nécessaire pour certains types de semi-conducteurs (par exemple le germanium). Les détecteurs à base de silicium ont un bruit suffisamment faible même à température ambiante. Ceci est dû à la grande bande interdite du silicium (Egap = 1,12 eV), qui nous permet de faire fonctionner le détecteur à température ambiante, mais le refroidissement est préféré pour réduire le bruit. Notez que l’énergie d’un seul photon du spectre de la lumière visible est comparable à ces bandes interdites. Les photons de longueurs d’onde 700 nm – 400 nm ont des énergies de 1,77 eV 3,10 eV. En conséquence, la lumière visible est également capable d’exciter des électrons vers la bande de conduction. En fait, c’est le principe des panneaux photovoltaïques qui génèrent du courant électrique. Les électrons peuvent atteindre la bande de conduction, lorsqu’ils sont excités par des rayonnements ionisants (c’est-à-dire qu’ils doivent obtenir une énergie supérieure à Egap). En général, les particules chargées lourdes transfèrent de l’énergie principalement par: Une variable pratique qui décrit les propriétés d’ionisation du milieu environnant est le pouvoir d’arrêt. L’expression classique qui décrit la perte d’énergie spécifique est connue sous le nom de formule de Bethe. Pour les particules alpha et les particules plus lourdes, le pouvoir d’arrêt de la plupart des matériaux est très élevé pour les particules chargées lourdes et ces particules ont des portées très courtes. En plus de ces interactions, les particules bêta perdent également de l’énergie par un processus radiatif connu sous le nom de bremsstrahlung. D’après la théorie classique, lorsqu’une particule chargée est accélérée ou décélérée, elle doit émettre de l’énergie et le rayonnement de décélération est connu sous le nom de bremsstrahlung (« rayonnement de freinage »). Les photons (rayons gamma et rayons X) peuvent ioniser directement les atomes (bien qu’ils soient électriquement neutres) par l’effet photoélectrique et l’effet Compton, mais l’ionisation secondaire (indirecte) est beaucoup plus importante. Bien qu’un grand nombre d’interactions possibles soient connues, il existe trois principaux mécanismes d’interaction avec la matière. Dans tous les cas, une particule de rayonnement ionisant dépose une partie de son énergie sur son trajet. La particule traversant le détecteur ionise les atomes du semi-conducteur, produisant les paires électron-trou. Par exemple, l’épaisseur typique d’un détecteur de silicium est d’environ 300 µm, de sorte que le nombre de paires électron-trou générées par la particule ionisante minimale (MIP) passant perpendiculairement à travers le détecteur est d’environ 3,2 x 104. Cette valeur est mineure en comparaison du nombre total de porteurs libres dans un semi-conducteur intrinsèque d’une surface de 1 cm 2 et de même épaisseur. Notez qu’un échantillon de germanium pur à 20 °C contient environ 1,26×1021 atomes, mais contient également 7,5 x 1011 électrons libres et 7,5 x 1011 trous générés en permanence à partir thermodynamics/what-is-energy-physics/internal-energy-thermal-energy/ »>de l’énergie thermique. Comme on peut le voir, le rapport signal sur bruit (S/N) serait minime. L’ajout de 0,001 % d’arsenic (une impureté) donne 1015 électrons libres supplémentaires dans le même volume et la conductivité électrique est multipliée par 10 000. Dans un matériau dopé, le rapport signal sur bruit (S/N) serait encore plus petit. Le refroidissement du semi-conducteur est un moyen d’abaisser ce rapport. Une amélioration peut être obtenue en utilisant une tension de polarisation inverse à la jonction PN pour appauvrir le détecteur de porteurs libres, ce qui est le principe de la plupart des détecteurs de rayonnement au silicium. Dans ce cas, une tension négative est appliquée au côté p et positive au second. Les trous dans la région p sont attirés de la jonction vers le contact p et de même pour les électrons et le contact n.
Dans le semi-conducteur, les porteurs de charge libres sont les électrons et les trous d’ électrons (paires électron-trou). Les électrons et les trous sont créés par excitation d’électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Un trou d’électron (souvent simplement appelé un trou) est l’absence d’un électron à une position où il pourrait exister dans un atome ou réseau atomique. C’est l’un des deux types de porteurs de charge responsables de la création de courant électrique dans les matériaux semi-conducteurs. Étant donné que dans un atome normal ou un réseau cristallin, la charge négative des électrons est équilibrée par la charge positive des noyaux atomiques, l’absence d’électron laisse une charge positive nette à l’emplacement du trou. Les trous chargés positivement peuvent se déplacer d’un atome à l’autre dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position. Lorsqu’un électron rencontre un trou, ils se recombinent et ces porteurs libres disparaissent effectivement. La recombinaison signifie qu’un électron qui a été excité de la bande de valence à la bande de conduction retombe à l’état vide dans la bande de valence, connu sous le nom de trous.Excitation d’électrons dans les semi-conducteurs
Excitation thermique
Excitation optique
Excitation par rayonnement ionisant
Propriétés des semi-conducteursVoir également:
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