Français
Menu

Type n vs type p : dopants, porteurs, niveau de Fermi, mobilité

Un semi-conducteur de type n s’obtient en ajoutant au silicium des éléments du groupe V comme le phosphore ou l’arsenic (donneurs), dont les électrons excédentaires deviennent les porteurs majoritaires. Un semi-conducteur de type p s’obtient en ajoutant des éléments du groupe III comme le bore (accepteurs), et les trous créés par le manque d’électrons deviennent les porteurs majoritaires. Le niveau de Fermi se rapproche de la bande de conduction dans le type n et de la bande de valence dans le type p. Dans le silicium, la mobilité des électrons est environ 2 à 3 fois celle des trous, si bien qu’à dopage égal le type n a une résistivité plus faible.

CritèreType nType p
Dopants (silicium)Groupe V : phosphore (P), arsenic (As), antimoine (Sb)Groupe III : bore (B). Aussi l’indium, entre autres
Nom et rôle du dopantDonneur. Cède un électronAccepteur. Capte un électron et crée un trou dans la bande de valence
Charge du dopant ioniséPositive. Fixe dans le réseau, immobileNégative. Fixe dans le réseau, immobile
Niveau d’impureté (silicium)Environ 0,045 eV (phosphore) et environ 0,054 eV (arsenic) sous le bas de la bande de conductionEnviron 0,045 eV (bore) au-dessus du haut de la bande de valence
Porteurs majoritaires / minoritairesÉlectrons / trousTrous / électrons
Densité de porteurs (ionisation complète)n ≈ ND, p = ni² / NDp ≈ NA, n = ni² / NA
Niveau de FermiDu côté de la bande de conduction par rapport au niveau de Fermi intrinsèque. Plus le dopage est élevé, plus il s’en approcheDu côté de la bande de valence par rapport au niveau de Fermi intrinsèque. Plus le dopage est élevé, plus il s’en approche
Mobilité des porteurs majoritaires (silicium faiblement dopé, ordre de grandeur)Électrons : environ 1 400 cm²/V·sTrous : environ 450 cm²/V·s
Résistivité à dopage égalFaibleEnviron 2 à 3 fois plus élevée que le type n
Emploi en CMOSSource et drain des nMOS, caisson n où sont réalisés les pMOSSource et drain des pMOS, caisson p où sont réalisés les nMOS. Les plaquettes de silicium pour CMOS sont le plus souvent de type p

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Type n
Lorsque le courant doit être porté par des électrons : source et drain des nMOS, émetteur et collecteur des transistors npn, caisson n où sont réalisés les pMOS.
Type p
Lorsque le courant doit être porté par des trous : source et drain des pMOS, base des transistors npn, caisson p où sont réalisés les nMOS.
Ensemble
Le contact entre types n et p forme une jonction PN, base des diodes, transistors, cellules solaires et LED. En fabrication, on inverse aussi le type d’une couche existante en y ajoutant une forte dose de dopant de type opposé (contre-dopage).

Questions fréquentes

Un semi-conducteur de type n est-il globalement chargé négativement, puisqu’il contient beaucoup d’électrons ?

Non, il est globalement neutre. Lorsqu’un donneur cède un électron, il reste lui-même dans le réseau sous forme d’ion positif, qui compense la charge négative de l’électron. Il en va de même dans le type p : la charge positive des trous et la charge négative des accepteurs ionisés s’équilibrent.

Y a-t-il aussi des trous dans un matériau de type n ?

Oui. À l’équilibre thermique, le produit des densités d’électrons et de trous est égal au carré de la densité intrinsèque (n × p = ni²) : pour un dopage en donneurs de 1×10¹⁶ cm⁻³, la densité de trous à température ambiante est d’environ 1×10⁴ cm⁻³. Ils sont peu nombreux, mais ces porteurs minoritaires jouent un rôle important dans le fonctionnement des jonctions PN et des transistors bipolaires.

Que se passe-t-il si l’on ajoute à la fois des donneurs et des accepteurs ?

Ils se compensent mutuellement et le matériau prend le type du dopant majoritaire. La densité de porteurs est à peu près fixée par la différence des concentrations, mais la mobilité baisse en raison de la diffusion par les deux types d’impuretés ionisées. Cette propriété sert à inverser le type lorsqu’on réalise une source et un drain de type opposé dans un caisson.

Pourquoi le niveau de Fermi n’est-il pas au même endroit dans les types n et p ?

Le niveau de Fermi est l’énergie à laquelle la probabilité d’occupation par un électron vaut 1/2 : il reflète la répartition des porteurs. Dans le type n, riche en électrons dans la bande de conduction, il se place du côté de la bande de conduction ; dans le type p, où des électrons manquent dans la bande de valence et où les trous abondent, du côté de la bande de valence. Dans le silicium à température ambiante, il se rapproche du bord de bande d’environ 60 mV chaque fois que le dopage est multiplié par 10.

Vérifier vos connaissances

Quelle description est correcte lorsqu'on ajoute du phosphore (P) comme impureté dans le silicium ?

  1. AIl devient un semi-conducteur de type p dont les porteurs majoritaires sont les trous
  2. BIl devient un semi-conducteur de type n dont les porteurs majoritaires sont les électrons
  3. CLes porteurs n'augmentent pas et il reste un semi-conducteur intrinsèque
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : B. Il devient un semi-conducteur de type n dont les porteurs majoritaires sont les électrons

Le phosphore, élément du groupe V, possède 5 électrons de valence : un électron reste inutilisé dans les liaisons covalentes du silicium (groupe IV). Cet électron n'est que faiblement lié à un niveau peu profond d'environ 0,045 eV, si bien qu'à température ambiante presque tous passent dans la bande de conduction et deviennent électrons de conduction. Une telle impureté est appelée donneur et produit un semi-conducteur de type n. L'arsenic (As) et l'antimoine (Sb) sont aussi des donneurs. Pour obtenir un type p, on ajoute un élément du groupe III (accepteur) tel que le bore (B).

Quelle description est correcte lorsqu'on ajoute du bore (B) comme impureté dans le silicium ?

  1. AIl est électriquement inactif et le type de conduction ne change pas
  2. BIl agit comme donneur et donne un semi-conducteur de type n
  3. CIl agit comme accepteur et donne un semi-conducteur de type p
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : C. Il agit comme accepteur et donne un semi-conducteur de type p

Le bore, élément du groupe III, n'a que 3 électrons de valence : il manque un électron pour les liaisons covalentes, et il en capte un dans son entourage. Un trou apparaît alors dans la bande de valence et le silicium devient de type p. Le bore est l'accepteur typique du silicium ; son niveau, à environ 0,045 eV au-dessus de la bande de valence, est peu profond et presque entièrement ionisé à température ambiante. Ses atomes légers diffusant rapidement, on utilise l'implantation à basse énergie ou l'implantation de BF2 pour former des jonctions peu profondes.

Quels sont les porteurs majoritaires d'un semi-conducteur de type p ?

  1. ALes accepteurs ionisés
  2. BLes trous
  3. CLes électrons
Afficher la réponse et l'explication

Réponse : B. Les trous

Dans un type p, les accepteurs captent des électrons de la bande de valence, ce qui augmente le nombre de trous : les porteurs majoritaires sont les trous, les minoritaires les électrons. Les accepteurs ionisés sont des charges négatives fixées dans le réseau et ne peuvent pas se déplacer. Dans la zone de déplétion, toutefois, ces charges fixes sont à l'origine du champ électrique et du potentiel interne. Dans un MOSFET, on accumule à la surface d'un substrat de type p des électrons, porteurs minoritaires (inversion), pour former un canal n.

  1. Quelle position du niveau de Fermi d'un semi-conducteur de type n est correcte ?
  2. Quelle position dans la bande interdite du niveau donneur créé par le phosphore dans le silicium est correcte ?
  3. Quelle combinaison d'impuretés implantées dans le silicium et de type de conductivité est correcte ?

Questions d'entraînement sur Physique des semi-conducteurs

Termes clés expliqués

Donneur
Impureté qui fournit des électrons à un semi-conducteur. Pour le silicium, il s'agit d'éléments du groupe V comme le phosphore (P) ou l'arsenic (As), qui donnent un semi-conducteur de type n.
Accepteur
Impureté qui capte des électrons du semi-conducteur et crée des trous. Pour le silicium, il s'agit d'éléments du groupe III comme le bore (B), qui donnent un semi-conducteur de type p.
Niveau de Fermi
Énergie pour laquelle la probabilité d'occupation par un électron vaut exactement 1/2. Il se rapproche de la bande de conduction dans le type n et de la bande de valence dans le type p.
Mobilité
Facilité avec laquelle les porteurs se déplacent sous l'effet d'un champ électrique. Dans le silicium, la mobilité des électrons est supérieure à celle des trous.
Concentration intrinsèque de porteurs
Densité d'électrons et de trous générés thermiquement dans un semi-conducteur sans impuretés (notée ni). Environ 1×10¹⁰ cm⁻³ dans le silicium à température ambiante, elle croît rapidement avec la température. À l'équilibre thermique, n × p = ni².

Comparatifs associés