Les Semi-conducteurs en Silicium
Les semi-conducteurs, éléments fondamentaux de la technologie moderne, se situent sur l’échelle de conductivité entre les métaux, comme le cuivre ou l’or, et les isolants tels que le verre. Leur particularité réside dans leur capacité à contrôler leur conduction en fonction de la structure chimique, de la température, de l’éclairage et de la présence de dopants. Ils présentent un écart d’énergie inférieur à 4eV (environ 1eV) dans la physique de l’état solide. Cet écart, ou bande interdite, est une gamme d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits.
Silicium : Le Matériau de Choix
Le silicium (Si) est le matériau semi-conducteur le plus utilisé dans l’industrie électronique, avec un écart de bande de 1.1 eV, valeur optimale pour les dispositifs électroniques. Sa grande abondance et son faible coût en font un matériau idéal pour la production à grande échelle. De plus, le silicium se distingue par sa haute stabilité et fiabilité, résistant aux impuretés et autres défauts, garantissant ainsi des performances constantes des dispositifs électroniques dans diverses conditions de fonctionnement. Ses excellentes propriétés mécaniques, comme la forte résistance et dureté, le rendent adapté aux systèmes microélectromécaniques (MEMS). Toutefois, sa mobilité électronique relativement faible limite ses performances dans les dispositifs électroniques de haute fréquence et de haute puissance.
Types de Semi-conducteurs
Les semi-conducteurs se classifient en deux types principaux selon leurs propriétés électroniques :
- Semi-conducteurs Intrinsèques : Ceux-ci sont purs, composés d’un seul élément (ex. : Silicium, Germanium) et sans dopage intentionnel. Ils conduisent l’électricité lorsque chauffés, permettant à certains électrons d’acquérir suffisamment d’énergie pour se libérer de leurs liaisons et devenir des électrons libres dans la bande de conduction.
- Semi-conducteurs Extrinsèques : Ces semi-conducteurs sont intentionnellement dopés pour modifier leurs propriétés électroniques. Ils se divisent en :
- p-type : Avec des atomes d’impureté comme le bore, créant des « trous » (absence d’électrons) dans la bande de valence.
- n-type : Avec des atomes d’impureté comme le phosphore, introduisant des électrons excédentaires dans la bande de conduction.
Comparaison des Semi-conducteurs
| Semi-conducteur | Type | Écart de Bande (eV) | Mobilité Électronique (cm²/Vs) | Mobilité des Trous (cm²/Vs) | Conductivité Thermique (W/mK) |
|---|---|---|---|---|---|
| Silicium (Si) | Intrinsèque | 1.1 | 1500 | 450 | 150 |
| Germanium (Ge) | Intrinsèque | 0.67 | 3900 | 1900 | 60 |
| Gallium Arsenide (GaAs) | Intrinsèque | 1.43 | 8500 | 400 | 46 |
| Bore-dopé Silicium (p-Si) | p-type | 1.1 | 1500 | 1800 | 150 |
| Phosphore-dopé Silicium (n-Si) | n-type | 1.1 | 1500 | 450 | 150 |
| Aluminium-dopé Gallium Arsenide (p-GaAs) | p-type | 1.43 | 8500 | 200 | 46 |
| Silicium-dopé Gallium Arsenide (n-GaAs) | n-type | 1.43 | 8500 | 800 | 46 |
En conclusion, le silicium reste l’épine dorsale de l’industrie des semi-conducteurs en raison de son abondance, de son faible coût et de sa fiabilité, et il continuera probablement à être le matériau dominant dans un avenir prévisible.
