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Lequel des énoncés suivants complète le mieux la phrase ? L’addition d’impuretés composées d’atomes d’antimoine à un cristal semi-conducteur pur augmente le nombre –espace vide–. (A) d’électrons liés, (B) d’électrons libres, (C) de trous, (D) tout ce qui précède.
Ici, on nous demande de reconnaître un effet de l’ajout d’impuretés à un semi-conducteur pur. Ce processus s’appelle le dopage. Et dans cette question, nous envisageons de doper un semi-conducteur avec des atomes d’antimoine. Pour considérer les effets du dopage avec des atomes d’antimoine, commençons par rappeler quelques propriétés de base des semi-conducteurs. Tout d’abord, rappelons qu’un semi-conducteur conduit de l’électricité au moyen de porteurs de charges libres : électrons libres et trous ou lacunes.
L’augmentation de la quantité de chaque type de porteur de charge augmente la conductivité d’un semi-conducteur. Une façon de le faire est de le doper. Pour doper un semi-conducteur, nous ajoutons des atomes, soit des impuretés, avec trois ou cinq électrons de valence à un réseau de semi-conducteurs pur. Rappelons qu’un atome avec trois électrons dans sa couche la plus externe est appelé « trivalent » et un atome avec cinq électrons dans sa couche la plus externe est appelé « pentavalent ».
Les effets du dopage dépendent du type de dopant utilisé. Par exemple, les atomes dopant trivalents sont souvent appelés des ions accepteurs, car ils acceptent un électron du réseau dans leur couche électronique la plus externe. Cela augmente le nombre de trous ou de lacunes dans le réseau. D’autre part, les atomes de dopants pentavalents sont souvent appelés ions donneurs, car ils donnent des électrons libres au réseau. Cela augmente le nombre d’électrons libres dans le réseau.
Maintenant, la clé pour répondre à cette question est de reconnaître qu’un atome d’antimoine neutre a cinq électrons dans sa couche de valence, de sorte que l’antimoine est pentavalent. Nous avons déjà établi que le dopage avec des atomes pentavalents augmente le nombre d’électrons libres dans le semi-conducteur, il semble donc que (B) soit la bonne réponse. Pour être sûr, cependant, vérifions les autres choix de réponse.
La réponse (A) suggère que le dopage à l’antimoine augmenterait le nombre d’électrons liés dans le semi-conducteur. Bien que cela soit techniquement vrai, il n’y a aucune raison pour laquelle nous voulons ou devons augmenter délibérément le nombre d’électrons liés dans un semi-conducteur, car les électrons liés ne conduisent pas l’électricité. Puisque nous ne sommes pas vraiment concernés par le nombre d’électrons liés dans un semi-conducteur, la réponse (A) n’est pas le meilleur choix de réponse.
La réponse (C) suggère que le dopage à l’antimoine augmenterait le nombre de trous. Ce n’est pas vrai. Nous avons vu précédemment que lorsque nous dopons un semi-conducteur pour augmenter le nombre de trous dans le réseau, nous devons utiliser une impureté trivalente, ce que l’antimoine n’est pas. La réponse (C) est donc incorrecte.
Après avoir examiné les réponses (A) et (C), la réponse (D) ne peut pas être correcte non plus. Cela ne laisse que la réponse (B), qui est la bonne réponse. L’addition d’impuretés composées d’atomes d’antimoine à un cristal semi-conducteur pur augmente le nombre d’électrons libres.
