dopé

Un semi-conducteur dopé est un semi-conducteur auquel de petites quantités, soigneusement contrôlées, d'éléments étrangers (dopants) ont été introduites pour modifier ses propriétés électriques. Le silicium ou le germanium purs ne conduisent presque rien à température ambiante; le dopage les transforme en matériaux capables de transporter un courant électrique de manière prévisible. La concentration de dopant varie généralement d'un atome d'impureté par million à un par milliard d'atomes semi-conducteurs, mais même ces minuscules fractions modifient fondamentalement le comportement du matériau.

Il existe deux principaux schémas de dopage. Le dopage de type N (négatif) ajoute des éléments du groupe 15 du tableau périodique, le plus souvent du phosphore ou de l'arsenic, qui apportent des électrons libres. Le dopage de type P (positif) introduit des éléments du groupe 13 tels que le bore ou l'aluminium, qui créent des "trous" agissant comme des porteurs de charge positifs. Le choix entre les deux détermine si les porteurs majoritaires seront des électrons ou des trous, et cette distinction est le fondement de tous les dispositifs semi-conducteurs pratiques.

Comment le dopage est effectué et ce qui peut mal tourner

Les dopants entrent dans le réseau cristallin pendant la croissance du cristal (par tirage Czochralski), ou ils sont implantés dans des tranches finies à l'aide de l'implantation ionique ou de la diffusion. L'implantation ionique accélère les ions dopants à haute énergie et les projette sur la surface du semi-conducteur; la diffusion introduit les atomes dopants à haute température et les laisse migrer vers l'intérieur. Les deux méthodes exigent un contrôle précis de la température, du temps, de la concentration et de la profondeur. Un dopage excessif crée des effets de compensation et des dommages cristallins; un dopage insuffisant rend le dispositif inerte. Des dopants involontaires provenant de l'environnement de traitement, ou d'étapes de fabrication antérieures, peuvent entièrement ruiner les performances du dispositif.

Les propriétés électriques d'un semi-conducteur dopé dépendent non seulement du type et de la concentration du dopant, mais aussi de la température, de l'uniformité de la distribution des dopants et de la présence de défauts ou de dopants compensateurs. Une tranche de silicium nominalement de type N avec une contamination résiduelle de type P se comportera différemment d'un matériau purement de type N. C'est pourquoi les profils de dopage doivent être cartographiés et vérifiés; la spectrométrie de masse à ions secondaires (SIMS) et l'analyse de la résistance d'étalement sont utilisées pour confirmer la distribution des dopants après le traitement.

Le terme "dopé" est entré dans l'usage courant en électronique parce que le concept était parallèle au dopage dans le sport ou la chimie, où un petit additif modifie considérablement les propriétés. En physique des semi-conducteurs, les atomes dopants remplacent certains atomes hôtes dans le cristal et se logent dans le réseau, donnant ou acceptant des électrons selon leur valence. Ce mécanisme a été compris au milieu du XXe siècle et reste la base de chaque diode de jonction, transistor et circuit intégré utilisé aujourd'hui. Sans dopage, l'électronique moderne n'existerait pas.