SEMI-CONDUCTEURS

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Les semi-conducteurs 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 semi-conducteurs.

Les semi-conducteurs 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 semi-conducteurs. Un semi-conducteur 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 semi-conducteurs typiques, à température ambiante, de 10—3 à 109 Ω.cm.

Les principaux semi-conducteurs 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'indium, ainsi que les composés ternaires et quaternaires.

L'importance des semi-conducteurs est due à la découverte de l'effet transistor dans ces corps, qui a révolutionné l'industrie des composants électroniques, et à leurs propriétés optiques permettant de fabriquer des émetteurs de lumière et des lasers. Les principales qualités de ces composants sont leur fiabilité (leur durée de vie est pratiquement infinie) et leur faible consommation, qui permettent l'intégration de nombreux composants dans de petits volumes. La technologie des semi-conducteurs permet aussi une fabrication très reproductible et en très grande série (cf. microélectronique). Les semi-conducteurs les plus utilisés dans l'industrie sont le silicium, pour les composants électroniques, et l'arséniure de gallium, pour les composants optiques.

Structure électronique des cristaux parfaits et des semi-conducteurs

Cristaux parfaits

La description actuelle de la structure de la matière repose sur l'hypothèse atomique [cf. atome]. Dans un cristal, les noyaux atomiques sont disposés aux nœuds d'un réseau géométrique régulier ; c'est le même motif élémentaire qui est répété de façon périodique dans l'espace (un peu à la manière d'un papier peint mural). Cela est bien vérifié expérimentalement par diffraction des rayons X ; la distance entre noyaux est typiquement de l'ordre de 0,1 nm. La cohésion de cet édifice est assurée par l'ensemble des électrons participant à des liaisons chimiques. Dans l'atome isolé, ceux-ci se répartissent en niveaux d'énergie discrets ; dans le cristal, à cause de l'interaction entre atomes, ces niveaux s'élargissent en bandes d'énergie permises séparées par des bandes interdites (fig. 1). La répartition des électrons entre ces différents niveaux permis est régie par la mécanique statistique et dépend donc de la température. À basse température, les niveaux occupés sont les plus bas en énergie. Mais les électrons obéissent à la statistique de Fermi-Dirac, c'est-à-dire qu'un état quantique donné ne peut être occupé que par un seul électron (pr [...]

Formation de bandes d'énergie

Dessin : Formation de bandes d'énergie

Formation de bandes d'énergie par interaction de niveaux atomiques 

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  • : ancien directeur du laboratoire de physique de l'École normale supérieure

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Pour citer l’article

Julien BOK, « SEMI-CONDUCTEURS », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 30 novembre 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/semiconducteurs/