Comprendre le Fonctionnement des Semi-Conducteurs
Les semi-conducteurs, éléments clés de la technologie moderne, représentent une classe de matériaux avec des propriétés électriques situées entre celles des conducteurs (comme le cuivre) et des isolants (comme le verre). Cette capacité unique à contrôler la conduction électrique les rend indispensables dans une multitude d’applications électroniques.
La Nature du Semi-Conducteur
Un semi-conducteur peut être inorganique, comme le silicium, ou organique. Sa conductivité varie en fonction de la structure chimique, de la température, de l’illumination et de la présence de dopants. Leur conductivité électrique est intermédiaire, avec un gap d’énergie inférieur à 4eV (environ 1eV).
Le Gap d’Énergie dans les Semi-Conducteurs
En physique de l’état solide, le gap d’énergie, ou bande interdite, est la plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états d’électrons sont interdits. Pour qu’un électron puisse passer de la bande de valence à la bande de conduction, il doit acquérir suffisamment d’énergie, par exemple via un rayonnement ionisant.
Conductivité Électrique des Semi-Conducteurs
Il existe plusieurs mécanismes par lesquels un électron dans un semi-conducteur peut être excité vers la bande de conduction :
Énergie thermique : À des températures élevées, certains électrons peuvent acquérir suffisamment d’énergie pour se déplacer vers la bande de conduction.
Rayonnement électromagnétique : L’absorption de photons peut aussi exciter les électrons.
Dopage : L’introduction d’impuretés crée des électrons ou des trous supplémentaires, contribuant à la conductivité.
Champ électrique : Un champ électrique externe peut également exciter les électrons.
La Jonction p-n et ses Applications
La jonction p-n est formée en dopant des régions d’un semi-conducteur avec des impuretés, créant ainsi des électrons (dopage n) ou des trous (dopage p). Cette jonction a la propriété unique de permettre le passage du courant dans une seule direction, fonctionnant ainsi comme une diode.
Le Transistor à Jonction Bipolaire
Le transistor à jonction bipolaire (BJT) est un dispositif à trois terminaux pouvant amplifier ou commuter des signaux électroniques. Il est composé de trois couches de matériaux semi-conducteurs : une couche n, une couche p et une autre couche n (pour un transistor NPN) ou p (pour un transistor PNP).
Matériaux pour Semi-Conducteurs
Voici une table avec 3 semi-conducteurs intrinsèques et 2 semi-conducteurs de type p et n, avec leurs propriétés clés :
Silicium (Si) : Gap 1.12eV, Mobilité des électrons 1500 cm²/Vs, Mobilité des trous 450 cm²/Vs, Conductivité thermique 150 W/mK.
Germanium (Ge) : Gap 0.67eV, etc.
Classification des Semi-Conducteurs
Les semi-conducteurs se divisent en deux types :
Semi-Conducteurs Intrinsèques : Constitués d’un seul élément et sans dopage.
Semi-Conducteurs Extrinsèques : Dopés pour changer leurs propriétés électroniques, divisés en semi-conducteurs de type p (trous comme porteurs de charge) et de type n (électrons comme porteurs de charge).
Théorie des Semi-Conducteurs
La théorie des semi-conducteurs repose sur le comportement des électrons et des trous dans une structure de réseau cristallin, décrite par la structure de bande électronique. Les semi-conducteurs ont une bande de valence (pleine à température absolue zéro) et une bande de conduction (partiellement vide). Leur conductivité est déterminée par le nombre d’électrons libres et de trous, qui augmente exponentiellement avec la température.
