Dopage des semi-conducteurs

On présente ci-dessous l’exemple du silicium qui usuellement est dopé au bore ou au phosphore dans les cellules solaires.

Le dopage d’un semi-conducteur pur va permettre d’amener des charges excédentaires qui amélioreront la conductivité du matériau.

A la figure 3.2, on représente une vue plane des atomes de silicium (à 4 électrons dans la couche externe) qui sont chacun liés à quatre autres atomes de silicium. En regard on montre également les deux niveaux d’énergie Ec, bas de la bande de conduction et Ev, sommet de la bande de valence ainsi que la valeur Eg, largeur de la bande interdite ou gap.

En dopant le silicium avec des atomes étrangers de phosphore qui ont 5 électrons dans leur couche externe, un électron par atome de phosphore ne pourra pas se lier avec ses correspondants du silicium, il y aura alors un excédent de charges négatives dans le cristal (figure 3.3). Cet apport d’électrons crée un niveau d’énergie Ed dans la bande interdite proche de la bande de conduction : il suffit alors de peu d’énergie pour faire passer ces électrons dans la bande de conduction et créer un courant. Le silicium ainsi dopé est appelé sili-cium de type n.

Par symétrie, on peut également doper le silicium avec du bore qui a seulement trois électrons dans sa bande de valence. Le résultat est l’apparition d’un excédent de trous, donc de charges positives,

puisqu’il manque un électron à chaque atome de bore pour com-pléter les 4 électrons du silicium (figure 3.4). Il apparaît également un niveau d’énergie Ea dans la bande interdite juste au-dessus de la bande de valence. Ce matériau ainsi dopé est appelé silicium de type p.

Figure 3.2 Silicium pur

Figure 3.3 Silicium de type n

Figure 3.4 Silicium de type p

On a vu que le dopage permet d’apporter des excès de charge posi-tive ou négaposi-tive au semi-conducteur et d’ainsi faciliter le passage d’un courant électrique. Il faut encore pour fabriquer une cellule solaire mettre en contact ces deux types de dopage pour profiter du champ électrique ainsi créé à l’interface entre les deux dopages : on appelle cet élément une jonction p-n.

3.1.4 Jonction p-n

La mise en contact de deux zones à dopages opposés dans un semi-conducteur constitue un élément fort connu : la diode. A l’interface où les concentrations d’atome étrangers font passer le silicium du type p au type n apparaît une région appelée zone de charge d’espace qui provient de la tendance des électrons excédentaires de la couche n à vouloir passer du côté p où ils sont attirés par les trous excé-dentaires et de la tendance des trous à vouloir passer du côté n par réciprocité. Cet échange de porteurs dans la zone de charge spatiale crée un champ électrique qui va contrebalancer l’échange de charges et rétablir l’équilibre thermique. On représente à la figure 3.5 la zone de charge spatiale et les courbes de champ électrique et de poten-tiel d’une jonction p-n.

Figure 3.5 Jonction p-n

PotentielChamp électriqueDensité de porteursJonction p – n p n

D

D

D

Xp

Xn

Il est également intéressant de représenter les bandes d’énergie au voisinage de la transition p-n. Comme un corps à l’équilibre se carac-térise par un seul niveau de Fermi, ce sont les bandes de valence et de conduction qui vont varier à la jonction pour suivre les variations de dopage. A la figure 3.6, on a tracé l’allure de ces variations ainsi que le logarithme naturel des concentrations d’électrons et trous à la jonction.

La barrière de potentiel créée par la jonction représente la principale caractéristique de la diode : le courant ne pourra pas passer dans le sens renforçant cette barrière mais seulement dans le sens inverse.

On définit la tension extérieure imposée à la diode comme positive lorsqu’elle a pour effet de diminuer ce champ électrique interne.

Lorsque la tension imposée est supérieure à la barrière de potentiel, la courant peut passer. Comme les niveaux d’énergie des semi-conducteurs dopés sont tous deux à l’intérieur de la bande interdite, la tension de passage qui correspond à la différence des deux poten-tiels est légèrement plus faible que le gap du semi-conducteur divisé par la charge élémentaire de l’électron.

Figure 3.6 Bandes d’énergie et concentration des porteurs dans une jonction

Jonction p – nBandes d'énergieDensités In (n) In (p)

D = Na

D = Nd Ec

Ef

Ev

D

p n

En pratique on calcule une valeur à 300 K de : Vd = (Eg / q) - (0.4V…0.5V)

ce qui donne pour le silicium : Vd = 1.12 eV / q - 0.45 V = 0.67V

Pour transformer la jonction p-n en diode, il faut encore lui ajouter des contacts métalliques ; on peut alors tracer sa caractéristique I - V en lui imposant une tension extérieure.

Si la tension imposée est positive, le courant va croître selon la loi exponentielle :

I = Is (exp (U / Ut) - 1)

qui peut se simplifier en (env. 1 % d’erreur) : I = Is exp (U / Ut)

avec : U = tension imposée à la diode Ut = kT / q = 26 mV à 300 K

k = 1.38 · 10^-23 constante de Boltzmann q = 1.602 · 10^-19 charge de l’électron T = température absolue en K Is = courant de saturation

Lorsque la tension imposée est négative, le courant inverse va res-ter pratiquement nul jusqu’à ce que la tension atteigne une valeur qui laisse passer le courant par effet tunnel, propriété utilisée par les diodes zener, ou jusqu’à ce que la tension imposée provoque un cla-quage de la jonction par effet avalanche.

A la figure 3.7, on a représenté la courbe I - V typique d’une diode au silicium.

Figure 3.7 Diode au silicium