L'électronique

Les semi-conducteurs
Auteurs : Equipe La main à la pâte(plus d'infos)
Résumé :
Ce document est tiré de l'ouvrage "Le Trésor, dictionnaire des sciences, Flammarion 1997
Publication : 1 Avril 1998

Les électrons circulent presque librement dans les corps dits conducteurs comme les métaux, tandis que leur propagation est empêchée par les isolants comme les céramiques ou les verres : sans être des électriciens, nous en avons tous fait un jour l'expérience parfois douloureuse. À mi-chemin entre les conducteurs et les isolants se trouvent des matériaux, tels le germanium et le silicium, aux propriétés très particulières : ce sont des "semi-conducteurs". Avec eux, les choses se corsent. Voyons comment ils se comportent, d'abord en utilisant une métaphore urbaine.

Les embarras de la circulation

Dans un semi-conducteur, tout se passe comme si les électrons étaient pris dans des embouteillages monstrueux. Parfois, certains arrivent à se faufiler sous l'effet d'un champ électrique E, la force électrique agissant sur eux étant proportionnelle à l'opposé du champ électrique (car ils sont chargés négativement). On dit alors que ces semi-conducteurs sont de type N, pour négatif. D'autres fois, les électrons sont totalement bloqués et n'aspirent qu'à se garer dès qu'une place de parking libre se présente à proximité, ce qui libère la place occupée antérieurement et provoque un déplacement en chaîne des électrons vers les places de parking libres, donnant ainsi limpression que ce sont les places de parking qui se meuvent en sens inverse du mouvement naturel des électrons. Les semi-conducteurs qui se comportent ainsi sont dits de type P, comme positif, car ce sont des places de parking à électrons qui bougent, autrement dit, des absences d'électrons, c'est-à-dire des absences de charges négatives, ce qui équivaut à des charges positives, qui avancent dans le sens opposé du mouvement naturel des électrons.

Comme les places de parking sont en nombre limité, la mise bout à bout d'un semi-conducteur N et d'un semi-conducteur P fabrique un sens unique de circulation des électrons. En effet, si le champ électrique va de P vers N, les places de parking de P, chargées positivement, vont à la rencontre des électrons de N, chargés négativement, qui trouvent alors à se garer sans difficulté, et la circulation peut continuer (figure 1). En revanche, dans le cas où le champ électrique va de N vers P, les électrons ne peuvent sarracher à leur place de parking et la circulation se bloque

 

Figure 1

L'explication physique de la semi-conductivité

L'énergie des électrons attachés aux atomes est quantifiée, c'est-à-dire quelle ne peut prendre qu'un certain nombre de valeurs particulières, de sorte que le spectre en énergie des électrons ressemble à une "échelle" dont les barreaux (les niveaux d'énergie autorisés) seraient disposés de façon irrégulière. Lorsqu'on met ensemble un très grand nombre d'atomes identiques (dont les électrons ont donc au départ le même spectre en énergie) pour constituer un solide cristallin, chaque niveau d'énergie du spectre initial se sépare en un si grand nombre de niveaux d'énergie, extrêmement resserrés, que l'on peut en général assimiler ce nouveau spectre à une bande continue. Tout se passe comme si chacun des barreaux de l'échelle correspondant au spectre de l'atome isolé s'était divisé en un très grand nombre de barreaux très proches les uns des autres. Les niveaux d'énergie accessibles aux électrons acquièrent de ce fait une structure en forme de bandes d'énergie permises, séparées les unes des autres par des bandes d'énergie dites interdites (figure 2).

 

Figure 2.

 

Dans un atome isolé (grande distance entre atomes), le spectre en énergie des électrons est constitué de niveaux très fins. Au fur et à mesure que l'on rapproche les atomes les uns des autres, les interactions entre niveaux démultiplient chacun des niveaux du spectre initial en un grand nombre de niveaux très proches les uns des autres, formant un spectre dit "de bandes".

Les électrons ne se répartissent pas n'importe comment à l'intérieur de ces bandes. Compte tenu du principe d'exclusion de Pauli (deux électrons ayant exactement les mêmes propriétés physiques ne peuvent occuper le même niveau d'énergie), ils remplissent les différents niveaux autorisés par ordre croissant d'énergie, en commençant par l'état de plus basse énergie, c'est-à-dire l'état fondamental. Lénergie du niveau le plus élevé atteint est appelée énergie de Fermi. La bande totalement remplie la plus élevée en énergie porte le nom de bande de valence. La bande autorisée située juste au-dessus d'elle s'appelle la bande de conduction. Elle est séparée de la bande de valence par une bande interdite.
Cette structure en bandes fournit une explication simple de la conduction électrique dans les solides cristallins en général, et des propriétés des semi-conducteurs en particulier. Les électrons situés dans la bande de valence ou dans les bandes inférieures ne peuvent pas absorber une petite quantité dénergie : les états énergétiques qu'ils atteindraient alors seraient ou bien occupés ou bien situés dans une bande interdite. Ne pouvant être mis en mouvement par un apport d'énergie, ils ne participent pas au transport du courant électrique : ils sont bloqués dans les embouteillages. En fait, seuls les électrons situés dans la bande de conduction ont une liberté de mouvement (d'où le nom donné à cette bande).
Un solide à bande de conduction non vide est donc un conducteur. A l'inverse, un solide à bande de conduction vide est un isolant.
Toutefois, un matériau parfaitement isolant doit remplir une condition supplémentaire : la largeur de la dernière bande interdite, celle située entre la bande de valence et la bande de conduction, doit être suffisamment grande. En effet, le matériau, ayant une certaine température, est le lieu d'une certaine agitation thermique, de sorte que des électrons de la bande de valence, profitant de l'énergie associée à cette agitation thermique, peuvent "sauter" dans la bande de conduction, pour peu que la largeur de la bande interdite soit faible. Lorsque cette dernière condition est remplie, on n'a plus affaire à un véritable isolant mais à un semi-conducteur.
Lorsqu'un électron de valence saute dans la bande de conduction, il laisse une place vacante (une place de parking libre), qui joue le rôle d'un potentiel attractif pour les électrons environnants. Cette lacune se comporte comme une particule fictive, appelé trou, de charge positive, opposée à celle de l'électron ; elle contribue, tout comme ce dernier, au passage du courant électrique.
On comprend pourquoi la conductivité des semi-conducteurs augmente avec la température, contrairement à ce qui se passe pour un métal. Toute augmentation de la température conduisant à un accroissement de l'énergie d'agitation dans le cristal, elle équivaut à un allongement de la "perche" dont l'électron dispose pour franchir la bande interdite, de sorte que d'avantage de paires électrons-trous se forment. Un moyen efficace d'augmenter la conductivité à température ambiante consiste à injecter des impuretés dans le cristal, sous forme d'atomes étrangers. On dit alors que le semi-conducteur est dopé. Les impuretés peuvent être de deux types. Ou bien, en s'insérant dans le cristal, elles libèrent chacune un électron de conduction supplémentaire dans le système : on obtient alors un semi-conducteur de type N évoqué plus haut ; ou bien les impuretés attirent chacune à elle un électron du cristal et, de ce fait, peuvent être considérées comme des donneurs de trous : on obtient alors un semi-conducteur de type P.
Comme on l'a dit plus haut, une jonction N-P ne laisse passer le courant électrique que dans un sens. L'agencement judicieux de tels sens uniques règle à loisir la circulation des électrons, ce qui permet de fabriquer des composants électroniques (voir TRANSISTOR) puis, en les mettant bout à bout, des circuits qui sont à la source de toute l'électronique moderne et, par delà, de tout le traitement du signal et de toute l'informatique. Au commencement de tout cela était donc le sens interdit !

Les semi-conducteurs ont des propriétés optiques intéressantes. Lorsque des photons, c'est-à-dire des grains de lumière, viennent frapper un semi-conducteur, l'énergie qu'ils apportent peut provoquer le passage d'électrons de la bande de valence à la bande de conduction, donc augmenter la conductivité du matériau. Ce phénomène, la photoconductivité, est mis à profit dans certaines cellules photoélectriques pour mesurer les flux lumineux. Si des photons viennent frapper, non pas un semi-conducteur seul mais une jonction N-P, ils engendrent un courant électrique. Ce phénomène, appelé effet photovoltaïque, est à luvre dans les piles solaires.

"Le Trésor, dictionnaire des sciences © Flammarion 1997. Ce texte ne peut être ni reproduit, ni vendu sans lautorisation de léditeur."