Porteurs en excès dans les semi-conducteurs : Génération, durée de vie et impact dispositifs

Les porteurs en excès sont des électrons et trous présents dans un semi-conducteur au-dessus de leurs concentrations d'équilibre thermique (n₀, p₀). Ce sont les agents actifs de tout fonctionnement optoélectronique et bipolaire.

Mécanismes de génération

• Optique (Photogénération) : Photon (E > E_g) crée paire e-h. Base des photodiodes, cellules solaires, capteurs CCD/CMOS.
• Injection électrique : Jonction p-n polarisée en direct injecte porteurs minoritaires à travers la jonction. Base des diodes, BJT, LED, lasers.
• Ionisation par impact : Accélération champ fort → paires e-h par choc. Photodiodes avalanche, claquage.
• Thermique (au-dessus équilibre) : Pas « excès » — simplement n₀, p₀ plus élevés à T supérieure.

Recombinaison et durée de vie

Les porteurs en excès Δn = Δp décroissent via :

• Radiative (Bande-à-bande) : Gap direct (GaAs, InP) → émission photon (LED, Laser). τ_rad ~ ns.
• Shockley-Read-Hall (Pièges) : Défauts/impuretés médient. Dominant dans Si, Ge. τ_SRH ~ µs–ms.
• Auger (Trois particules) : Dopage/injection forts. τ_Auger ∝ 1/N².
• Recombinaison surfacique : Liaisons pendantes surfaces/interfaces. Critique dans nanostructures.

Durée de vie effective : 1/τeff = 1/τrad + 1/τSRH + 1/τAuger + 1/τsurf

Transport : Diffusion et dérive

• Courant de diffusion : J_diff = qD ∇(Δn). Porteurs se déplacent selon gradient de concentration. Longueur de diffusion L = √(Dτ).
• Courant de dérive : J_drift = qμnE. Piloté par champ électrique.

Impact sur les dispositifs

Dispositif	Rôle des porteurs en excès
Cellule solaire	Δn, Δp photogénérés séparés par champ jonction → photocourant
BJT	Minoritaires injectés dans base diffusent vers collecteur → amplification
LED / Laser	Δn, Δp injectés recombinent radiativement → lumière
Photodiode	Δn, Δp photogénérés balayés par polarisation inverse → photocourant
Diode de puissance	Charge stockée (Δp dans région n-drift) détermine récupération inverse (Qrr, trr)

Mesure

• Décroissance photoconductivité (PCD) : Impulsion lumineuse, surveillance décroissance conductivité → τ_eff.
• PCD micro-ondes (µ-PCD) : Sans contact.
• Photoluminescence résolue en temps (TRPL) : Durée de vie radiative.
• Spectroscopie transitoire niveaux profonds (DLTS) : Paramètres pièges.