Qu\'est-ce qu\'un semi-conducteur ?

 

Un matériau semi-conducteur a une valeur de conductivité électrique comprise entre celle d\'un conducteur, tel que le cuivre métallique, et celle d\'un isolant, tel que le verre. Sa résistivité diminue lorsque sa température augmente ; les métaux se comportent de manière inverse. Ses propriétés conductrices peuvent être modifiées de manière utile en introduisant des impuretés (\"dopage\") dans la structure cristalline. Lorsque deux régions dopées différemment existent dans le même cristal, une jonction semi-conductrice est créée. Le comportement des porteurs de charge, qui comprennent les électrons, les ions et les trous d\'électrons, à ces jonctions est à la base des diodes, des transistors et de la plupart des appareils électroniques modernes. Quelques exemples de semi-conducteurs sont le silicium, le germanium, l\'arséniure de gallium et les éléments proches de ce qu\'on appelle «l\'escalier métalloïde» du tableau périodique. Après le silicium, l\'arséniure de gallium est le deuxième semi-conducteur le plus courant et est utilisé dans les diodes laser, les cellules solaires, les circuits intégrés hyperfréquences et autres. Le silicium est un élément essentiel pour la fabrication de la plupart des circuits électroniques.

 

Les dispositifs à semi-conducteurs peuvent afficher une gamme de propriétés utiles, telles que le passage du courant plus facilement dans un sens que dans l\'autre, une résistance variable et une sensibilité à la lumière ou à la chaleur. Étant donné que les propriétés électriques d\'un matériau semi-conducteur peuvent être modifiées par dopage et par l\'application de champs électriques ou de lumière, des dispositifs fabriqués à partir de semi-conducteurs peuvent être utilisés pour l\'amplification, la commutation et la conversion d\'énergie.

 

 

Un grand nombre d\'éléments et de composés ont des propriétés semi-conductrices, notamment :

 

 

 

• l Certains éléments purs se retrouvent dans le groupe 14 du tableau périodique ; les plus importants commercialement de ces éléments sont le silicium et le germanium. Le silicium et le germanium sont utilisés ici efficacement car ils ont 4 électrons de valence dans leur enveloppe la plus externe, ce qui leur donne la capacité de gagner ou de perdre des électrons de manière égale en même temps.

 

• l Composés binaires, en particulier entre les éléments des groupes 13 et 15, tels que l\'arséniure de gallium, les groupes 12 et 16, les groupes 14 et 16, et entre différents éléments du groupe 14, par ex. carbure de silicium.

 

• l Certains composés ternaires, oxydes et alliages.

 

• l semi-conducteurs organiques, constitués de composés organiques.

 

• l Structures métallo-organiques semi-conductrices.

 

 

 

Matériaux semi-conducteurs

 

Les matériaux à l\'état solide sont généralement regroupés en trois classes : les isolants, les semi-conducteurs et les conducteurs. (À basse température, certains conducteurs, semi-conducteurs et isolants peuvent devenir des supraconducteurs.) La figure montre les conductivités σ (et les résistivités correspondantes ρ = 1/σ) qui sont associées à certains matériaux importants dans chacune des trois classes. Les isolants, tels que le quartz fondu et le verre, ont des conductivités très faibles, de l\'ordre de 10−18 à 10−10 siemens par centimètre ; et les conducteurs, tels que l\'aluminium, ont des conductivités élevées, typiquement de 104 à 106 siemens par centimètre. Les conductivités des semi-conducteurs se situent entre ces extrêmes et sont généralement sensibles à la température, à l\'éclairage, aux champs magnétiques et aux quantités infimes d\'atomes d\'impuretés. Par exemple, l\'ajout d\'environ 10 atomes de bore (appelé dopant) par million d\'atomes de silicium peut multiplier par mille sa conductivité électrique (expliquant en partie la grande variabilité illustrée dans la figure précédente).

 

L\'étude des matériaux semi-conducteurs a commencé au début du 19ème siècle. Les semi-conducteurs élémentaires sont ceux composés d\'une seule espèce d\'atomes, tels que le silicium (Si), le germanium (Ge) et l\'étain (Sn) dans la colonne IV et le sélénium (Se) et le tellure (Te) dans la colonne VI du tableau périodique. Il existe cependant de nombreux semi-conducteurs composés, qui sont composés de deux éléments ou plus. L\'arséniure de gallium (GaAs), par exemple, est un composé III-V binaire, qui est une combinaison de gallium (Ga) de la colonne III et d\'arsenic (As) de la colonne V. Les composés ternaires peuvent être formés par des éléments de trois colonnes différentes— par exemple, le tellurure de mercure-indium (HgIn2Te4), un composé II-III-VI. Ils peuvent également être formés par des éléments de deux colonnes, tels que l\'arséniure d\'aluminium et de gallium (AlxGa1 - xAs), qui est un composé ternaire III-V, où Al et Ga sont tous deux de la colonne III et l\'indice x est lié à la composition de les deux éléments de 100 % Al (x = 1) à 100 % Ga (x = 0). Le silicium pur est le matériau le plus important pour les applications de circuits intégrés, et les composés binaires et ternaires III-V sont les plus importants pour l\'émission de lumière.

 

 

 

 

Comment fonctionnent les semi-conducteurs

 

 

Aujourd\'hui, la plupart des puces à semi-conducteurs et des transistors sont créés avec du silicium. Vous avez peut-être entendu des expressions telles que \"Silicon Valley\" et \"l\'économie du silicium\", et c\'est pourquoi le silicium est au cœur de tout appareil électronique.

Une diode est le dispositif semi-conducteur le plus simple possible et constitue donc un excellent point de départ si vous souhaitez comprendre le fonctionnement des semi-conducteurs. Dans cet article, vous apprendrez ce qu\'est un semi-conducteur, comment fonctionne le dopage et comment créer une diode à l\'aide de semi-conducteurs. Mais d\'abord, regardons de près le silicium.

Le silicium est un élément très commun - par exemple, c\'est l\'élément principal du sable et du quartz. Si vous recherchez \"silicium\" dans le tableau périodique, vous constaterez qu\'il se trouve à côté de l\'aluminium, en dessous du carbone et au-dessus du germanium.

Le carbone, le silicium et le germanium (le germanium, comme le silicium, est aussi un semi-conducteur) ont une propriété unique dans leur structure électronique - chacun a quatre électrons dans son orbitale externe. Cela leur permet de former de beaux cristaux. Les quatre électrons forment des liaisons covalentes parfaites avec quatre atomes voisins, créant un réseau. Dans le carbone, nous connaissons la forme cristalline du diamant. Dans le silicium, la forme cristalline est une substance argentée d\'aspect métallique.

Dans un réseau de silicium, tous les atomes de silicium se lient parfaitement à quatre voisins, ne laissant aucun électron libre pour conduire le courant électrique. Cela fait d\'un cristal de silicium un isolant plutôt qu\'un conducteur.

Les métaux ont tendance à être de bons conducteurs d\'électricité car ils ont généralement des \"électrons libres\" qui peuvent se déplacer facilement entre les atomes, et l\'électricité implique le flux d\'électrons. Alors que les cristaux de silicium semblent métalliques, ils ne sont pas, en fait, des métaux. Tous les électrons externes d\'un cristal de silicium sont impliqués dans des liaisons covalentes parfaites, ils ne peuvent donc pas se déplacer. Un cristal de silicium pur est presque un isolant - très peu d\'électricité le traversera.

Mais vous pouvez changer tout cela grâce à un processus appelé dopage.