Structure de bande d’énergie
Les semi-conducteurs sont des matériaux cristallins dont les niveaux atomiques de l’enveloppe extérieure présentent une structure de bande d’énergie, constituée d’une bande de valence, d’un écart d’énergie « interdit » et d’une bande de conduction.
Les bandes d’énergie sont en fait des régions de plusieurs niveaux discrets qui sont si rapprochées qu’elles peuvent être considérées comme un continuum, tandis que l’écart d’énergie « interdit » est une région dans laquelle il n’y a aucun niveau d’énergie disponible. Puisque le principe de Pauli interdit plus d’un électron dans le même état, la dégénérescence des niveaux d’énergie de la coque atomique externe se brise pour former de nombreux niveaux discrets légèrement séparés les uns des autres. Comme deux électrons de spin opposé peuvent résider dans le même niveau, il y a autant de niveaux qu’il y a de paires d’électrons dans le cristal. Cette rupture de dégénérescence n’affecte cependant pas les niveaux atomiques internes, qui sont plus étroitement liés.
La bande d’énergie la plus élevée est la bande de conduction. Les électrons de cette région sont détachés de leurs atomes parents et sont libres de parcourir tout le cristal. Les électrons dans les niveaux de la bande de valence, cependant, sont plus étroitement liés et restent associés à leurs atomes de réseau respectifs.
La largeur de l’espace et des bandes est déterminée par l’espacement du réseau entre les atomes. Ces paramètres sont donc dépendants de la température et de la pression. Dans les conducteurs, l’écart d’énergie est inexistant, tandis que dans les isolateurs, l’écart est important.
À des températures normales, les électrons d’un isolant sont normalement tous dans la bande de valence, l’énergie thermique étant insuffisante pour exciter les électrons à travers cet intervalle. Lorsqu’un champ électrique externe est appliqué, il n’y a donc pas de mouvement d’électrons à travers le cristal et donc pas de courant. Pour un conducteur, en revanche, l’absence d’espace permet très facilement aux électrons excités thermiquement de sauter dans la bande de conduction où ils sont libres de se déplacer autour du cristal. Un courant circule alors lorsqu’un champ électrique est appliqué.
Dans un semi-conducteur, l’écart d’énergie est de taille intermédiaire de sorte que seuls quelques électrons sont excités dans la bande de conduction par l’énergie thermique. Lorsqu’un champ électrique est appliqué, un petit courant est donc observé. Si le semi-conducteur est refroidi, cependant, presque tous les électrons tomberont dans la bande de valence et la conductivité du semi-conducteur diminuera.
Porteurs de charge dans les semi-conducteurs
À 0 K, dans l’état d’énergie la plus basse du semi-conducteur, les électrons de la bande de valence participent tous à la liaison covalente entre les atomes de réseau.
À des températures normales, cependant, l’action de l’énergie thermique peut exciter un électron de valence dans la bande de conduction en laissant un trou dans sa position d’origine. Dans cet état, il est facile pour un électron de valence voisin de sauter de sa liaison pour remplir le trou. Cela laisse maintenant un trou dans la position voisine. Si maintenant l’électron voisin suivant répète la séquence et ainsi de suite, le trou semble se déplacer à travers le cristal. Le trou étant positif par rapport à la mer d’électrons négatifs dans la bande de valence, le trou agit comme un porteur de charge positive et son mouvement à travers le cristal constitue également un courant électrique.
Dans un semi-conducteur, le courant électrique provient donc de deux sources: le mouvement des électrons libres dans la bande de conduction et le mouvement des trous dans la bande de valence. Ceci doit être contrasté avec un métal où le courant n’est porté que par des électrons.
L’énergie nécessaire à la création d’une charge porte dans les semi-conducteurs
L’énergie W nécessaire à la création d’une paire e-h dans un semi-conducteur par une particule de masse chargée traversant le milieu dépend de l’énergie de bande interdite Eg du matériau et donc, bien que légèrement, de la température.
Les mesures de cette grandeur montrent une dépendance presque linéaire de l’énergie de bande interdite, et l’ajustement linéaire aux données obtenues pour différents matériaux donne
L’énergie pour la génération de porteurs de charge est toujours supérieure à l’énergie de bande interdite en raison de l’excitation supplémentaire possible des états phonon et plasmon. L’excitation des phonons transfère l’énergie au réseau, et l’énergie transférée apparaît finalement sous forme de chaleur dans le détecteur.
Le plasmon est le quantum des oscillations de densité électronique de valence avec une énergie moyenne de 17 eV pour le silicium. Les électrons de valence sont ceux de la coque M et ils ne sont que faiblement liés aux atomes. Ainsi, ils peuvent être considérés comme un gaz de densité dense et presque homogène, c’est-à-dire un plasma de porteurs de charges négatives dans le volume de matériau semi-conducteur.
L’énergie moyenne W pour créer une paire e-h a été calculée et mesurée dans des expériences comprenant des particules chargées à haute énergie et des photons de rayons X. L’énergie moyenne W nécessaire pour créer une paire e-h en silicium est W ≈3,68 eV.