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SEMICONDUCTEURS

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Transistors

Les semiconducteurs ont acquis une importance considérable dans notre société. Ils sont à la base de tous les composants électroniques et optoélectroniques qui entrent dans les dispositifs informatiques, de télécommunications, de télévision, dans l'automobile et les appareils électroménagers, etc. On dit d'ailleurs que nous sommes à l'âge du silicium, le plus utilisé des semiconducteurs.

Les semiconducteurs sont des corps solides dont la conductivité électrique se situe entre celle des métaux et celle des isolants. La conductivité électrique des solides est une propriété qui est due à la présence d'électrons libres de se déplacer dans le milieu et de générer ainsi un courant électrique. Le courant électrique est un simple écoulement de ce fluide d'électrons libres. L'étude des corps purs et bien cristallisés montre que les cristaux se séparent en deux grandes familles au voisinage du zéro absolu (— 273 0C) : les métaux conducteurs de l'électricité, qui contiennent un grand nombre d'électrons libres, et les isolants, où tous les électrons participent à des liaisons chimiques et sont donc fortement liés. Certains isolants deviennent conducteurs à plus haute température, en particulier s'ils contiennent des impuretés, des défauts cristallins ou des défauts de stœchiométrie (écart par rapport à la composition chimique nominale) ; ce sont par définition les semiconducteurs. Un semiconducteur est donc un cristal qui est isolant s'il est pur et au zéro absolu, et dont la conductivité électrique est due à l'agitation thermique, à des impuretés ou à différents types de défauts. Pour fixer les idées, les métaux ont une résistivité de l'ordre de 10—6 ohms par centimètre (Ω.cm), les isolants de 1014 à 1022 Ω.cm, les semiconducteurs typiques, à température ambiante, de 10—3 à 109 Ω.cm.

Les principaux semiconducteurs sont le germanium (Ge), le silicium (Si), le sélénium (Se), les composés binaires : arséniure de gallium (GaAs), antimoniure d'indium (InSb), phosphure de gallium (GaP) et phosphure d […]

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AIGRAIN PIERRE (1924-2002)

Écrit par :  Bernard PIRE

…  d'un certain nombre d'organismes américains et tout particulièrement de l'Office of Naval Research,* ils parviennent à former de nombreux jeunes et à jouer un rôle de premier plan dans l'étude des semi-conducteurs. Aigrain comprend le premier que les phénomènes caractéristiques de la physique des transistors sont dus à l'existence de zones de… Lire la suite
ALFEROV ZHORES I. (1930- )

Écrit par :  Bernard PIRE

…  fondamentales à la technologie de l'information et de la communication, et en particulier *l'invention des semi-conducteurs à hétérostructure. Né le 15 mars 1930 à Vitebsk en Biélorussie, Zhores I. Alferov est le fils d'un docker qui, ayant rejoint le parti bolchevique dès 1917, deviendra directeur d'usine puis de conglomérat industriel.… Lire la suite
BRATTAIN WALTER HOUSER (1902-1987)

Écrit par :  Bernard PIRE

… *Né le 10 février 1902 à Amoy (Chine), Walter Houser Brattain passa sa jeunesse dans l'État de Washington (États-Unis) et fit ses études supérieures à l'université de l'Oregon puis à celle du Minnesota, où il soutint sa thèse en 1929. Il fit ensuite toute sa carrière aux laboratoires de la compagnie Bell Telephone de Murray Hill (New Jersey),… Lire la suite
CIRCUITS INTÉGRÉS

Écrit par :  Frédéric PÉTROT, Franck WAJSBÜRT

Dans le chapitre "Définition"  : …  circuit » possède son propre substrat et l'interconnexion est réalisée à l'aide de fils externes. *À l'inverse, un circuit intégré correspond à un unique substrat (d'où le terme monolithique) de matériau semi-conducteur – la conductivité électrique d'un semi-conducteur est intermédiaire entre celles des métaux (bons conducteurs) et celle des… Lire la suite
CIRCUITS INTÉGRÉS - (repères chronologiques)

Écrit par :  Pierre MOUNIER-KUHN

… * Mise au point du transistor par trois chercheurs américains des Bell Telephone Laboratories – John Bardeen, William B. Shockley et Walter H. Brattain –, qui recevront, pour cette invention, le prix Nobel de physique en 1956. Un transistor est un cristal de semiconducteur (germanium, silicium, etc.) sur lequel sont fixés trois contacts électriques… Lire la suite
ÉLECTRICITÉ - Lois et applications

Écrit par :  Jean-Marie DONNINI, Lucien QUARANTA

Dans le chapitre "Les ordres de grandeur, les applications"  : …  a changé le paysage urbain au xxe siècle). En raison de leur conductivité, les *semi-conducteurs ont permis la réalisation de composants qui ont véritablement révolutionné l'électronique : diodes, transistors... Les techniques de miniaturisation ont permis l'élaboration de circuits intégrés (amplificateur opérationnel,… Lire la suite
ÉLECTRONIQUE INDUSTRIE

Écrit par :  Michel-Henri CARPENTIER

Dans le chapitre " Évolution des composants"  : …  intégrés contenant aujourd'hui des milliards de transistors sur le même petit composant. Le *germanium, qui avait au début permis de réaliser les premiers transistors et les premiers récepteurs radio à transistors, sera vite définitivement abandonné au profit du silicium, même si le SiGe, combinaison de silicium et de germanium, a une… Lire la suite
ÉPITAXIE

Écrit par :  Alain Gil MAZET

… *Phénomène d'orientation mutuelle de cristaux de substances différentes dû à des analogies étroites dans l'arrangement des atomes des faces communes. Les lois de l'épitaxie ont été énoncées en 1928 par L. Royer. L'épitaxie n'est possible que s'il existe une maille plane, simple ou multiple simple, quasi identique en forme et en dimensions dans les… Lire la suite
ESAKI LEO (1925- )

Écrit par :  Bernard PIRE

… *Né le 12 mars 1925 à Ōsaka (Japon), Leo Esaki fait ses études supérieures à l'université de Tōkyō mais rejoint les laboratoires industriels avant d'obtenir son doctorat en 1959. Ingénieur chez Sony, il y développe le premier système électronique quantique : en 1958, il observe, dans des jonctions p-n de germanium très dopé, la pénétration d'un… Lire la suite
EXCITON

Écrit par :  Viorel SERGIESCO

… *Quasi-particule utilisée en physique quantique pour décrire la propagation de l'énergie dans un diélectrique ou dans un semiconducteur par le mécanisme du transfert graduel (d'une molécule à la suivante). L'énergie transférée est une énergie d'excitation (« transfert d'excitation ») et les molécules restent en place, par opposition au transfert… Lire la suite
GALLIUM

Écrit par :  Georges KAYAS

… *De Gallia, France Symbole chimique : Ga Numéro atomique : 31 Masse atomique : 69,72 Point de fusion : 29,78 0C Point d'ébullition : 2 403 0C Densité (à 29,6 0C) : 5,904. Métal très facilement liquéfiable, découvert par Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (1875) par son spectre, isolé, étudié aussitôt après et… Lire la suite
GERMANIUM

Écrit par :  Universalis

… *De Germania, Allemagne Symbole chimique : Ge Numéro atomique : 32 Masse atomique : 72,59 Point de fusion : 937,4 0C Point d'ébullition : 2 830 0C Densité (à 20 0C) : 5,32. Semi-métal argenté qui a été découvert par Clemens Winkler dans l'argyrodite (Ag4GeS4, 2 Ag2S) et dont… Lire la suite
HYPERFRÉQUENCES

Écrit par :  Louis DUSSON

Dans le chapitre "Générateurs d'hyperfréquences à l'état solide"  : …  métallique est constitué d'un semiconducteur de type n- de préférence à un *semiconducteur de type p-, car la mobilité des électrons est meilleure que celle des trous. Une différence de potentiel est appliquée entre deux électrodes appelées source et drain et matérialisées par deux… Lire la suite
INFRAROUGE

Écrit par :  Pierre BARCHEWITZ, Armand HADNI, Pierre PINSON

Dans le chapitre "Détecteurs quantiques"  : …  vers 0,8 μm. L'effet photoconducteur est fondé sur la structure énergétique d'un* semi-conducteur. Un tel solide est constitué d'une bande de valence et d'une bande de conduction. Sous l'action des photons incidents, un électron situé dans la bande de valence peut passer dans la bande de conduction, et la lacune créée par la… Lire la suite
INTERMÉTALLIQUES COMPOSÉS

Écrit par :  Alain LE DOUARON

… *Lorsque deux éléments A et B sont miscibles en toutes proportions et forment une solution solide continue pour certains domaines de concentration, il peut se former des surstructures. Les composés A3B, AB, AB3 sont des exemples de ces nouvelles phases. Le nom de phases intermédiaires est plutôt réservé à celles qui possèdent… Lire la suite
KILBY JACK ST. CLAIR (1923-2005)

Écrit par :  Bernard PIRE

…  Milwaukee (Wisconsin) de 1947 à 1958, il rejoint Texas Instruments à Dallas (Texas) en 1958. C'est *pendant l'été de 1958 que Kilby conçoit et construit, à l'aide de matériels empruntés ou bricolés, le premier circuit électronique dont tous les composants sont fabriqués sur un unique échantillon semi-conducteur. Le 12 septembre, il démontre… Lire la suite
KLITZING KLAUS VON (1943- )

Écrit par :  Bernard PIRE

… *Né le 28 juin 1943 à Pozna« n (alors en Allemagne), Klaus von Klitzing rejoignit l'Allemagne de l'Ouest en 1945 lorsque la Pozanie fut restituée à la Pologne. Il fit ses études supérieures à Brunswick et à Würzburg, où, en 1972, il soutint sa thèse sur les propriétés de certains atomes en présence de forts champs magnétiques. Après un séjour à l'… Lire la suite
KROEMER HERBERT (1928- )

Écrit par :  Bernard PIRE

… alors embauché par le laboratoire central des télécommunications (FTZ) pour un soutien théorique au *petit groupe de recherche sur les semi-conducteurs. Il y élabore en 1954 ses premières propositions relatives au transistor bipolaire à hétérostructure. Cette même année, il quitte l'Europe et rejoint les laboratoires RCA (Radio Corporation of… Lire la suite
LASERS

Écrit par :  Yves LECARPENTIER, Alain ORSZAG

Dans le chapitre "Les lasers à semiconducteurs (diodes laser)"  : …  ont fonctionné dès 1962) sont, comme les autres, constitués d'un milieu amplificateur (le matériau* semiconducteur) renfermé dans une cavité résonante. Celle-ci est souvent délimitée par les faces extrêmes du milieu amplificateur, polies ou clivées pour les rendre parallèles, mais on peut aussi la délimiter par des éléments externes (miroirs,… Lire la suite
MÉMOIRES NUMÉRIQUES

Écrit par :  François PÊCHEUX

Dans le chapitre "Technologie"  : …  Parce qu'un ordinateur est avant tout un assemblage de composants électroniques, *il est logique que la technologie à semi-conducteurs soit la plus fréquemment employée pour représenter un point mémoire. Schématiquement, il existe trois types de points mémoires électriques : le point mémoire statique (static RAM, ou SRAM), le point mémoire… Lire la suite
MICROÉLECTRONIQUE

Écrit par :  Claude WEISBUCH

Dans le chapitre " Trois moteurs : le transistor, le circuit intégré et le microprocesseur"  : …  brevets décrivant correctement le fonctionnement du transistor à effet de champ dès 1923 (fig. 1a). *Cet effet « transistor », c'est-à-dire le contrôle d'un courant à travers un morceau de matériau semiconducteur par une tension appliquée sur une grille de commande, a cependant nécessité de longs travaux durant les années 1930 et 1940. Il a fallu… Lire la suite
MISE AU POINT DU TRANSISTOR

Écrit par :  Bernard PIRE

  *Le 23 décembre 1947, dans les laboratoires de la compagnie Bell Telephone, John Bardeen et Walter Brattain réussissent à faire fonctionner la première vanne électronique en utilisant trois cristaux de germanium. Ils l'appellent transfer resistor (résistance à transfert), ce qui sera abrégé en « transistor ». En… Lire la suite
NANOTECHNOLOGIES

Écrit par :  Claude WEISBUCH

Dans le chapitre "La miniaturisation du microprocesseur"  : …  de circuits électroniques comprenant des transistors, des résistances et des condensateurs. *Tous ces éléments sont fabriqués sur un support en matériau semiconducteur, la puce de silicium (ayant typiquement un centimètre de côté), et constituent un circuit « intégré ». Grâce à une miniaturisation incessante (une nouvelle génération de… Lire la suite
PARTICULES ÉLÉMENTAIRES - Détecteurs de particules

Écrit par :  Pierre BAREYRE, Jean-Pierre BATON, Georges CHARPAK, Monique NEVEU, Bernard PIRE

Dans le chapitre "Détecteurs semi-conducteurs"  : …  *Les détecteurs semi-conducteurs sont essentiellement des chambres d'ionisation solides (fig. 8), dans lesquels la perte d'énergie nécessaire pour libérer les électrons est voisine de 3 eV, contre près de 30 eV dans un gaz et 1 000 eV dans la combinaison scintillateur-photomultiplicateur. Cela leur confère leur principale propriété, qui est une… Lire la suite
PHOTOÉLECTRIQUE EFFET

Écrit par :  Pierre VERNIER

Dans le chapitre "Émetteurs photoélectriques"  : …  des électrons à des niveaux d'énergie trop bas pour qu'ils puissent sortir du solide. Dans les *semiconducteurs, l'existence d'une bande interdite permet d'exclure ce « gaspillage » de photons si l'affinité électronique est petite. Cette dernière est la différence entre l'énergie minimale que doit posséder un électron pour sortir du solide (… Lire la suite
PHOTOVOLTAÏQUE

Écrit par :  Jean-Claude MULLER

Dans le chapitre " Principe de fonctionnement"  : …  Les cellules photovoltaïques sont des composants électroniques à *semi-conducteurs qui, lorsqu'ils sont éclairés par le rayonnement solaire, développent une force électromotrice capable de débiter un courant dans un circuit extérieur. Leur fiabilité et leur faisabilité ont été largement prouvées depuis les années 1960, puisque la plupart des… Lire la suite
PREMIERS BREVETS DE CIRCUITS INTÉGRÉS

Écrit par :  Pierre MOUNIER-KUHN

  *À partir du milieu des années 1950, les semiconducteurs (diodes et transistors) sont venus progressivement remplacer les tubes électroniques. De plus faible dimension, ils sont très supérieurs en termes de rendement énergétique, de longévité, de fiabilité (problème crucial dans un ordinateur) et aussi de potentiel… Lire la suite
QUANTIQUE PHYSIQUE

Écrit par :  Claude de CALAN

Dans le chapitre "Quelques applications de la physique quantique"  : …  soit simples (silicium, germanium...), soit composés (arséniure de gallium...), sont appelés des *semi-conducteurs (cf. semiconducteurs), et sont utilisés dans tous les composants électroniques. À la jonction entre deux semi-conducteurs, une variation rapide du potentiel électrique apparaît. En juxtaposant deux jonctions, on… Lire la suite
SCHOTTKY WALTER (1886-1976)

Écrit par :  Pierre AIGRAIN

, ouvrant ainsi la voie à notre compréhension moderne des deux types de conductivité dans les *semiconducteurs. Ces matériaux vont d'ailleurs occuper son génie pendant près de cinquante ans. Il comprend l'importance des défauts ponctuels et introduit la notion de « défauts de Schottky ». Mais surtout il imagine le mécanisme de fonctionnement… Lire la suite
SÉLÉNIUM

Écrit par :  Bernard GAUDREAU

Dans le chapitre "Allotropie et propriétés physiques"  : …  Un modèle fondé sur la notion de barrière interne le présente comme un intermédiaire entre les *semiconducteurs parfaits et les semiconducteurs désordonnés. Il permet d'expliquer sa photoconductivité importante et les variations de la conductivité en fonction de la température, de la tension appliquée et de la fréquence du courant. Signalons… Lire la suite
SEMI-MÉTAUX

Écrit par :  Pierre MOYEN

… *Éléments dont la couche électronique de valence comprend quatre électrons (en principe). Ces éléments pourront soit gagner, soit perdre quatre électrons pour arriver à l'octet stable. Leurs propriétés sont donc intermédiaires entre celles des métalloïdes et celles des métaux. Chimiquement, ils seront souvent amphotères ; physiquement, leur… Lire la suite
SHOCKLEY WILLIAM BRADFORD (1910-1989)

Écrit par :  Bernard PIRE

… longtemps consultant du ministère de la Défense. Après la guerre, il dirigea le groupe d'études des *semi-conducteurs des laboratoires Bell. Avec son collaborateur George L. Pearson, il réussit en particulier à prouver l'« effet de champ », première manifestation d'une possible amplification par un semi-conducteur, puis participa par des expériences… Lire la suite
SILICIUM

Écrit par :  Jacques DUNOGUÈS, Michel POUCHARD

Dans le chapitre "Propriétés"  : …  Sn [blanc], Pb) lorsque les éléments deviennent de plus en plus lourds. Le silicium non dopé est un *semiconducteur dit intrinsèque, caractérisé par une bande d'énergie interdite d'environ 1,1 eV – soit sensiblement 100 kJ – séparant l'énergie maximale des électrons de liaison de celle, minimale, des niveaux électroniques vides de la bande de… Lire la suite
STÖRMER HORST (1949- )

Écrit par :  Bernard PIRE

… En 1998, il rejoint l'université Columbia à New York. Ses travaux expérimentaux sur la physique des *semi-conducteurs ont permis de mettre au jour les propriétés surprenantes des électrons dans des structures bi- ou unidimensionnelles. Il partage avec Daniel C. Tsui et le théoricien Robert B. Laughlin le prix Nobel de physique 1998 pour leur… Lire la suite
TÉLÉCOMMUNICATIONS - Technologies optiques

Écrit par :  Irène JOINDOT, Michel JOINDOT

Dans le chapitre " Émetteurs et récepteurs"  : …  *Les systèmes pratiques utilisent des sources à semiconducteurs émettant autour des longueurs d'onde de 0,85 μm, 1,3 μm ou 1,55 μm. Les bandes de fréquences utilisées autour de ces trois longueurs d'onde sont souvent appelées les trois fenêtres de télécommunications. La première valeur a été imposée par les matériaux semiconducteurs disponibles… Lire la suite
TÉLÉVISION - Télévision analogique terrestre

Écrit par :  Louis GOUSSOT, Stéphane LACHARNAY, Dominique NASSE

Dans le chapitre "Les analyseurs"  : …  électrique. La figure 2 montre la structure de l'analyseur utilisé en télévision, reposant sur la *photoconduction d'un semiconducteur. Pour un tube analyseur, diverses variantes existent suivant la nature du semiconducteur qui constitue la couche sensible, sulfure d'antimoine Sb2O3 (Vidicon), oxyde de plomb (PbO) ou sélénium… Lire la suite
TSUI DANIEL CHEE (1939- )

Écrit par :  Bernard PIRE

…  fraction de kelvin. La découverte a été rendue possible par l'utilisation de couches très fines de *semi-conducteurs à dopage modulé fabriquées par épitaxie par jet moléculaire ; ce procédé technologique fondé sur l'évaporation sous vide d'un matériau permet par ailleurs la production de nouveaux types de transistors à arséniure de gallium utilisés… Lire la suite

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Médias

Médias de cet article dans l'Encyclopædia Universalis :

Formation de bandes d'énergie Germanium : liaisons de valence Mobilité Seuil d'absorption Jonction n-p Transistors Transistor n-p-n Fabrication de circuits intégrés

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