Semi-conducteurs – bandes d'énergie, dopage et jonction p–n
PhysiqueÉlectricité et circuits17–18 ans
Chargement…
Connectez-vous pour lancer
Comparez les diagrammes de bandes d'énergie d'un conducteur (cuivre), d'un semi-conducteur (silicium, bande interdite de 1,12 eV) et d'un isolant (diamant, 5,5 eV), et changez la température pour voir le nombre d'électrons de conduction et la conductivité du silicium augmenter très vite, alors que ceux du cuivre diminuent. L'écran Dopage ajoute du phosphore (donneur, type n) ou du bore (accepteur, type p) à un réseau de silicium : changez le niveau de dopage et la température et lisez la densité d'électrons n, celle de trous p, le produit n·p = nᵢ², le niveau de Fermi et la conductivité. L'écran Jonction p–n montre la diffusion qui forme la zone de déplétion et une barrière d'environ 0,7 V, qui se rétrécit en polarisation directe et s'élargit en polarisation inverse, en lien avec la caractéristique I–U de la diode.
Leçon : Théorie des bandes des solides : conducteurs, semi-conducteurs et isolants ; semi-conducteurs de type n et de type p et jonction p–n
Ce qu’elle montre
Dans un solide, les électrons ne peuvent avoir que des énergies situées dans des bandes permises. Dans un métal, les bandes se chevauchent : il y a toujours beaucoup d'électrons libres. Dans le silicium, une bande interdite de 1,12 eV sépare la bande de valence pleine de la bande de conduction vide ; la chaleur y fait passer quelques électrons et laisse des trous, si bien que la conductivité augmente très vite avec la température. Le phosphore apporte des électrons (type n), le bore laisse des trous (type p), et n·p reste égal à nᵢ². Unir p et n crée une zone de déplétion avec une barrière d'environ 0,7 V. Le modèle suppose tous les dopants ionisés.
Mode d’emploi
Dans Bandes d'énergie, déplacez Température T et comparez le cuivre, le silicium et le diamant ainsi que le graphique de conductivité. Dans Dopage, choisissez le Dopant et le Niveau de dopage et observez le réseau, le diagramme de bandes et le graphique de n et p ; appuyez sur Enregistrer pour ajouter une ligne. Dans Jonction p–n, appuyez sur Unir p et n, puis déplacez Polarisation U entre inverse et directe ; lisez la largeur de la zone de déplétion, la barrière et le courant.
Paramètres modifiables
- Écran Bandes d'énergie, Dopage du silicium, Jonction p–n
- Température T 200–600 K
- Dopant Aucun (pur), Phosphore (type n), Bore (type p)
- Niveau de dopage (log₁₀ du nombre d'atomes par cm³) 13–18
- Tension de polarisation U (positive : directe) -5–0,7 V
Questions à explorer
- Pourquoi la résistivité du silicium baisse-t-elle fortement quand on le chauffe, alors que celle du cuivre augmente ?
- Pourquoi ajouter plus de phosphore au silicium diminue-t-il le nombre de trous ?
- Pourquoi la polarisation inverse élargit-elle la zone de déplétion et ne laisse-t-elle presque pas passer de courant ?
