Les semi-conducteurs

 

Les semi-conducteurs sont des corps dont la résistivité est intermédiaire entre celle des conducteurs et celle des isolants. Parmi les corps simples utilisés en électronique, le germanium et le silicium sont des semi-conducteurs (colonne IVb de la classification périodique des éléments de Mendeleiev). Leur résistivité est plusieurs centaines de milliers de fois plus grande que le cuivre. Le silicium est le corps le plus abondant dans la nature puisqu'il est à la base de la plupart des roches. Sa température de fusion est de l'ordre de 2000 °C. L'arséniure de gallium, alliage d'arsenic (5 électrons sur la couche externe) et de gallium (3 électrons), se comporte comme un corps qui aurait 4 électrons sur sa couche externe, comme le germanium ou le silicium. Il est principalement utilisé en très hautes fréquences

Cristallisation du silicium

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 Un atome de silicium possède 4 électrons sur sa couche externe  Deux atomes voisins peuvent mettre en commun chacun un électron et deviennent liés par une liaison covalente Chaque atome peut se lier à 4 atomes voisins et former un tétraèdre

Chaque atome de silicium peut être considéré comme au centre d'un tétraèdre, chacun des atomes auquel il est lié se trouvant sur un des quatre sommets du tétraèdre.
Les liaisons covalentes sont très solides et permettent la formation d'un cristal parfait.
Tous les électrons étant utilisés dans les liaisons, aucun n'est disponible pour permettre le passage d'un courant électrique, du moins aux températures très basses ; le cristal présente une résistivité assez élevée.

La conduction dans les semi-conducteurs

SEMICONLorsque la température s'élève, sous l'effet de l'agitation thermique, des électrons réussissent à s'échapper et participent à la conduction. Ce sont les électrons situés sur la couche la plus éloignée du noyau qui s'impliquent dans les liaisons covalentes. Dans le cristal, ces électrons se situent sur des niveaux d'énergie appelée bande de valence. Les électrons qui peuvent participer à la conduction possèdent des niveaux d'energie appartenant à la bande de conduction. Entre la bande de valence et la bande de conduction peut se situer une bande interdite. Pour franchir cette bande interdite l'électron doit acquérir de l'énergie (thermique, photon...). Pour les isolants la bande interdite est quasi infranchissable, pour les conducteurs elle est inexistante. Les semi-conducteurs ont une bande interdite assez étroite.
L'atome qui a perdu un électron devient un ion positif et le trou ainsi formé peut participer à la formation d'un courant électrique en se déplaçant. Dans un cristal pur, à température ordinaire, les électrons libres sont malgré tout extrêmement rares - de l'ordre de 3 pour 1013 atomes (10 puissance 13). Si l'électron libre est capté par un atome, il y a recombinaison. Pour une température donnée ionisation et recombinaison s'équilibrent ; la résistivité diminue quand la température augmente.
Un semi-conducteur dont la conductivité ne doit rien à des impuretés est dit intrinsèque.


Semi-conducteur extrinsèque

SEMICONLors de la formation du crital de silicium il suffit d'introduire une infime quantité d'impuretés sous la forme d'atomes d'aluminium (possèdant seulement 3 électrons sur leur couche externe) pour que le nombre de trous dans le cristal augmente considérablement. Le cristal est dit dopé et comme les porteurs de charges majoritaires sont des trous, positifs, le cristal est dit dopé P. Les électrons libres qui correspondent à la conductivité intrinsèque sont appelés porteurs minoritaires.
Si un électron est arraché d'un atome voisin et vient combler le trou, tout se passe comme si c'était le trou qui s'était déplacé.
On peut également doper le cristal avec des impuretés pentavalentes (atomes possédant 5 électrons sur leur couche externe), comme l'arsenic ou l'antimoine. On se retrouve alors avec un électron supplémentaire, donc libre. Les porteurs de charges majoritaires sont alors de polarité négative, le cristal est dit dopé N. Les porteurs de charge minoritaires sont dans ce cas les trous (positifs) de la conductivité intrinsèque.
Un atome pentavalent comme l'arsenic possède 5 électrons sur sa couche externe. En tant qu'impureté dans un cristal de silicium (tétravalent) il fournit un électron au cristal. Il est dit atome donneur.
Si l'impureté est un atome trivalent (3 électrons sur sa couche externe, comme le bore ou l'indium) il est dit atome accepteur car il va capter un électron et générer un trou.
Les porteurs majoritaires sont beaucoup plus nombreux que les porteurs minoritaires (106 à1012 fois plus nombreux).