Sémiconductivité et Semi-conducteurs
La sémiconductivité est une propriété caractéristique de certains matériaux qui leur permet de conduire l’électricité sous certaines conditions. Les semi-conducteurs possèdent une conductivité électrique intermédiaire entre celle des conducteurs, qui permettent facilement le passage du courant électrique, et celle des isolants, qui ne le permettent pas.
Structure et Bandes d’Énergie
Dans les semi-conducteurs, la bande de valence, qui est la bande d’électrons la plus haute complètement remplie, est séparée de la bande de conduction, la bande d’électrons la plus basse partiellement remplie, par un gap énergétique. Ce gap nécessite une certaine quantité d’énergie pour déplacer un électron de la bande de valence à la bande de conduction. La quantité d’énergie nécessaire est liée à la largeur du gap. À température ambiante, certains électrons dans la bande de valence des semi-conducteurs peuvent acquérir suffisamment d’énergie thermique pour franchir ce gap et se déplacer dans la bande de conduction, créant ainsi des électrons libres qui peuvent se déplacer librement dans le matériau.
Dopage et Conductivité
La conductivité électrique des semi-conducteurs peut être augmentée par dopage, qui consiste à ajouter intentionnellement des impuretés pour modifier leurs propriétés électroniques. Le dopage peut créer un excès d’électrons (dopage de type n) ou de trous (dopage de type p) dans le semi-conducteur, améliorant ainsi sa conductivité. Ces matériaux sont largement utilisés dans des dispositifs électroniques tels que les transistors, les diodes, les cellules solaires et les circuits intégrés.
Caractéristiques Clés des Semi-conducteurs
- Conductivité variable : Les semi-conducteurs peuvent être rendus conducteurs sous certaines conditions, comme lorsqu’ils sont exposés à la lumière ou à la chaleur.
- Gap énergétique : La taille du gap énergétique détermine l’énergie requise pour que le semi-conducteur devienne conducteur.
- Dopage : Le dopage modifie les propriétés électriques en introduisant des électrons supplémentaires ou des « trous ».
- Dépendance à la température : La conductivité électrique des semi-conducteurs dépend fortement de la température.
- Sensibilité à la lumière : Certains semi-conducteurs sont sensibles à la lumière et trouvent des applications dans des cellules photovoltaïques et des LED.
- Porteurs minoritaires : Les électrons et les trous sont connus comme des porteurs minoritaires dans les semi-conducteurs.
Types de Semi-conducteurs
Les semi-conducteurs peuvent être classés en deux types principaux basés sur leurs propriétés électroniques :
- Semi-conducteurs intrinsèques : Ils sont purs, constitués d’un seul élément et sans dopage intentionnel.
- Semi-conducteurs extrinsèques : Ils sont dopés avec des impuretés pour changer leurs propriétés électroniques, et se divisent en semi-conducteurs de type p et de type n.
Théorie de la Sémiconductivité
La théorie de la sémiconductivité repose sur le comportement des électrons et des trous dans une structure cristalline. Cette théorie est connue sous le nom de structure de bande électronique. Les semi-conducteurs ont une bande de valence et une bande de conduction séparées par un gap énergétique. À température ambiante ou supérieure, certains électrons peuvent être excités et sauter dans la bande de conduction, laissant derrière eux un trou dans la bande de valence. Le mouvement de ces électrons libres et de ces trous peut être décrit par les lois de la mécanique quantique.
Tableau des Semi-conducteurs
| Semi-conducteur | 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 |
| Arséniure de Gallium dopé à l’Aluminium (p-GaAs) | p-type | 1.43 | 8500 | 200 | 46 |
| Arséniure de Gallium dopé au Silicium (n-GaAs) | n-type | 1.43 | 8500 | 800 | 46 |
