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Vidéo de question : Comprendre les semi-conducteurs dopés Physique

La figure représente un réseau d’atomes de silicium dans un semi-conducteur. Le côté gauche du réseau a été dopé avec des ions donneurs d’électrons. Ce côté s’appelle le côté N. Le côté droit du réseau a été dopé avec des ions accepteurs d’électrons. Ce côté du réseau s’appelle le côté P. Les régions de chaque côté de la ligne sont de même taille et la concentration en ions est la même des deux côtés. Le semi-conducteur est en équilibre thermique. Quel est le rapport entre les électrons libres du côté N et les trous d’électrons du côté P ? Quelle est la différence de charge électronique relative nette entre les deux régions ?

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Transcription de vidéo

La figure représente un réseau d’atomes de silicium dans un semi-conducteur. Le côté gauche du réseau a été dopé avec des ions donneurs d’électrons. Le côté gauche du réseau a été dopé avec des ions donneurs d’électrons. Ce côté s’appelle le côté N. Le côté droit du réseau a été dopé avec des ions accepteurs d’électrons. Ce côté du réseau s’appelle le côté P. Les régions de chaque côté de la ligne sont de même taille et la concentration en ions est la même des deux côtés. Le semi-conducteur est en équilibre thermique. Quel est le rapport entre les électrons libres du côté N et les trous d’électrons du côté P ?

Dans cet exemple, on nous dit que le côté gauche du réseau de silicium est dopé avec des ions donneurs d’électrons. Tous les atomes du réseau de ce côté sont des atomes de silicium sauf ces deux notés P. P est le symbole atomique du phosphore. Et chaque atome de phosphore neutre possède cinq électrons sur sa couche de valence. Cela signifie que lorsqu’on ajoute un atome de phosphore dans un réseau d’atomes de silicium, la couche de valence de chaque atome de phosphore est complètement remplie d’électrons, ce qui fait qu’il y a libération dans le réseau d’un électron par atome de phosphore.

Ces électrons, une fois libérés, s’appellent des électrons libres. Et nous pouvons voir un électron libre ici et un autre ici. Comme nous l’avons dit, il y a un électron libre pour chaque atome de phosphore présent dans le réseau. Par ailleurs, le phosphore est appelé donneur d’électron parce qu’il donne des électrons libres.

L’autre côté du réseau de silicium n’est pas dopé avec du phosphore mais avec cet élément appelé B. B représente le bore. Chaque atome de bore possède trois électrons sur sa couche de valence. Cela signifie que lorsqu’un atome de bore est introduit dans le réseau de silicium et qu’il partage quatre électrons pour obtenir sept électrons sur sa couche de valence, il reste un trou d’électron où ce huitième électron peut aller pour finir de remplir la couche de valence. Comme les trous d’électrons peuvent recevoir des électrons, ces atomes de bore sont appelés des accepteurs d’électrons. Chaque atome de bore contribue à hauteur d’un trou d’électron dans le réseau.

Nous voyons donc que du côté N du réseau, il y a au total, sur le côté gauche, deux électrons libres, un pour chaque atome de phosphore. Ensuite, sur le côté droit, le côté P du réseau, il y a aussi deux trous d’électron. Le rapport entre les électrons libres du côté N et les trous d’électron du côté P est donc de un.

Sachant cela, passons à la question suivante.

Quelle est la différence de charge électronique relative nette entre les deux régions ?

Considérons d’abord la charge électronique nette du côté gauche, le côté de type N, du réseau. Commençons par noter que tous les atomes de silicium du réseau sont neutres ; ils ont tous une charge électrique nette nulle. De plus, tous les atomes de phosphore utilisés pour doper ce réseau sont également neutres électriquement. Cela peut sembler étrange car nous avons vu que ces atomes de phosphore sont appelés des ions donneurs d’électrons. Mais il faut noter que ces atomes ne deviennent des ions que quand on leur retire un électron lorsqu’ils sont introduits dans le réseau. Autrement dit, quand un des électrons de l’atome de phosphore devient un électron libre, l’atome restant a une charge globalement positive.

Cependant, si nous considérons le côté du réseau de type N dans son ensemble, chaque ion chargé positivement correspond à un électron libre chargé négativement. La charge électrique nette du côté de type N du réseau est donc nulle ; toutes les charges positives et négatives s’équilibrent.

Et en fait, on observe la même chose du côté de type P du réseau. De même, tous les atomes de silicium sont électriquement neutres à la base. Et les atomes de bore utilisés pour doper ce réseau sont également neutres. Les atomes de bore deviennent seulement des ions accepteurs d’électron lorsqu’ils sont introduits dans le réseau avec la création de trous d’électrons pouvant se déplacer comme des électrons libres. Mais comme dans la zone de type N, où il y avait un atome de phosphore chargé positivement pour chaque électron libre, du côté P il y a un atome de bore chargé négativement pour chaque trou d’électron chargé positivement, La charge électrique nette du côté de type P du semi-conducteur est nulle.

Dans cette question, nous cherchons à déterminer la différence entre ces charges relatives nettes. Zéro moins zéro est égal à zéro. Il n’y a donc pas de différence de charge électronique relative nette entre les deux régions.

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