Cette semaine dans Le Coin Tech, la troisième et ultime partie du dossier consacré au semi-conducteurs. Au programme : les semi-conducteurs extrinsèques et le dopage
Si vous avez manquez les épisodes précédents :
Le Coin Tech : dessine-moi un semi-conducteur. Partie 1
Le Coin Tech : dessine-moi yb semi conducteur. Partie 2
Nous avons vu que le silicium était un semi-conducteur et comment on le produisait de manière industrielle. Mais cela reste intrinsèquement un mauvais conducteur et il nous reste un dernier traitement de ce silicium nécessaire à la fabrication des circuits électroniques. Il s’agit du dopage qui permet de rendre le silicium meilleur conducteur.
Alors non le silicium ne prend pas de stéroïdes rassurez vous, enfin il a été testé négatif en tout cas, le dopage consistera à augmenter le nombre de trous libres et d’électrons libres dans le semi-conducteur. Cette étape a lieu au cours de la fabrication du dispositif (attendez le coin tech sur les transistors pour mieux comprendre: oui je spoil). Uniquement les régions en surface vont être dopées la profondeur de pénétration étant de quelques nanomètres à quelques micromètres. Bon je vous préviens tout de suite on va devoir refaire un peu de chimie pour mieux comprendre mais ne fuyez pas tout de suite c’est pas compliqué.
Les atomes dopants les plus utilisés sont le Bore (B), l’Indium (In), le Phosphore (P), l’Arsenic (As)… On va amener ces impuretés dans le Silicium pour améliorer sa conductivité mais pourquoi donc Jamie ? (en vrai je m’appelle pas Jamie) eh bien regardons pour cela la classification périodique vous allez mieux voir.
Repérons le silicium: il s’agit du numéro 14 dans la colonne numérotée IV, il a 4 électrons sur sa couche de valence. Le Bore (numéro 5) et l’Indium (numéro 49) sont dans la colonne III et ont ….. 3 électrons sur leur couche de valence. Le Phosphore (numéro 15) et l’Arsenic (numéro 33) sont dans la colonne 5… et bref vous avez compris.
Alors pourquoi s’il y a une impureté comme un atome de phosphore cela va fournir un électron libre de plus? Et bien parce que quatre de ces cinq électrons de valence sont mis en commun avec le silicium et le 5ème bah il se ballade tranquillou (en fait il est très faiblement lié au phosphore et il faut une très faible énergie pour qu’il se barre). Il y a alors perte de la neutralité du Phosphore qui devient un ion positif. Il y a aussi une formation plus faible des trous libres (lié aux nombre d’électrons libres). Les électrons libres sont les porteurs de charge majoritaires, on parle alors de dopage uniquement N (porteur de charge Négative).
Pour le Bore, comme celui-ci n’a que trois électrons de valence seulement ces trois là vont donc se mettre en commun avec le silicium et on aura majoritairement formation de trous libres. On parle alors de dopage uniquement P (car les porteurs de charge sont positifs).
Maintenant comment réalise-t-on un tel dopage? Et bien on utilise des atomes ionisés projeté avec suffisamment d’énergie (entre 3keV et 500 keV pour ceux que ça intéresse mais c’est pas l’important) grâce à un accélérateur d’ions. Ils vont alors pénétrer sur une certaine profondeur le silicium. Cette technique est précise et permet un bon contrôle de l’implantation. Cela dit le bombardement violent d’un monocristal par des autres atomes bah c’est un peu Dresde en 1945 à ce moment là et notre cristal après implantation n’est plus très beau à voir. L’implantation crée des dommages dans la structure cristalline
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Il faut donc restituer la cristallinité du matériau mais comment faire? Et bien il va falloir faire en sorte que les atomes de silicium se replacent bien et que les atomes dopants se diffusent (oui ça nous avance peu de dire ça). Mais comment faire pour que des atomes se diffusent dans un solide me diriez vous? Et bien il suffit que les particules bougent leur popotin et pour cela il suffit de chauffer. Un recuit thermique va donc permettre la redistribution de nos atomes et l’obtention d’une belle structure cristalline.
Et voilà c’est fini pour le dopage et pour notre cher dossier aussi. J’espère que vous avez tout compris et si vous avez tout compris que vous n’avez pas repéré d’erreurs. La fabrication des plaquettes de silicium même sans « gravure » de nos puces est donc fastidieuse, chère et très contrôlée. Elle nécessite un très grand nombre d’opérations. Mais elle n’est qu’une étape dans la fabrication d’un microprocesseur (ou de n’importe quel circuit en microélectronique). Et je suis sûr que ces étapes vous intéressent… Et ça devrait arriver bientôt.
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