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Les semi-conducteurs



Les semi-conducteurs sont des corps dont la résistivité est intermédiaire entre

celle des conducteurs et celle des isolants. Parmi les corps simples utilisés en

électronique, le germanium et le silicium sont des semi-conducteurs (colonne IVb

de la classification périodique des éléments de Mendeleiev). Leur résistivité est

plusieurs centaines de milliers de fois plus grande que le cuivre. Le silicium est le

corps le plus abondant dans la nature puisqu'il est à la base de la plupart des

roches. Sa température de fusion est de l'ordre de 2000 °C. L'arséniure de

gallium, alliage d'arsenic (5 électrons sur la couche externe) et de gallium (3

électrons), se comporte comme un corps qui aurait 4 électrons sur sa couche

externe, comme le germanium ou le silicium. Il est principalement utilisé en très

hautes fréquences.

Chaque atome de silicium peut être considéré comme au centre d'un tétraèdre,

chacun des atomes auquel il est lié se trouvant sur un des quatre sommets du

tétraèdre.

Les liaisons covalentes sont très solides et permettent la formation d'un cristal

parfait.

Tous les électrons étant utilisés dans les liaisons, aucun n'est disponible pour

permettre le passage d'un courant électrique, du moins aux températures très

basses , le cristal présente une résistivité assez élevée

La conduction dans les semi-conducteurs

Lorsque la température s'élève, sous l'effet de l'agitation thermique, des

électrons réussissent à s'échapper et participent à la conduction. Ce sont les

électrons situés sur la couche la plus éloignée du noyau qui s'impliquent dans les

liaisons covalentes. Dans le cristal, ces électrons se situent sur des niveaux

d'énergie appelée bande de valence. Les électrons qui peuvent participer à la

conduction possèdent des niveaux d'énergie appartenant à la bande de

conduction. Entre la bande de valence et la bande de conduction peut se situer

une bande interdite. Pour franchir cette bande interdite l'électron doit acquérir

de l'énergie (thermique, photon...). Pour les isolants la bande interdite est quasi

infranchissable, pour les conducteurs elle est inexistante. Les semi-conducteurs

ont une bande interdite assez étroite.

L'atome qui a perdu un électron devient un ion positif et le trou ainsi formé peut

participer à la formation d'un courant électrique en se déplaçant. Dans un cristal

pur, à température ordinaire, les électrons libres sont malgré tout extrêmement

rares - de l'ordre de 3 pour 1013 atomes (10 puissance 13). Si l'électron libre est

capté par un atome, il y a recombinaison. Pour une température donnée

ionisation et recombinaison s'équilibrent ; la résistivité diminue quand la

température augmente.

Un semi-conducteur dont la conductivité ne doit rien à des impuretés est dit

intrinsèque.

Semi-conducteur extrinsèque

Lors de la formation du cristal de silicium il suffit d'introduire une infime quantité

d'impuretés sous la forme d'atomes d'aluminium (possédant seulement 3

électrons sur leur couche externe) pour que le nombre de trous dans le cristal

augmente considérablement. Le cristal est dit dopé et comme les porteurs de

charges majoritaires sont des trous, positifs, le cristal est dit dopé P. Les électrons

libres qui correspondent à la conductivité intrinsèque sont appelés porteurs

minoritaires.

Si un électron est arraché d'un atome voisin et vient combler le trou, tout se

passe comme si c'était le trou qui s'était déplacé.

On peut également doper le cristal avec des impuretés pentavalentes (atomes

possédant 5 électrons sur leur couche externe), comme l'arsenic ou l'antimoine.

On se retrouve alors avec un électron supplémentaire, donc libre. Les porteurs de

charges majoritaires sont alors de polarité négative, le cristal est dit dopé N. Les

porteurs de charge minoritaires sont dans ce cas les trous (positifs) de la

conductivité intrinsèque.

Un atome pentavalent comme l'arsenic possède 5 électrons sur sa couche

externe. En tant qu'impureté dans un cristal de silicium (tétravalent) il fournit un

électron au cristal. Il est dit atome donneur.

Si l'impureté est un atome trivalent (3 électrons sur sa couche externe, comme le

bore ou l'indium) il est dit atome accepteur car il va capter un électron et générer

un trou.

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Les semi-conducteurs