Sémiconducteurs Intrinsèques – Sémiconducteurs Purs
Les sémiconducteurs, des matériaux organiques ou inorganiques, jouent un rôle crucial dans le domaine de l’électronique grâce à leur capacité à contrôler la conduction électrique. Cette dernière dépend de divers facteurs tels que la structure chimique, la température, l’illumination, et la présence de dopants. Le terme « semi-conducteur » est dérivé de leur conductivité électrique qui se situe entre celle des métaux, comme le cuivre ou l’or, et celle des isolants, tels que le verre. Ils se caractérisent par un gap énergétique inférieur à 4eV (environ 1eV).
En physique de l’état solide, ce gap énergétique, ou bande interdite, est une plage d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction où les états électroniques sont interdits. Contrairement aux conducteurs, les électrons des semi-conducteurs doivent acquérir de l’énergie (par exemple, via le rayonnement ionisant) pour franchir le gap énergétique et atteindre la bande de conduction.
Propriétés et Types de Sémiconducteurs
Les propriétés des semi-conducteurs sont définies par le gap énergétique entre les bandes de valence et de conduction. Voici un tableau présentant 3 sémiconducteurs intrinsèques et 2 sémiconducteurs de type p et n, avec leurs 4 propriétés clés :
Sémiconducteur | Type | Gap Énergétique (eV) | Mobilité des Électrons (cm²/Vs) | Mobilité des Trous (cm²/Vs) | Conductivité Thermique (W/mK) |
---|---|---|---|---|---|
Silicium (Si) | Intrinsèque | 1.12 | 1500 | 450 | 150 |
Germanium (Ge) | Intrinsèque | 0.67 | 3900 | 1900 | 60 |
Arséniure de Gallium (GaAs) | Intrinsèque | 1.43 | 8500 | 400 | 46 |
Silicium dopé au Bore (p-Si) | p-type | 1.12 | 1500 | 1800 | 150 |
Silicium dopé au Phosphore (n-Si) | n-type | 1.12 | 1500 | 4500 | 150 |
Les sémiconducteurs peuvent être classifiés en deux types principaux selon leurs propriétés électroniques :
- Sémiconducteurs Intrinsèques : Ce sont des semi-conducteurs purs, composés d’un seul élément (par exemple, silicium, germanium) et sans dopage intentionnel par des impuretés. Ils conduisent l’électricité lorsqu’ils sont chauffés, permettant à certains électrons de se libérer de leurs liaisons et de devenir des électrons libres dans la bande de conduction.
- Sémiconducteurs Extrinsèques : Ces semi-conducteurs impurs sont intentionnellement dopés avec des impuretés pour modifier leurs propriétés électroniques. Ils peuvent être de type p (avec des atomes d’impureté comme le bore) ou de type n (avec des atomes d’impureté comme le phosphore).
Sémiconducteurs Intrinsèques et leur Utilité
Un sémiconducteur intrinsèque est entièrement pur sans espèces de dopants significatives. Par exemple, un échantillon de 1 cm³ de germanium pur à 20 °C contient environ 4.2×1022 atomes mais aussi environ 2.5 x 1013 électrons libres et 2.5 x 1013 trous. Ces porteurs de charge sont produits par excitation thermique.
Cependant, les semi-conducteurs intrinsèques ne sont pas très utiles en tant que tels, car ils ne sont ni de très bons isolants ni de très bons conducteurs. Leur conductivité peut être augmentée et contrôlée par dopage avec des impuretés et par la mise en place de champs électriques. Le dopage et le gating rapprochent la bande de conduction ou la bande de valence beaucoup plus près du niveau de Fermi, augmentant considérablement le nombre d’états partiellement remplis.
En résumé, les semi-conducteurs intrinsèques et extrinsèques jouent un rôle fondamental dans la technologie moderne, permettant le développement de dispositifs électroniques avancés grâce à leur capacité unique à contrôler la conduction électrique.