Dopage (semi-conducteur)

Dans le domaine dessemi-conducteurs, ledopageest l'action d'ajouter des impuretés 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 deporteurs de chargequ'ils contiennent. Ces porteurs sont lesélectronsou lestrous. Le dopage d'unmatériauconsiste à introduire, dans sa matrice, desatomesd'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.
Unsemi-conducteurest unsolidecristallindont les propriétés de conduction électrique sont déterminées par deuxbandes d'énergieparticulières : d'une part, labande de valence, qui correspond auxélectronsimpliqués dans lesliaisons covalentes; d'autre part, labande de conduction, comprenant les électrons dans unétat excité, qui peuvent se déplacer dans le cristal.
Ces deux bandes sont séparées par ungap, unebande interditeque les électrons ne peuvent franchir que grâce à une excitation extérieure (par exemple, l'absorption d'unphoton). 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 termes detrous d'électronse déplaçant dans la bande de valence. Ladensité d'électrons(concentration par unité de volume) est notéen, celle des trousp.
Dans unsemi-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 :n=p=ni{\displaystyle n=p=n_{i}};ni{\displaystyle n_{i}}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.
Par exemple, pour le silicium à la température de 300 K,ni={\displaystyle n_{i}=}1,45 × 10électrons/cm.
On a toujours laloi d'action de masse:p¯n¯=ni2{\displaystyle {\bar {p}}\,{\bar {n}}=n_{i}^{2}}
Le dopage est réalisé par l'introduction d'impuretés dans le cristal d'un semi-conducteur dans le but d'augmenter le nombre de porteurs libres. Cette insertion est réalisée par diffusion ou par transmutation.
Il existe deux types de dopage :
Il est possible de réaliser les deux types de dopage qui peuvent alors se compenser partiellement ou totalement. Dans ce dernier cas, on obtient un semi-conducteur ditintrinsèque par compensationou plus simplement unsemi-conducteur compensé. L'intérêt est d'obtenir un semi-conducteur ayant une plus grande conductivité électrique.
Les schémas suivants présentent des exemples de dopage dusiliciumrespectivement par duphosphore(dopageN) et dubore(dopageP). 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.
L'atome d'impureté provoque des effets qui dépendent de la colonne qu'il occupe dans laclassification périodiquedeMendeleïev, par rapport à la colonne de l'atome qu'il remplace.
Un même atome dopant peut être à la fois donneur et accepteur : il est alors ditamphotère. C'est par exemple le cas dusilicium(Si, colonne IV), qui est un dopant de l'arséniure de gallium(GaAs) : si le Si se met en substitution d'un atome degallium(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'ionisationΔE{\displaystyle \Delta E}est inférieure à l'énergie thermique ambiantekT{\displaystyle kT}(oùk{\displaystyle k}est laconstante de BoltzmannetT{\displaystyle T}la température), alors les atomes d'impuretés sont ionisés àtempératureambiante.
Le dopage provoque l'apparition de nouveaux niveaux accepteurs et donneurs d'électrons dans lastructure de bandedu matériau dopé. Ces niveaux apparaissent dans legap, entre labande de conductionet labande de valence.
Lors d'un dopageN(schéma de gauche), l'introduction d'atomes donneurs d'électrons entraîne l'apparition d'unniveau d'énergiesitué 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 dopageP(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.
Il existe plusieurs méthodes pour effectuer le dopage d'un matériau :
Remarquons qu'actuellement (2018), l'impression 3Dne peut pas imprimer de semi-conducteur dopé.
Le dopage par diffusion est réalisé dans un four. Le dopant peut être obtenu à partir :
Le dopage a lieu à une température comprise entre850°Cet1 150°C, afin de permettre ladiffusiondes espèces dopantes dans le matériau(échantillon à doper).
Le dopage parimplantation ioniqueconsiste à accélérer des impuretés ionisées avec unchamp électrique, afin de leur conférer l'énergie nécessaire pour rentrer dans le matériau à doper. Cette méthode permet d'utiliser une grande variété d'élémentsdopants. Le faisceau mono-énergétique et la chambre sous vide rendent possible une grande reproductibilité et des dopages localisés.
Plus unionest accéléré, plus sonénergie cinétiqueest grande, et donc plus il s'enfoncera profondément dans le réseaucristallindu 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 désordre 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 lamobilité des porteurs de charge.
Le dopage par transmutation est réalisé dans unréacteur nucléaire expérimental.
Le dopant est obtenu par réaction de capture d'unneutronpar l'isotopeSi (présent à environ 3 % dans le silicium). L'isotopeSi ainsi créé décroit ensuite vers leP parradioactivité β-. Un atome dopant de Phosphore (dopage "N") est ainsi introduit de façon très précise dans le réseau cristallin et assure ainsi une homogénéité inégalée.
Les semi-conducteurs ainsi créés sont employés dans les applications d'électronique de puissancenotamment les commandes demoteurs électriquesde tramway, de TGV ou encore de voitures électriques/hybrides.
Le dopant est apporté par un gaz précurseur chimisorbé préalablement par le silicium. Unlaser à excimèreinduit un cycle de fusion/solidification très rapide (de l'ordre de 10s) durant lequel le dopant est diffusé dans la phase liquide. La vitesse de diffusion du dopant étant très rapide en phase liquide et négligeable en phase solide, la répétition de ce processus permet d'obtenir une densité de dopants supérieure aux limites desolubilitéobtenues avec les techniques classiques.
Le dopage de substrats semi-conducteurs permet de moduler leurconductivité électriquesur une large gamme. Ainsi, des semi-conducteurs fortement dopés (appelésN++etP++) ont une conductivité proche de celle des métaux. Ces zones fortement dopées sont notamment rencontrées lorsque l'on souhaite réaliser descontacts ohmiques.
Le dopage des semi-conducteurs intervient dans la réalisation de quasiment tous les composants électroniques :diodes,transistors,circuits intégrés.