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SEMI-CONDUCTEURS

Propriétés physiques

Conductivité électrique

Les propriétés électriques des solides sont bien comprises grâce à la propriété fondamentale suivante : les électrons d'une bande d'énergie pleine ne peuvent pas être animés d'un déplacement collectif, donc ne peuvent pas engendrer un courant électrique. Cette propriété est une conséquence directe de la mécanique quantique et du principe de Pauli. Une comparaison simple permet de comprendre l'origine de cette propriété. Considérons un garage à voitures : les places de parking sont quantifiées, et l'on ne peut mettre plus d'une voiture par place (principe de Pauli). Lorsque toutes les places sont occupées, l'ensemble est figé, et les voitures ne peuvent pas se déplacer. S'il n'y a que quelques voitures, elles se déplacent facilement ; s'il y a quelques places vides (trous), on peut également faire bouger l'ensemble ; il est plus simple dans ce cas de décrire la situation en considérant le déplacement du trou. Dans les solides, les trous correspondent à l'absence d'un électron de valence, donc à une charge positive locale. Les cristaux covalents et ioniques purs sont donc isolants à basse température ; en revanche, les semi-conducteurs dopés ou chauffés et les métaux sont conducteurs de l'électricité. Dans les semi-conducteurs, le courant électrique correspond à un écoulement des électrons négatifs de la bande de conduction ou des trous positifs de la bande de valence. Ce courant est mesuré par le débit de particules multiplié par leur charge électrique. Le débit par unité de surface d'un flux de particules est simplement donné par la densité n de ces particules multipliée par leur vitesse d'écoulement v, la densité de courant électrique étant alors donnée par la formule suivante :

où e est la valeur absolue de la charge électronique (e = 1,6 × 10—19 C), où vn et vp sont, respectivement, les vitesses d'écoulement des électrons et des trous. Les vitesses vn et vp sont communiquées par l'application d'un champ électrique E. Tant que ce champ électrique est faible, le solide suit la loi d'Ohm, c'est-à-dire que le courant est proportionnel au champ E :
la constante σ étant la conductivité électrique. Le seul paramètre dépendant du champ électrique est la vitesse des porteurs, et l'on peut écrire :
μn et μp étant les mobilités des électrons et des trous. La conductivité d'un matériau est alors donnée par la formule :

Mobilité - crédits : Encyclopædia Universalis France

Mobilité

Encyclopædia Universalis France

Pour chaque type de porteurs, la conductivité est essentiellement le produit de deux paramètres : la concentration et la mobilité. La variation de la conductivité avec la température et le dopage en impuretés est régie par ces deux paramètres. Soit un semi-conducteur de type n dopé avec une concentration ND = 1014 cm—3 en donneurs. À basse température, n est pratiquement nul ; en chauffant, les donneurs s'ionisent, et l'on tend vers n = ND. Cette concentration reste constante tant que la concentration intrinsèque ni reste petite devant ND ; à plus haute température, n varie comme ni. La concentration n peut donc varier d'un facteur compris entre 1014 et 1016. On peut faire le même raisonnement pour la concentration en trous dans un semi-conducteur de type p. La mobilité, elle, varie également avec la température, mais dans des proportions beaucoup plus faibles, comme le montre le tableau 1.

Propriétés optiques, photoconductivité, lumière de recombinaison

Seuil d'absorption - crédits : Encyclopædia Universalis France

Seuil d'absorption

Encyclopædia Universalis France

La mécanique quantique nous apprend qu'un photon de fréquence ϕ est absorbé par la matière si un électron peut faire un saut en énergie ΔE tel que ΔE = hϕ, où h est la constante de Planck. L'existence d'une bande d'énergie interdite de largeur EG entraîne l'existence d'un seuil d'absorption ϕ[...]

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Écrit par

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

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Classification

Pour citer cet article

Julien BOK. SEMI-CONDUCTEURS [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Germanium : liaisons de valence - crédits : Encyclopædia Universalis France

Germanium : liaisons de valence

Encyclopædia Universalis France

Formation de bandes d'énergie - crédits : Encyclopædia Universalis France

Formation de bandes d'énergie

Encyclopædia Universalis France

Mobilité - crédits : Encyclopædia Universalis France

Mobilité

Encyclopædia Universalis France

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Autres références

  • DÉTECTEURS DE PARTICULES

    • Écrit par Pierre BAREYRE, Jean-Pierre BATON, Georges CHARPAK, Monique NEVEU, Bernard PIRE
    • 10 978 mots
    • 12 médias
    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.

  • AIGRAIN PIERRE (1924-2002)

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 872 mots

    Le physicien Pierre Aigrain, pionnier de l'étude des semi-conducteurs, membre de l'Académie des sciences à partir de 1988 et secrétaire d'État auprès du Premier ministre chargé de la recherche, est né le 28 septembre 1924 à Poitiers et mort le 30 octobre 2002 à Garches (Hauts-de-Seine). Il intègre...

  • ALFEROV ZHORES I. (1930-2019)

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 505 mots

    Physicien russe, Zhores I. Alferov (ou Jaurès Alferov) partage le prix Nobel de physique en 2000 pour moitié avec Herbert Kroemer pour leurs contributions fondamentales à la technologie de l'information et de la communication, et en particulier l'invention des semi-conducteurs à hétérostructure....

  • BRATTAIN WALTER HOUSER (1902-1987)

    • Écrit par Bernard PIRE
    • 416 mots

    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...

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Voir aussi

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