Théorie des Semi-conducteurs
Les semi-conducteurs, qu’ils soient inorganiques ou organiques, représentent une classe de matériaux dotés de propriétés électriques uniques. Ces matériaux se situent, en termes de conductivité électrique, entre les métaux tels que le cuivre ou l’or, et les isolants comme le verre. Cette caractéristique résulte de leur structure chimique spécifique, ainsi que de l’influence de la température, de l’illumination et de la présence de dopants.
Le terme « semi-conducteur » est dérivé de la conductivité électrique de ces matériaux, qui se situe entre celle d’un métal et d’un isolant. Ils possèdent un gap énergétique inférieur à 4eV, généralement autour de 1eV. Dans la physique de l’état solide, ce gap énergétique, ou bande interdite, représente 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 dans les semi-conducteurs doivent acquérir de l’énergie (par exemple, provenant d’une radiation ionisante) pour franchir ce gap et atteindre la bande de conduction. Les propriétés des semi-conducteurs sont déterminées par ce gap énergétique entre les bandes de valence et de conduction.
Structure de Bande Électronique
La théorie des semi-conducteurs 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. La structure de bande (ou simplement la structure énergétique) d’un solide décrit les niveaux d’énergie que les électrons peuvent occuper, ainsi que les plages d’énergie qui leur sont interdites (appelées gaps ou bandes interdites).
Les semi-conducteurs possèdent une bande de valence, qui est la bande d’énergie la plus élevée entièrement remplie d’électrons, et une bande de conduction, qui est la bande d’énergie supérieure, vide ou partiellement remplie d’électrons. Le gap énergétique entre ces deux bandes est appelé le gap de bande.
A température absolue zéro, tous les électrons d’un semi-conducteur se trouvent dans la bande de valence, et il n’y a pas d’électrons libres dans la bande de conduction. Cependant, à température ambiante ou supérieure, certains électrons de la bande de valence peuvent être excités par l’énergie thermique ou par une source d’énergie externe, comme la lumière ou un champ électrique, et sauter dans la bande de conduction, laissant derrière eux un trou dans la bande de valence.
Le mouvement de ces électrons libres et trous dans la structure cristalline du semi-conducteur peut être décrit par les lois de la mécanique quantique. Le comportement de ces porteurs de charge est influencé par des facteurs tels que la structure cristalline, la concentration et le type de dopage, la température, ainsi que la présence d’impuretés ou de défauts dans la structure cristalline.
Les semi-conducteurs intrinsèques présentent un nombre parfaitement équilibré d’électrons libres et de trous, et leur conductivité est déterminée par la concentration intrinsèque de ces électrons libres et trous, qui augmente exponentiellement avec la température. Les semi-conducteurs extrinsèques, dopés avec des impuretés, ont une concentration beaucoup plus élevée d’électrons libres ou de trous, ce qui augmente considérablement leur conductivité et les rend utiles pour des dispositifs électroniques.
