LES SEMI-CONDUCTEURS

 

La conduction électrique des corps purs peut se représenter à l'aide des bandes d'énergie

Pour qu'un corps puisse conduire l'électricité, il est nécessaire que des électrons passe de la bande de valence à la bande de conduction. La bande de valence contient tous les électrons du corps pur elle est pleine, la bande de conduction est vide , les deux bandes sont séparées par une bande interdite. Pour que des électrons puissent passer de de la bande de valence à la bande de conduction,  il est nécessaire de leur fournir de l'énergie. Les métaux constituent cependant une exception, la bande de valence chevauche la bande de conduction.
L'énergie apportée à des électrons pour les faire passer dans la bande de conduction peut être thermique, photonique ou électrique.

Dans les isolants la bande interdite qui sépare les deux bandes est importante de l'ordre de 6eV (électron volt, 1,6 10-19Joule)
Les chimistes estiment que le terme semi-conducteur doit être réservé à un matériau, on devrait employer le terme d'alcaloïde pour les éléments purs.
Pour ces Alcaloïdes que nous appellerons malgré tout semi-conducteurs: Bore, Silicium, Germanium, Arsenic, Antimoine, Tellure, Polonium, la bande interdite est beaucoup plus étroite que pour les isolants 1,12 eV pour le silicium, 0,66 eV pour le germanium.

Intéressons nous aux molécules qui sont des associations d'atomes. Un corps dont la couche de valence est pleine ou qui comporte 8 électrons est stable

Les gaz rares: Néon, Argon, Krypton , Xénon ... possèdent une couche de valence munie de 8 électrons il sont stables et isolants. Pour les rendre conducteur il faut leur fournir beaucoup d'énergie et lorsqu'ils reviennent à l'état initial ils restituent cette énergie sous la forme de photons tels les flashes pour la photographie.

Les liaisons ioniques . Prenons comme exemple l'association d'un atome d'oxygène de valence 6 à deux atomes d'hydrogène de valence 1 . L'oxygène se retrouve avec 8 électrons sur sa couche périphérique. Si nous soumettons ces molécules d'eau à un champ électrique suffisamment important, nous allons faire l'électrolyse de l'eau , nous allons casser des molécules mais l'oxygène va avoir tendance à conserver les électrons de l'hydrogène. L'atome d'oxygène, ionisé négativement va migrer vers l'anode et l'hydrogène ionisé positivement va à la cathode d'où le nom de liaison ionique.

Les liaisons covalentes. Elles unissent les atomes qui comportent 4 électrons sur leur couche périphérique . L'atome concerné comme le carbone, le silicium, le germanium va s'associer avec 4 atomes voisins chacun se retrouvant avec 8 atomes sur la couche périphérique. Toutes les liaisons étant de même valeur pour chacun des atomes , cette structure en l'absence d'impureté sera très stable surtout dans le cas d'un monocristal. Le monocristal de carbone c'est le diamant, corps particulièrement stable et parfaitement isolant.

Les liaisons métalliques. Les métaux sont des cas particuliers, ils possèdent sur leur couche périphérique
1 électron : Cuivre, Argent, Or, Platine.
Ou 2 électrons:  Nickel, Mercure, Zinc ..

Ces atomes lorsqu'ils perdent leur (ou leurs) électron (s) de valence,  se retrouvent avec une couche extérieure pleine. Pour s'associer, les atomes vont former avec leurs électrons de valence un nuage électronique qui va constituer le ciment de la matière. Ces électrons libres dés qu'ils sont soumis à un champ électrique se déplacent, le corps est conducteur de l'électricité.

Le dopage des semi-conducteurs

Les semi-conducteurs à l'état pur et température normale sont des isolants parfaits. Ils sont dits intrinsèques. Du fait de la faible épaisseur de la bande interdite (gap) , un apport d'énergie accidentel ou volontaire peut les rendre conducteur. Un apport accidentel d'énergie dans un composant électronique est souvent thermique. Cette sensibilité à la chaleur peut limiter l'emploi des semi-conducteurs particulièrement le germanium dont le gap n'est que de 0,66 eV , le silicium avec son gap de 1,12 eV sera moins sensible.
Afin de réaliser des composants électroniques, diodes, transistors on va introduire des "impuretés" de diamètre atomique voisin du semi-conducteur mais de valence 3 ou 5 . Lorsqu'on introduit un corps comme l'arsenic de valence 5 dans du silicium, un électron sera en surnombre donc peu lié avec la matière. Ces électrons permettrons au silicium  de conduire par déplacement de ces électrons. On dit que le silicium est dopé N. Si les atomes introduits ont une valence 3 il va y avoir des absences d'électron on appellera cela des trous ou accepteurs d'électron . Il est à noter que lorsqu'un trou accepte un électron, cet électron manque ailleurs un trou se crée ailleurs, c'est la conduction par trou qui se fait dans le sens inverse du déplacement des électrons.

La jonction PN

Si nous accolons deux morceaux de silicium, l'un dopé N l'autre P, nous réalisons une jonction PN.

La surface du silicium P en regard du N va attirer des électrons du silicium N . Une zone de faible épaisseur va voir ses trous comblés par des électrons , c'est la zone de recombinaison . Cependant, le silicium P aussi bien que le N était électriquement neutre, mais du fait de cette migration Le silicium P se charge négativement et le N positivement. Un champ électrique va s'opposer à la migration des charges un équilibre va être atteint.
Si nous appliquons une tension électrique à cette jonction, si cette tension renforce  la migration naturelle électron du N vers le P
(pole + sur P, pole - sur N) il suffira de vaincre le champ qui s'est créé pour que la migration reprenne . Si au contraire la tension renforce le champ qui s'oppose à la migration (pole + sur N, pole - sur P) la jonction est bloquée, le courant ne passe pas

 
Numéro de la Fiche 61
Dernière mise à jour 25-11-2013