Porteur de charge - Charge carrier

En physique , un porteur de charge est une particule ou une quasiparticule qui est libre de se déplacer, portant une charge électrique , en particulier les particules qui portent des charges électriques dans les conducteurs électriques . Les exemples sont les électrons , les ions et les trous . Le terme est le plus couramment utilisé en physique du solide . Dans un milieu conducteur, un champ électrique peut exercer une force sur ces particules libres, provoquant un mouvement net des particules à travers le milieu ; c'est ce qui constitue un courant électrique . Dans les milieux conducteurs, les particules servent à véhiculer des charges :

  • Dans de nombreux métaux , les porteurs de charge sont des électrons . Un ou deux des électrons de valence de chaque atome sont capables de se déplacer librement dans la structure cristalline du métal. Les électrons libres sont appelés électrons de conduction et le nuage d'électrons libres est appelé gaz de Fermi . De nombreux métaux ont des bandes d'électrons et de trous. Dans certains, les porteurs majoritaires sont des trous.
  • Dans les électrolytes , tels que l' eau salée , les porteurs de charge sont des ions , qui sont des atomes ou des molécules qui ont gagné ou perdu des électrons, ils sont donc chargés électriquement. Les atomes qui ont gagné des électrons donc chargés négativement sont appelés anions , les atomes qui ont perdu des électrons donc chargés positivement sont appelés cations . Les cations et les anions du liquide dissocié servent également de porteurs de charge dans les solides ioniques fondus (voir par exemple le procédé Hall-Héroult pour un exemple d'électrolyse d'un solide ionique fondu). Les conducteurs de protons sont des conducteurs électrolytiques utilisant des ions hydrogène positifs comme porteurs.
  • Dans un plasma , un gaz chargé électriquement qui se trouve dans les arcs électriques à travers l'air, les enseignes au néon , le soleil et les étoiles, les électrons et les cations du gaz ionisé agissent comme porteurs de charge.
  • Dans le vide , les électrons libres peuvent agir comme porteurs de charge. Dans le composant électronique connu sous le nom de tube à vide (également appelé valve ), le nuage d'électrons mobile est généré par une cathode métallique chauffée , par un processus appelé émission thermoionique . Lorsqu'un champ électrique est appliqué suffisamment fort pour attirer les électrons dans un faisceau, cela peut être appelé rayon cathodique et constitue la base de l' affichage à tube cathodique largement utilisé dans les téléviseurs et les écrans d'ordinateur jusqu'aux années 2000.
  • Dans les semi - conducteurs , qui sont les matériaux utilisés pour fabriquer des composants électroniques comme les transistors et les circuits intégrés , deux types de porteurs de charge sont possibles. Dans les semi-conducteurs de type p, les « particules efficaces » connues sous le nom de trous d'électrons avec une charge positive se déplacent à travers le réseau cristallin, produisant un courant électrique. Les "trous" sont, en effet, des lacunes d'électrons dans la population d' électrons de la bande de valence du semi-conducteur et sont traités comme des porteurs de charge car ils sont mobiles, se déplaçant d'un site atomique à un site atomique. Dans les semi-conducteurs de type n, les électrons de la bande de conduction se déplacent à travers le cristal, ce qui génère un courant électrique.

Dans certains conducteurs, tels que les solutions ioniques et les plasmas, des porteurs de charge positifs et négatifs coexistent, donc dans ces cas, un courant électrique se compose des deux types de porteurs se déplaçant dans des directions opposées. Dans d'autres conducteurs, tels que les métaux, il n'y a que des porteurs de charge d'une polarité, de sorte qu'un courant électrique en eux consiste simplement en des porteurs de charge se déplaçant dans une direction.

Dans les semi-conducteurs

Il existe deux types reconnus de porteurs de charge dans les semi-conducteurs . L'un est constitué d' électrons , qui portent une charge électrique négative . De plus, il est pratique de traiter les lacunes de déplacement dans la population d'électrons de la bande de valence ( trous ) comme un deuxième type de porteurs de charge, qui portent une charge positive égale en amplitude à celle d'un électron.

Génération et recombinaison de porteurs

Article principal: génération de transporteur et recombinaison

Lorsqu'un électron rencontre un trou, ils se recombinent et ces porteurs libres disparaissent effectivement. L'énergie libérée peut être soit thermique, réchauffant le semi-conducteur ( recombinaison thermique , une des sources de chaleur perdue dans les semi-conducteurs), soit libérée sous forme de photons ( recombinaison optique , utilisée dans les LED et les lasers à semi-conducteurs ). La recombinaison signifie qu'un électron qui a été excité de la bande de valence à la bande de conduction retombe à l'état vide dans la bande de valence, connu sous le nom de trous. Les trous sont les états vides créés dans la bande de valence lorsqu'un électron s'excite après avoir obtenu de l'énergie pour franchir la bande interdite.

Porteurs majoritaires et minoritaires

Les porteurs de charge les plus abondants sont appelés porteurs majoritaires , qui sont principalement responsables du transport du courant dans un morceau de semi-conducteur. Dans les semi-conducteurs de type n, ce sont des électrons, tandis que dans les semi-conducteurs de type p, ce sont des trous. Les porteurs de charge les moins abondants sont appelés porteurs minoritaires ; dans les semi-conducteurs de type n, ce sont des trous, tandis que dans les semi-conducteurs de type p, ce sont des électrons.

Dans un semi - conducteur intrinsèque , qui ne contient aucune impureté, les concentrations des deux types de porteurs sont idéalement égales. Si un semi-conducteur intrinsèque est dopé avec une impureté donneuse, les porteurs majoritaires sont des électrons. Si le semi-conducteur est dopé avec une impureté acceptrice alors les porteurs majoritaires sont des trous.

Les porteurs minoritaires jouent un rôle important dans les transistors bipolaires et les cellules solaires . Leur rôle dans les transistors à effet de champ (FET) est un peu plus complexe : par exemple, un MOSFET a des régions de type p et de type n. L'action du transistor fait intervenir les porteurs majoritaires des régions de source et de drain , mais ces porteurs traversent le corps de type opposé, où ils sont minoritaires. Cependant, les porteurs traversants sont beaucoup plus nombreux que leur type opposé dans la région de transfert (en fait, les porteurs de type opposé sont supprimés par un champ électrique appliqué qui crée une couche d'inversion ), de sorte que la désignation de source et de drain pour les porteurs est adoptée, et Les FET sont appelés dispositifs à « porteur majoritaire ».

Concentration de porteurs libres

Article principal: densité de porteurs de charge

La concentration de porteurs libres est la concentration de porteurs libres dans un semi-conducteur dopé . Elle est similaire à la concentration de porteurs dans un métal et peut être utilisée de la même manière aux fins du calcul des courants ou des vitesses de dérive. Les porteurs libres sont des électrons (ou trous ) qui ont été introduits directement dans la bande de conduction (ou bande de valence ) par dopage et ne sont pas promus thermiquement. Pour cette raison, les électrons (trous) n'agiront pas comme doubles porteurs en laissant derrière eux des trous (électrons) dans l'autre bande. En d'autres termes, les porteurs de charge sont des particules/électrons qui sont libres de se déplacer (portent la charge).

Voir également

Les références

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