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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 |
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Cristallisation du silicium
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. |
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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 |
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La conduction dans les semi-conducteurs
Lorsque
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. |
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Semi-conducteur extrinsèque
Lors 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). |
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