SEMI-CONDUCTEURS

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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 (principe d'exclusion de Pauli). Selon le nombre d'électrons de chaque atome, les différentes bandes se remplissent donc à partir du bas. Une couche électronique pleine de l'atome donne naissance à une bande pleine, alors que les couches non saturées forment des bandes partiellement remplies. Dans les cristaux ioniques et covalents, les liaisons entre atomes sont assurées respectivement par échange et par mise en commun d'électrons de valence : tous ces électrons participent aux liaisons chimiques ; il n'y a pas d'électrons libres et, donc, pas de conduction électrique. La bande correspondante, dite bande de valence, sera pleine et la bande immédiatement supérieure, dite de conduction, sera vide. Dans les mé [...]

Formation de bandes d'énergie

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Formation de bandes d'énergie par interaction de niveaux atomiques 

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  • : professeur émérite à l'École supérieure de physique et de chimie industrielles

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Pour citer l’article

Julien BOK, « SEMI-CONDUCTEURS », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 24 mars 2020. URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/semiconducteurs/