10.5 : Bases des semi-conducteurs

La génération de courant électrique dans les semi-conducteurs est fondamentalement régie par deux mécanismes : la dérive et la diffusion. Ces processus sont essentiels à la fonctionnalité et aux performances des dispositifs à semi-conducteurs.

Courant de dérive:

La dérive des porteurs de charge est déclenchée par un champ électrique externe (E). Les particules chargées, telles que les électrons et les trous, subissent une accélération entre les collisions avec les atomes du réseau. Pour les électrons, cela se traduit par une vitesse de dérive (v_d) donnée par:

Où μ_e est la mobilité électronique et E est l’intensité du champ électrique.

La densité de courant (J) due à la dérive des électrons (J_n) et des trous (J_p) peut être exprimée comme suit:

Où q est la charge élémentaire, n et p, sont respectivement les concentrations d'électrons et de trous, et μ_n et μ_p sont les mobilités des électrons et des trous. La densité totale de courant de dérive (J_total) est la somme des densités de courant d'électrons et de trous :

La conductance (σ) est alors la somme des produits de la densité de charge par la mobilité pour chaque type de porteur:

Courant de diffusion:

La diffusion se produit en raison du mouvement thermique des porteurs, se déplaçant des régions de concentration plus élevée vers les régions de concentration plus faible. La densité de courant (J_diffusion) est:

D_n et D_p sont respectivement les coefficients de diffusion pour les électrons et les trous, et dn/dx et dp/dx sont les gradients de concentration pour les électrons et les trous.

Les relations d'Einstein lient la mobilité et le coefficient de diffusion pour les électrons et les trous:

Où k est la constante de Boltzmann et T est la température absolue.

Lorsqu'un champ électrique et un gradient de concentration sont présents, la densité de courant totale est la somme des composantes de dérive et de diffusion. Dans les applications réelles, ces phénomènes sont analysés à l'aide des équations des semi-conducteurs, un ensemble d'équations différentielles qui décrivent le comportement des porteurs de charge dans un semi-conducteur.