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.
Nom japonais: ドナー
« Donneur » apparaît dans 6 questions d'entraînement réparties sur 3 thèmes, dont Physique des semi-conducteurs, Semi-conducteurs composés, Plaquettes de silicium.
Domaine: Physique des semi-conducteurs
Le phosphore, atome du groupe V, remplace un atome de silicium et utilise quatre de ses cinq électrons de valence pour les liaisons. Le cinquième n'est que faiblement lié, car le silicium environnant écrante la charge de l'ion : le système se comporte comme un grand atome d'hydrogène peu profond. Son niveau donneur se situe environ 0,045 eV sous la bande de conduction pour le phosphore et environ 0,054 eV pour l'arsenic, ce qui est faible devant l'énergie thermique à température ambiante, d'environ 0,026 eV : presque tous les donneurs s'ionisent. Chacun libère un électron mobile et devient un ion positif fixe dans le réseau.
Lorsque tous les donneurs sont ionisés, la densité d'électrons est égale à la concentration de donneurs, et la loi d'action de masse, n·p = ni², fixe celle des trous : 10¹⁶ cm⁻³ donneurs avec ni = 10¹⁰ cm⁻³ ne laissent que 10⁴ trous par cm³, et pourtant ces porteurs minoritaires gouvernent les fuites de jonction et l'effet bipolaire. Le niveau de Fermi se rapproche de la bande de conduction d'environ 60 mV par décade de dopage et, à très fort dopage, y pénètre, rendant le matériau dégénéré. Le dopage est extrêmement efficace : le silicium compte environ 5 × 10²² atomes/cm³, si bien que 10¹⁶ cm⁻³ représente un atome sur cinq millions, et pourtant la résistivité tombe à environ 0,5 Ω·cm.
La densité d'électrons ne reste proche de la concentration de donneurs que sur une plage de température intermédiaire, la région extrinsèque, dans laquelle les composants sont censés fonctionner. En dessous d'environ 100 K dans le silicium, l'énergie thermique est trop faible pour libérer les électrons des donneurs, et la densité de porteurs chute fortement : c'est le gel des porteurs (freeze-out). À haute température, les porteurs intrinsèques générés à travers la bande interdite augmentent fortement et finissent par dépasser la densité de donneurs, si bien que le dopage ne contrôle plus la conduction. Même avant cela, la hausse de la densité de porteurs minoritaires augmente les fuites, l'une des raisons pour lesquelles les puces chaudes fuient davantage.
Le phosphore et l'arsenic sont les donneurs de référence dans le silicium. L'arsenic, plus lourd, diffuse plus lentement, ce qui le rend adapté aux régions de source et de drain n+ peu profondes, et l'antimoine est aussi utilisé là où l'on veut une diffusion lente, comme dans les substrats fortement dopés et les couches enterrées. Des donneurs peuvent aussi apparaître involontairement : l'oxygène du silicium Czochralski peut former des donneurs thermiques lors d'un chauffage vers 450 °C. Dans les semi-conducteurs composés, le comportement peut dépendre du site du réseau ; le silicium dans le GaAs occupe normalement les sites gallium et agit comme donneur standard.
Réponse : A. Très près du bas de la bande de conduction (environ 0,045 eV en dessous)
Le niveau donneur du phosphore est très peu profond, à environ 0,045 eV sous le bas de la bande de conduction : même l'énergie thermique ambiante (environ 0,026 eV) suffit à l'ioniser presque entièrement et à fournir des électrons. L'arsenic se situe à environ 0,054 eV, et le niveau accepteur du bore à environ 0,045 eV au-dessus de la bande de valence. Les niveaux peu profonds, dont la liaison est affaiblie par la permittivité du matériau hôte, s'estiment avec le modèle de l'atome d'hydrogène. Les niveaux profonds proches du milieu de la bande interdite proviennent d'impuretés comme l'or et agissent comme centres de recombinaison.
Le phosphore possède cinq électrons de valence, un de plus que ce dont le silicium a besoin pour ses quatre liaisons. L'électron supplémentaire est faiblement lié, environ 0,045 eV sous la bande de conduction : il est donc libéré à température ambiante et rend le silicium de type n.
On utilise la loi d'action de masse p = ni²/n avec n ≈ ND. Pour ND = 10¹⁶ cm⁻³ et ni = 10¹⁰ cm⁻³, on obtient p = 10⁴ cm⁻³.
Aux températures cryogéniques, en dessous d'environ 100 K dans le silicium, l'énergie thermique est trop faible pour ioniser les donneurs : les électrons restent liés et la densité de porteurs libres chute fortement.
Le niveau donneur du phosphore est très peu profond, à environ 0,045 eV sous le bas de la bande de conduction : même l'énergie thermique ambiante (environ 0,026 eV) suffit à l'ioniser presque entièrement et à fournir des électrons.
Quelle position dans la bande interdite du niveau donneur c…Une telle impureté est appelée donneur et produit un semi-conducteur de type n.
Quelle description est correcte lorsqu'on ajoute du phospho…Même peu profond, le niveau donneur exige un peu d'énergie thermique pour libérer un électron dans la bande de conduction.
Pourquoi la densité de porteurs d'un silicium de type n dim…Le principe du dopage consiste à introduire un élément du groupe V (phosphore, etc.), qui a un électron de valence de plus, comme donneur, ou un élément du groupe III (bore, etc.), qui en a un de moins, comme accepteur.
Combien d'électrons de valence (électrons de la couche exte…Le silicium, du groupe IV, placé sur un site de gallium (groupe III) apporte un électron de valence excédentaire et agit comme donneur, d'où le type n.
Lors du dopage n du GaAs par le silicium, quel site le sili…Accepteur Bande interdite (bandgap) GaAs (arséniure de gallium) Précipités d'oxygène (BMD) Getter (gettering) Affinité électronique Bande interdite indirecte Concentration intrinsèque de porteurs Longueur de diffusion Masse effective