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Jonction PN : Déplacement des trous

Niveau : 1°S

    9 février 2011 à 21:59:56

    Bonjour,

    Je reviens vous embêter ce soir avec mes jonctions PN. :p

    Bon, considérons une jonction reposant sur deux cristaux de silicium respectivement dopés P (au bore) et N (au phosphore). Mettons qu'un photon vienne frapper la jonction et que l'énergie communiquée soit suffisante pour créer une paire électron-trou. L'électron se déplace vers la zone N (ça j'ai compris) et les trous vers la zone P.

    Mon problème, c'est de savoir comment exactement se déplacent ces trous. J'ai supposé et j'ai pu confirmer que les électrons avaient tendance à aller "combler" les trous, ce qui provoquait un déplacement du trou. Mais quels électrons, en provenance de quels atomes, vont aller combler un trou après la formation d'une paire électron-trou ?

    Ce n'est peut-être pas très clair, mais en bref, j'aimerais bien savoir comment le trou peut rejoindre la zone P après la formation d'une paire électron-trou (en raisonnant au niveau atomique, pas en terme de charges).

    Merci.
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    Anonyme
      10 février 2011 à 20:00:52

      Bonjour,
      En relisant votre premier message où vous disiez avoir compris , vous semblez toujours bloquer sur le mouvement des trous.
      Une première précision qui vous éclairera peut être sur ces fameux trous :
      leur mouvement est en fait un mouvement électronique selon un mécanisme différent de celui des électrons dit de conduction du semi-conducteur.
      Le trou correspond en fait à une liason de valence absente ( donc un électron de valence) pour certains atomes du réseau de Si. L'ion Si+ associé est energétiquement peu stable et apte à capter facilement un électron d'un atomme voisin. Le mouvement de trou est donc en fait un mouvement de modification de proche en proche de la valence d'un atomme perturbé du réseau.
      Ce trou au départ se forme soit par agitation thermique ( silicium pur) , soit par dopage P le bore par exemple captant un électron et créant ce déséquilibre qui se propage.

      Si vous avez des notions élèmentaires de bandes d'énergie dans un semi conducteur (...j'ignore totalement le programme des lycées!), on peut préciser:

      - que ce mécanisme lié aux trous se fait au niveau de la bande d'énergie de valence ( ce sont donc des électrons de valence qui en changeant d'atome donnent ce mouvement apparent de trous

      - que le mouvement d' électrons majoritaires de type N (avec le phosphore par ex ) est différents puisqu'il a lieu dans la bande dite de conduction séparée de la bande de valence par une zone interdite ( gap de 1,12eV pour Si ).Le cinquième électron de valence du phosphore peu lié peut franchir assez facilement ce seuil.
      Ces électrons se déplacent plus librement que les précédents et de fait les calculs montrent une mobilité sensiblement supérieures à la mobilité des trous.

      - on ne doit pas confondre la mobilité des trous ainsi précisée avec un autre mécanisme qui se superpose: la recombinaison qui correspond à la captation d'électrons de la bande de conduction par des trous voisins.

      - enfin à la formation d'une jonction P/N s'établit un mouvement spontanné des deux types de porteurs , qui se stabilise rapidement en créant un champ électrique interne qui bloque tout mouvement au delà d'une trés faible couche de contact formant une barrière de potentiel qu'il faut franchir par un apport d'énergie .

      Ensuite, les mouvements explicites des porteurs dépendent de chaque situation ( polarisation directe , inverse,excitation lumineuse, ...) et de la nature précise de la jonction (dopage, position des bandes d'énergie différentes dans la parie P ou N , position du niveau caractéristique dit de de Fermi par rapport à ces bandes conditionnant la répartition des électrons etc.. )

      Je pense que aller plus loin ici dépasserait le cadre de la question.
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        11 février 2011 à 22:35:18

        Bonsoir et merci pour votre réponse. Elle m'a permis de préciser certaines informations, mais je me pose toujours quelques questions.

        Citation : nabucos

        le mouvement d' électrons majoritaires de type N (avec le phosphore par ex ) est différents puisqu'il a lieu dans la bande dite de conduction séparée de la bande de valence par une zone interdite ( gap de 1,12eV pour Si ).Le cinquième électron de valence du phosphore peu lié peut franchir assez facilement ce seuil.



        Voulez-vous parler du déplacement du cinquième électron de valence du phosphore au moment où on met les deux cristaux (dopés P et N) en contact ? Pourquoi dites-vous que le mouvement d'électrons a lieu dans la bande de conduction alors qu'il s'agit d'électrons de valence ?

        Cependant, je me demandais plutôt ce qui arrive, au niveau des couches électroniques externes des atomes, quand un photon vient frapper la jonction (je suis donc plutôt dans le cas d'une photodiode).

        Citation : nabucos

        L'ion Si+



        Je voudrais juste savoir si cet ion est présent en minorité dans tout cristal de silicium, ou s'il est dû à la formation d'une jonction PN (car je n'en ai jamais entendu parler).

        Sinon, pour répondre à votre question, je suis en 1°S et nous n'avons rien vu des bandes d'énergie. D'ailleurs, j'ai une question à ce propos. Sur cette page web, est représentée la structure des bandes d'énergie d'un conducteur. Je voudrais savoir si on peut définir un conducteur en disant que la bande de valence et la bande de conduction se chevauchent et que la "zone de chevauchement" correspond à une bande interdite. Je ne sais plus si c'était sur ce forum ou ailleurs, on m'a dit que cette définition était incorrect.

        Quand au type de la jonction, je parle bien d'une jonction PN, polarisée en direct.

        Merci.
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          12 février 2011 à 0:12:18

          Citation : fiveayem_one


          Voulez-vous parler du déplacement du cinquième électron de valence du phosphore au moment où on met les deux cristaux (dopés P et N) en contact ?


          Je ne vais pas rentrer dans le détail, mais il ne suffit pas d'accoler deux cristaux dopés pour faire une jonction PN... En gros, pour faire très simple, on a d'abord le semi conducteur non dopé (intrinsèque) qu'on va doper localement (par diffusion assez souvent) pour créer la jonction PN : tout ce que je veux dire, c'est qu'on ne "colle" pas les cristaux ou on ne les met pas en contact : la jonction est générée dans du silicium massif.

          Et pour répondre à la question, non, ce n'est pas une histoire de cristaux en contact, c'est simplement que l'énergie à fournir pour faire passer un électron de valence dans la bande de conduction est plus faible pour le phosphore que pour le silicium.

          Citation

          Pourquoi dites-vous que le mouvement d'électrons a lieu dans la bande de conduction alors qu'il s'agit d'électrons de valence ?


          Si l'électron restait dans la bande de valence, il n'y aurait pas de conduction... La "bande de valence", c'est juste pour dire que ces électrons-là ne partiront pas... C'est d'ailleurs une particularité des semi-conducteurs : ils peuvent être isolants ou conducteurs suivant le contexte. Au niveau chimique, ce "contexte" c'est "est-ce que mon électron est sur la bande de valence ou la bande de conduction ?".

          Citation

          Cependant, je me demandais plutôt ce qui arrive, au niveau des couches électroniques externes des atomes, quand un photon vient frapper la jonction (je suis donc plutôt dans le cas d'une photodiode).


          Tu peux expliciter ce que tu veux dire ? (je vais répondre, mais peut-être à côté de la plaque)

          Il n'arrive rien aux "couches électroniques externes des atomes" quand un photon passe. Par contre, si l'énergie de ce photon dépasse l'énergie de gap, il (le photon) pourra être absorbé par un électron qui passera de la bande de valence à la bande de conduction...

          Cela se traduit par une augmentation de la conductance de ton matériau et/ou par la génération de courant (obtention d'un photorésistor ou d'une cellule photovoltaïque) suivant la façon dont il a été produit.


          Citation


          Je voudrais juste savoir si cet ion est présent en minorité dans tout cristal de silicium, ou s'il est dû à la formation d'une jonction PN (car je n'en ai jamais entendu parler).


          Le Si+, c'est juste pour se figurer le trou : comme cela a été bien expliqué, il est instable (donc peu présent) et voudrait se recombiner avec l'électron qu'il vient de laisser partir. Il va donc piquer un électron au voisin qui devient à son tour instable et va piquer à son tour l'électron du voisin, etc. C'est ce qui va provoquer la mobilité de ce trou. La jonction PN permet juste, en très simplifié, de créer un environnement "agréable" pour l'électron différent de l'environnement "agréable" pour le trou, ce qui empêche une bonne fois leur recombinaison.


          Citation

          Sinon, pour répondre à votre question, je suis en 1°S et nous n'avons rien vu des bandes d'énergie. D'ailleurs, j'ai une question à ce propos. Sur cette page web, est représentée la structure des bandes d'énergie d'un conducteur. Je voudrais savoir si on peut définir un conducteur en disant que la bande de valence et la bande de conduction se chevauchent et que la "zone de chevauchement" correspond à une bande interdite.


          Non, ce n'est pas une bande interdite... La théorie des bandes n'est utile que pour les semi-conducteurs et les isolants qui, eux, disposent d'une bande interdite. Pour les métaux, le "chevauchement" que l'on peut représenter signifie simplement que la bande de valence est AUSSI la bande de conduction. Donc les électrons de valence des métaux les plus hauts en énergie seront "peu liés" au noyau, ce qui explique leur excellentes conductions électrique et thermique.
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          Anonyme
            12 février 2011 à 11:43:24

            précisions suite aux questions:
            - dans la jonction N , le cinquième électron du phosphore est au départ électron de valence mais est faiblement lié donc facilement "expulsé" vers la bande de conduction par un apport d'énergie. Il est devient mobile dans la bande de conduction, c'est ce qui assure la conductivité type N
            - pour reprendre le commentaire d'Abaxos,dans un semi conducteur extrinséque ( dopé ) type N, l'électron excédentaire est bien dans la bande de conduction indépendamment de l'existance ou non d'une liaison type P/N, avec une densité dépendant des conditions . Lorsque l'on forme une jonction PN (remarque: lorsque je dit on accole , je schématise bien sûr le mode de réalisation)), il se crée un nouvel équilibre avec mouvement des électrons N (du phodphore ) et des trous vers les zones de moindre concentration.
            Le résultat à l'état non polarisé est bien dans son principe le cristal P et le cristal N séparé par une zone trés mince créant une barrière de potentiel issu d'un cham éléctrique interne associé au nouvel équilibre électrons- trous aprés jonction.

            - pour Si+, Abaxos me semble avoir complété clairement la question

            - quant au photon, il faut le voir comme un apport d'énergie qui, en schématisant, comme tout autre apport d'énergie, permet aux électrons de valence d'être expulsé si cet apport est suffisant pour faire franchir la bande interdite.

            - On peut préciser un tout petit peu cette notion de bandes d'énergie essentielles pour bien comprendre un semi conducteur,
            Je suppose qu'on apprend en seconde de façon simplifiée qu'un atome isolé a ses électrons disposés en différentes couches électroniques . Chaque couche à un niveau d'énergie bien précis ( c'est ce qu'on appelle la quantification)
            Lorsque l'on associe des atomes identiques dans un réseau cristallin, il se produit des couplages essentiellemnet entre niveau identiques d'atomes voisins. Ce couplage transforme un niveau autorisé dans l'atome seul en une bande d'énergie .
            On peut s'imaginer cela en comparant le couplage des électrons par exemple à un couplage mécanique de petits pendules . Un pendule isolé vibre selon un mode bien précis ( selon g/l! )
            Si on les couple par des petits ressorts, le système complet va alors avoir un ensemble de fréquences propres dans une bandes plus ou moins large selon le couplage.Des pendules différents (l différents) auront des bandes de fréquences plus ou moins séparées selon l

            Pour l'électron c'est un peu pareil , chaque électron de l'atome dans un état donné est associé (...c'est la mécanique quantique mais peu importe) à une "vibration" ( c'est ce qu'on appelle la fonction d'onde) et le couplage des ondes identiques créent les bandes d'énergie permises.
            On comprend donc que l'importance et la position relative de ces bandes dépendent fondamentalement de la structure électronique de l'atome de réference.

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              12 février 2011 à 16:31:48

              Citation : Abaxos

              on ne "colle" pas les cristaux ou on ne les met pas en contact : la jonction est générée dans du silicium massif.



              En gros, on prend un cristal de silicium intrinsèque et on dope "d'un côté" P, et "de l'autre côté" N ?

              Citation : Abaxos

              l'énergie à fournir pour faire passer un électron de valence dans la bande de conduction est plus faible pour le phosphore que pour le silicium.



              Cela veut-il dire que la différence <math>\(E_C - E_V\)</math> est plus petite pour le phosphore que le silicium ? Et la valeur de <math>\(E_V\)</math> est-elle différente selon qu'on considère le phosphore ou le silicium ?

              Citation : Abaxos

              Il n'arrive rien aux "couches électroniques externes des atomes" quand un photon passe. Par contre, si l'énergie de ce photon dépasse l'énergie de gap, il (le photon) pourra être absorbé par un électron qui passera de la bande de valence à la bande de conduction...



              Mais si l'électron passe dans la bande de conduction, il va devenir libre et quitter la couche électronique (externe) de l'atome où il se trouvait, non ? Pouvez-vous expliquer ?

              Citation : Abaxos

              Non, ce n'est pas une bande interdite... La théorie des bandes n'est utile que pour les semi-conducteurs et les isolants qui, eux, disposent d'une bande interdite.



              Donc les conducteurs possèdent une bande interdite ou pas ? Et où se trouve la bande interdite pour les matériaux isolants (regardez le lien que j'ai mis dans mon message pour les images auxquelles je fais allusion) ?

              Citation : nabucos

              l'électron excédentaire est bien dans la bande de conduction



              Cet électron est donc libre ? Est-ce pour cette raison qu'il va aller "combler" les trous dans la zone P ?

              Désolé de vous "bombarder" de questions, mais il s'agit d'un TPE (Travail Personnel Encadré, épreuve du bac), et les examinateurs pourraient bien me coller sur cette partie...

              Merci de votre aide. :)
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                12 février 2011 à 19:30:52

                Citation : fiveayem_one

                En gros, on prend un cristal de silicium intrinsèque et on dope "d'un côté" P, et "de l'autre côté" N ?


                On peut dire ça comme ça.

                Citation


                Cela veut-il dire que la différence <math>\(E_C - E_V\)</math> est plus petite pour le phosphore que le silicium ? Et la valeur de <math>\(E_V\)</math> est-elle différente selon qu'on considère le phosphore ou le silicium ?


                Non, je n'ai pas été clair : le phosphore n'est pas un semi-conducteur. Ce que je voulais dire, c'est que le phosphore forme des liaisons avec le silicium dans le cristal (4) or il dispose de 5 électrons de valence. En plus, l'électronégativité du phosphore est très proche de celle du silicium. Ceci implique qu'il ne faut pas une grande énergie pour faire passer l'électron supplémentaire du phosphore dans la bande de conduction du cristal de silicium. Dit d'une autre manière, il est plus facile d'arracher un électron à un atome de phosphore dans ce contexte qu'un électron à un atome de silicium. En gros, si le phosphore était un cristal semi-conducteur (ce qu'il n'est pas !), son <math>\(E_C\)</math> serait en effet plus bas.


                Citation


                Mais si l'électron passe dans la bande de conduction, il va devenir libre et quitter la couche électronique (externe) de l'atome où il se trouvait, non ? Pouvez-vous expliquer ?


                C'est tout le principe : passage de la bande de valence (électrons liés) à la bande de conduction (électrons un peu plus libres). C'est ce qui va permettre à ta photodiode de fonctionner : plus il y a d'électron dans la bande de conduction du cristal, plus ton cristal sera conducteur... Au final, les photodiodes les plus simples ne sont qu'une jonction PN couplée à un ohmmètre...

                Citation


                Donc les conducteurs possèdent une bande interdite ou pas ? Et où se trouve la bande interdite pour les matériaux isolants (regardez le lien que j'ai mis dans mon message pour les images auxquelles je fais allusion) ?


                Il me semble avoir été assez clair : non, les conducteurs n'ont pas de bande interdite. MAIS les semi-conducteurs et les isolants en ont une.

                Le schéma que tu donnes en lien est soit ambigu soit faux : la bande interdite sépare la bande de conduction et la bande de valence. Pour un métal, la bande de conduction et la bande de valence sont des concepts inutiles voire faux si on y réfléchit un peu.

                Citation


                Cet électron est donc libre ? Est-ce pour cette raison qu'il va aller "combler" les trous dans la zone P ?


                Non, c'est un peu plus compliqué que ça. Pour un TPE, on ne t'en voudra pas si tu dis qu'un électron dans la bande de valence ne participera pas au courant alors qu'un électron dans la bande de conduction y participera, ce qui augmentera la conductance de ton matériau.

                Si on te demande alors "pourquoi mettre une jonction PN s'il suffit de faire passer les électrons en bande de conduction ?", tu pourras répondre que c'est pour des histoires de rendements : la jonction PN permet d'éviter la recombinaison électron/trou.

                Aller plus loin que ça dans l'explication n'est pas nécessaire.
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                Jonction PN : Déplacement des trous

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