semi-conducteur. n.m., élément ou composé dont la conductivité électrique, croissante avec la température, est intermédiaire entre celle des isolants et celle des métaux. Les éléments possédant ces propriétés appartiennent à la quatrième colonne du tableau de Mendeleïev ; ce sont essentiellement le silicium et le germanium. Les composés semiconducteurs sont en général formés de l'union d'un élément de la troisième colonne (gallium, indium) à un élément de la cinquième colonne (arsenic, phosphore). Structure électronique des semi-conducteurs. Dans un cristal, les électrons apportés par chaque atome se mélangent partiellement aux électrons des atomes voisins. Il en résulte que les niveaux d'énergie auxquels ils peuvent accéder sont non plus les niveaux individuels de chaque atome, mais des niveaux collectifs, regroupés en « bandes d'énergie ». Ce terme signifie que, dans l'échelle croissante des énergies, il existe des « bandes » d'énergie accessibles aux électrons, séparées par des « bandes interdites ». Obéissant au principe de Pauli, les électrons se répartissent sur tous les niveaux accessibles, et, à température nulle, lorsqu'il n'y a aucune énergie d'agitation thermique, seuls les niveaux de basse énergie sont occupés, à raison de deux électrons par niveau. S'il y a 2n électrons dans le cristal, les n premiers niveaux dans l'échelle des énergies sont occupés, et tous les autres niveaux, d'énergie supérieure, sont vides. Dans les semi-conducteurs intrinsèques, comme le silicium ou le germanium purs, ce dernier niveau occupé correspond exactement avec le haut d'une bande d'énergie permise, appelée bande de valence. Le niveau accessible immédiatement au-dessus est séparé de ce dernier par une bande interdite, couramment désignée par le terme anglo-saxon gap, dont la largeur en énergie est, pour le silicium, de 1,1 eV. Ce niveau est situé au bas d'une nouvelle bande permise, la bande de conduction, laquelle, à température nulle, est vide. La conduction électrique. Un conducteur est un corps dans lequel les électrons et, d'une façon générale, les porteurs de charge peuvent se mouvoir, ce qui n'est pas le cas du semi-conducteur précédemment décrit : en effet, les états de la bande de valence sont des états liés et les électrons qui les occupent ne peuvent se déplacer. Pour qu'une conduction électrique soit possible, il faut que des électrons occupent des états de la bande de conduction. Cela ne se produit que si la température est assez élevée pour communiquer aux électrons l'énergie nécessaire pour franchir la bande interdite. Plus la température est élevée, plus il y a d'électrons dans la bande de conduction, plus la conductivité est élevée. Des mécanismes autres que la chaleur sont susceptibles d'aboutir au même résultat de peuplement de la bande de conduction, par exemple la lumière, responsable de la photoconduction mise à profit dans certaines cellules photoélectriques. La conduction extrinsèque. Dans un cristal de silicium pur, chaque atome, qui dispose de quatre électrons externes, est relié à quatre voisins par des liaisons covalentes contenant deux électrons (un venant de chaque atome). Si on remplace un atome de silicium par un atome de phosphore, qui a cinq électrons externes, il restera, une fois les quatre liaisons assurées, un électron supplémentaire. On constate que le niveau d'énergie de cet électron supplémentaire se situe à l'intérieur de la bande interdite, très près du bas de la bande de conduction. Cet électron pourra donc très facilement « sauter » dans la bande de conduction et donc conduire l'électricité. Il suffit d'un nombre très faible de ces atomes « dopants » (un pour un million d'atomes de silicium) pour rendre celui-ci conducteur. La conduction étant assurée par des électrons, dont la charge est négative, on dit qu'un tel semi-conducteur est de type « n ». Si le dopage est fait avec des corps à trois électrons externes comme l'indium, l'absence d'un quatrième électron se traduit par l'apparition dans la bande interdite d'un niveau d'énergie accessible, mais inoccupé, situé dans le bas de la bande interdite, tout près du haut de la bande de valence. Lorsqu'un électron de cette dernière « saute » dans un tel état, il libère une place dans la bande de valence : on dit qu'il se crée un « trou », lequel peut se déplacer d'atome en atome. Un trou correspond à un déficit d'électron, donc à une absence de charge négative, ce qui est équivalent à une charge positive. De tels semi-conducteurs seront donc dits de type « p ». L'extraordinaire développement de l'électronique depuis les années soixante est entièrement lié aux possibilités qu'offre l'association, dans un très petit volume, de semiconducteurs de types n et p formant alors des « jonctions ». Une jonction constitue une diode ; deux jonctions voisines, un transistor. Si le silicium continue à être le principal semiconducteur, certains composés comme l'arséniure de gallium (As-Ga) commencent à le supplanter dans de nombreuses applications. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats Bardeen John cadmium circuit électrique conducteur conductivité cristal - 1.GÉOLOGIE diode dopage - 2.ÉLECTRONIQUE électronique - Les différents composants - Les semi-conducteurs Esaki Leo fullerène germanium Hall (effet) indium jonction - 2.PHYSIQUE photodiode photoélectricité résistance Shockley William Bradford silicium thermistance transistor varistance Les livres transistor - semi-conducteur dopé négativement, page 5254, volume 10 transistor - semi-conducteur dopé positivement, page 5254, volume 10
