Semi-conducteur
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Généralités
Les semiconducteurs sont des matériaux présentant une conductivité électrique intermédiaire entre les métaux et les isolants.
- Les semiconducteurs sont primordiaux en électronique parce qu'ils offrent la possibilité de contrôler, par divers moyens, à la fois la quantité de courant électrique susceptible de les traverser et la direction que peut prendre ce courant.
- Dans un semiconducteur un courant électrique est favorisé par deux types de porteurs: les électrons et les trous.
- La propagation par l'intermédiaire d'électrons est similaire à celle d'un conducteur classique: des atomes fortement ionisés passent leurs électrons en excès le long du conducteur d'un atome à un autre, depuis une zone ionisée négativement à une autre moins négativement ionisée.
- La propagation par l'intermédiaire de trous est différente: ici, les charges électriques voyagent d'une zone ionisée positivement à une autre ionisée moins positivement par le mouvement d'un trou créé par l'absence d'un électron dans une structure électrique quasi-pleine.
- Le silicium pur est un semiconducteur intrinsèque. Les propriétés d'un semiconducteur (c'est-à-dire le nombre de porteurs, électrons ou trous) peuvent être contrôlées en le dopant avec des impuretés (autres matériaux). Un semiconducteur présentant plus d'électrons que de trous est alors dit de type N, tandis qu'un semiconducteur présentant plus de trous que d'électrons est dit de type P.
Structure électronique des semiconducteurs
Les propriétés des semiconducteurs proviennent de leur structure électronique.
Les éléments de type IV (C, Si, Ge, Sn, ) possèdent une structure électronique de type (.s², .p²), et peuvent former des orbitales σ et π liantes et antiliantes. Lorsque ces atomes forment un réseau cristallin, l'énergie des orbitales liantes tend à diminuer, alors que celle des orbitales antiliantes augmente (en fonction de la distance inter-atomique). En parallèle, les niveaux d'énergie correspondant aux orbitales tendent à s'étaler autour d'un niveau moyen, un phénomène dû à l'interaction des orbitales ; on parle alors de bandes d'énergie plutôt que de niveaux.
La bande correspondant à l'étalement de l'orbitale σ antiliante est appelée bande de conduction ; la bande correspondant à l'étalement de l'orbitale π liante est appelée bande de valence.
Tant que l'énergie de la bande de conduction est inférieure ou comparable à celle de la bande de valence, des électrons peuvent circuler librement dans le cristal : le solide est conducteur. C'est le cas du magnésium. D'autres métaux comme le cuivre (Cu) ont des états vides dans la bande de valence. Dans cette situation, les électrons de la bande de valence peuvent conduire l'électricité en se déplaçant entre ces états et le matériau est là aussi bon conducteur.
Si, en revanche, l'énergie de la bande de valence devient inférieure à celle de la bande de conduction (lorsque les dimensions de la maille cristalline diminuent), les électrons vont peupler tous les niveaux liants : le solide devient isolant au zéro absolu. La différence d'énergie entre la bande de conduction et la bande de valence est appelée gap du matériau.
Si le gap est très important (> 200 kT), quasiment aucun électron ne peuple la bande de valence à température ambiante : le matériau est isolant. Si, en revanche, le gap est de l'ordre de quelques eV, la bande de valence contient quelques électrons thermiques qui suffisent à assurer une conduction minimale : le matériau est dit semiconducteur.
On voit immédiatement que la concentration en porteurs dépend fortement de la température. Augmenter celle-ci conduit à augmenter le nombre de porteurs et accroît donc la conductivité, à la différence de la plupart des conducteurs qui tendent à être moins conducteurs à haute température. Ce principe est utilisé dans les thermistors.
Du fait des propriétés de symétrie du réseau cristallin, les niveaux d'énergie des bandes ne sont pas égaux dans toutes les directions : il existe des axes de conduction privilégiés. Les semiconducteurs où la direction correspondant au maximum d'énergie de la bande de valence et celle correspondant au minimum de la bande de conduction coïncident sont dits à gap direct (cas, par exemple de AsGa) ; les autres (Si) sont dits à gap indirect.
Quand un électron est excité vers la bande de conduction, il laisse derrière lui un état vide (un trou) dans la bande de valence, correspondant à un électron manquant dans l'une des liaisons covalentes entre atomes. Sous l'influence d'un champ électrique, un électron de valence voisin peut se déplacer à la place de l'électron manquant, déplaçant du même coup cette place. Ce trou est alors capable de se déplacer à travers le matériau et donc de conduire l'électricité.
Les trous sont considérés comme des particules de charge opposée à celle des électrons (1,602×10−19 C). En présence d'un champ électrique, des électrons et des trous se déplacent dans des directions opposées. Les électrons sont plus mobiles que les trous et donc conduisent mieux l'électricité. Parce qu'ils peuvent tous deux la conduire, ils sont nommés porteurs.
Le mouvement de conduction des électrons (et des « trous ») résulte de la superposition de deux forces : le champ électrique externe et le champ électrique périodique résultant de la structure du cristal. Comme ce dernier est malaisé à calculer exactement, il est remplacé par une contribution globale, qui revient à modifier la masse des porteurs ; on parle alors de masse effective. Au voisinage du minimum de la bande de conduction, la masse effective est une fonction de la derivée seconde du profil d'énergie de la bande (approximation parabolique).
Dopage et semiconduction intrinsèque
Semiconduction intrinsèque
Les semiconducteurs intrinsèques sont ceux dont le comportement électrique ne dépend que de la structure électronique de leur matériau. De ce cas, les porteurs sont tous créés en excitant des électrons dans la bande de conduction. En conséquence, un nombre égal d'électrons et de trous est créé.
Dopage de type N
Le but d'un dopage de type N est de produire un excès d'électrons porteurs dans le semiconducteur. Afin de comprendre comment un tel dopage s'effectue, considérons le cas du silicium (Si). Les atomes de Si ont quatre électrons de valence, chacun étant lié à un atome Si voisin par une liaison covalente. Si un atome ayant cinq atomes de valence, comme ceux du groupe 15 (VA) de la table périodique (par exemple, le phosphore (P), l'arsenic) (As) ou l'antimoine (Sb)), est incorporé dans le réseau cristallin, alors cet atome présentera quatre liaisons covalentes et un électron libre. Cet électron, qui n'est pas un électron de liaison, n'est que faiblement lié à l'atome et peut être facilement excité vers la bande de conduction. Aux températures ordinaires, quasiment tous ces électrons le sont. Comme l'excitation de ces électrons ne conduit pas à la formation de trous dans ce genre de matériau, le nombre d'électrons dépasse de loin le nombre de trous. Les électrons sont des porteurs majoritaires et les trous des porteurs minoritaires. Et parce que les atomes à cinq électrons ont un électron supplémentaire à « donner », ils sont appelés atomes donneurs. Les matériaux ainsi formés sont appelés semiconducteurs de type N parce qu'ils contiennent un excès d'électrons négativement chargés.
Dopage de type P
Le but d'un dopage de type P est de créer un excès de trous. Dans ce cas, un atome trivalent, généralement un atome de Bore, est substitué à un atome de silicium dans le réseau cristallin. En conséquence, il manque un électron pour l'une des quatre liaisons covalentes des atomes de silicium adjacents, et l'atome peut accepter un électron pour compléter cette quatrième liaison, formant ainsi un trou. Quant le dopage est suffisant, le nombre de trous dépasse de loin le nombre d'électrons. Les trous sont alors des porteurs majoritaires et les électrons des porteurs minoritaires. Les atomes de ce genre sont appelés accepteurs.
Jonction P-N
Une jonction P-N est créée en dopant des régions adjacentes d'un semiconducteur avec des dopants P et des dopants N. Si une différence de potentiel positive est placée du côté du dopage P, les porteurs majoritaires positifs (les trous) sont poussés vers la jonction. Dans le même temps, les porteurs majoritaires négatifs du côté N (les électrons) sont attirés vers la jonction. Comme il y en résulte une abondance de porteurs à la jonction, le courant électrique peut la traverser. Si la différence de potentiel est inversée, les porteurs majoritaires des deux côtés s'éloignent de la jonction, bloquant ainsi le passage du courant à son niveau. La jonction P-N est à la base du composant électronique nommé diode, qui ne permet le passage du courant électrique que dans un sens. De manière similaire, une troisième région peut être dopée pour former des doubles jonctions N-P-N ou P-N-P qui forment la base de la plupart des composants utilisant des semiconducteurs, à commencer par les transistors.
Voir aussi
Domaines englobants
- Physique du solide
- Électronique
- Chimie du solide
- Ingénierie électronique
- Conduction électrique dans les oxydes cristallins
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- Semiconducteurs à large bande
- Spintronique
Concepts
Liens externes
- Semiconductor Technology Information sur l'industrie des semiconducteurs.
- NSM-Archive Propriétés physiques des semiconducteurs (Si, GaAs, etc.), entre autres structure de bandes, propriétés méchaniques, électriques, thermiques et optiques.
- Principles of Semiconductor Devices
- Britney Spears Guide to Semiconductor Physics
- Semiconductor resource launch page
- Semiconductor glossary