Les semiconducteurs sont des matériaux présentant une conductivité électrique intermédiaire entre les métaux et les isolants.

• Les semi conducteurs 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 [modifier]

Principe de la structure en bandes [modifier]

Les propriétés des semiconducteurs proviennent de leur structure électronique.

Les états des électrons dans la matière sont quantifiés, c'est à dire que seules certaines énergies et vecteurs d'ondes leur sont accessibles. Cela s'explique en particulier par leur confinement au sein du matériau. Par ailleurs, il existe une relation entre le vecteur d'onde d'un électron et son énergie E.

Pour un électron libre, l'énergie est égale à son énergie cinétique :

En revanche, lorsque l'électron est au milieu d'un cristal, un terme d'énergie potentielle est à ajouter. Ce terme décrit l'influence du potentiel électrostatique des ions du cristal sur l'électron.

Formation de bandes interdites vue dans le diagramme énergie/vecteur d'onde pour des électrons placés dans un cristal. Lorsque le vecteur d'onde k correspond à une harmonique du vecteur fondamental du réseau cristallin k_a, il y a dédoublement des énergies accessibles ou dégénérescence. Certaines énergies deviennent alors inaccessibles aux électrons.

Cette influence demeure faible tant que le vecteur d'onde de l'électron est sans rapport avec la périodicité du cristal. Par contre, si le vecteur d'onde de l'électron (en quelque sorte son mouvement) est en phase avec le cristal, il va fortement interagir avec lui et l'énergie de l'électron va en être fortement modifiée. Mais cette modification d'énergie peut être aussi bien positive que négative selon que l'électron soit en avance ou en retard de phase sur le cristal. Pour donner une image, d'un côté, l'électron est freiné par les ions du cristal, de l'autre il est accéléré. Il y a un phénomène de dégénerescence, c'est à dire que pour un même vecteur d'onde, l'électron peut avoir des énergies différentes. La courbe parabolique correspondant à l'électron libre se retrouve donc « brisée » au niveau des valeurs de k correspondant au cristal, ce qui fait que certaines énergies deviennent inaccessibles. On appelle ces zones des bandes interdites (ou gap) car les énergies correspondantes ne peuvent être atteintes par les électrons. Pour résumer, c'est un phénomène d'interférence entre l'onde de l'électron et le champ électrique du réseau cristallin qui explique la formation des bandes interdites. Le calcul des fonctions d'onde des électrons dans le cristal est formalisé grâce aux fonctions de Bloch. Le diagramme de bandes est séparé horizontalement en différentes zones appelées zones de Brillouin, correspondant à la fréquence de périodicité du cristal. Toutes les zones sont en général représentées repliées sur la première, les vecteurs d'ondes des électrons étant définis à un vecteur du cristal près (phénomène analogue au repliement de spectre lors d'un échantillonnage).

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 par rapport à l'énergie thermique ( > 200kT), quasiment aucun électron ne peuple la bande de conduction : le matériau est isolant. À la température ambiante kT=26 meV (milliélectronvolt), cela signifie qu'avec un gap de 5 eV on a affaire à un bon isolant. Pour le silicum, le gap vaut 1.12 eV et même pour un matériau intrinsèque, la bande de conduction contient quelques électrons produits par génération thermique qui suffisent à assurer une conduction minimale (résistivité de l'ordre de 3.10⁵Ω.cm) : le matériau est dit semiconducteur.

Niveau de fermi [modifier]

Les électrons sont des fermions, des particules ne pouvant partager à plusieurs un même état, conformément au principe d'exclusion de Pauli. Il suivent donc une statistique de Fermi-Dirac et le taux d'occupation des états pour une énergie E s'écrit sous la forme :

La valeur E_f s'appelle Énergie de Fermi. C'est l'énergie maximale des états occupés par les électrons au zéro absolu. Sa valeur dépend du nombre d'électrons de valence et de la densité d'états accessibles ; elle est donc caractéristique du matériau. Dans les semi-conducteurs, le niveau correspondant à cette énergie (le niveau de Fermi) se trouve dans le gap. Cela a pour conséquence qu'à 0 K, la bande de valence est pleine tandis que la bande de conduction est vide. Lorsque la température augmente, certains électrons sont capables de dépasser le niveau de Fermi et donc d'atteindre la bande de conduction.

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 électrons et les trous sont désignés sous le nom de porteurs de charge.

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. Ce mouvement de conduction résulte de la superposition de deux champs électriques : le champ électrique appliqué par l'extérieur 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 dérivée seconde du profil d'énergie de la bande (approximation parabolique).

Du fait du caractère exponentiel de la distribution de Fermi-Dirac, 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.

Dopage et semiconduction intrinsèque [modifier]

La formation des bandes interdites étant due à la régularité de la structure cristalline, toute perturbation de celle-ci, qu'elle soit causée par un défaut dans la structure du cristal ou par une impureté chimique tend à rendre « perméable » le gap en y créant des états accessibles. Cette propriété est couramment utilisée pour contrôler les propriétés des matériaux semiconducteurs en y implantant des atomes bien choisis appelés dopants (Voir aussi l'article détaillé Dopage (semi-conducteur)).

Semiconduction intrinsèque [modifier]

Un semiconducteur est dit intrinsèque lorqu'il est pur. Il n'a pas été dopé et son comportement électrique ne dépend que de la structure électronique du matériau.

Les porteurs sont tous créés par génération thermique, c'est à dire en excitant des électrons dans la bande de conduction grâce à une hausse de la température. En conséquence, un nombre égal d'électrons et de trous est créé. Le niveau de Fermi se situe au mileu du gap. À l'équilibre et au zéro absolu, la bande de valence est occupée complètement par les électrons (pas de trous) tandis que la bande de conduction est vide.

Ces semiconducteurs ne conduisent pas, ou très peu, le courant, excepté si on les porte à haute température.

Dopage de type N [modifier]

Les semi-conducteurs de type N sont appelés semiconducteurs extrinsèques. Le but d'un dopage 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 électrons de valence, comme ceux du groupe V (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 [modifier]

Les semiconducteurs de type P sont également des semiconducteurs extrinsèques. Le but d'un dopage 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. Quand 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 sont appelés accepteurs.

Jonction P-N [modifier]

Une jonction P-N est créée en juxtaposant un semiconducteur dopé N avec un semiconducteur dopé P. Si l'on applique une tension positive du côté de la région P, les porteurs majoritaires positifs (les trous) sont repoussés vers la jonction. Dans le même temps, les porteurs majoritaires négatifs du côté N (les électrons) sont attirés vers la jonction. Arrivés à la jonction, soit les porteurs se recombinent (un électron tombe dans un trou) en émettant un photon éventuellement visible (LED), soit ces porteurs continuent leur course au travers de l'autre semiconducteur jusqu'à atteindre l'électrode opposée : le courant circule, son intensité varie en exponentielle de la tension. 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. Ce comportement asymétrique est utilisé notamment pour redresser le courant alternatif.

La jonction P-N est à la base du composant électronique nommé diode, qui ne permet le passage du courant électrique que dans un seul sens. De manière similaire, une troisième région peut être dopée pour former des doubles jonctions N-P-N ou P-N-P qui forment les transistors bipolaires. Dans ce cas là, les deux semiconducteurs de même type sont appelés l' émetteur et le collecteur. Le semiconducteur situé entre l'émetteur et le collecteur est appelé la base, et a une épaisseur de l'ordre du micromètre. Lorsqu'on polarise la jonction émetteur-base en direct, celle-ci est passante alors que la jonction base-collecteur est bloquée. Cependant la base est assez fine pour permettre aux nombreux porteurs majoritaires injectés depuis l'émetteur (fortement dopé) de la traverser avant d'avoir le temps de se recombiner. Il se retrouvent ainsi dans le collecteur, produisant un courant contrôlé par la tension de base.