Propriétés électroniques
Les matériaux semi-conducteurs traités ici sont des monocristaux, c’est-à-dire que les atomes sont disposés de façon périodique en trois dimensions. La figure 2A montre une représentation simplifiée en deux dimensions d’un cristal de silicium intrinsèque très pur et contenant une quantité négligeable d’impuretés. Chaque atome de silicium du cristal est entouré de quatre de ses plus proches voisins. Chaque atome possède quatre électrons sur son orbite externe et partage ces électrons avec ses quatre voisins. Chaque paire d’électrons partagée constitue une liaison covalente. La force d’attraction des électrons par les deux noyaux maintient les deux atomes ensemble.
Encyclopædia Britannica, Inc.
À basse température, les électrons sont liés dans leurs positions respectives dans le cristal ; par conséquent, ils ne sont pas disponibles pour la conduction électrique. A des températures plus élevées, les vibrations thermiques peuvent rompre certaines des liaisons covalentes. La rupture d’une liaison donne un électron libre qui peut participer à la conduction du courant. Lorsqu’un électron s’éloigne d’une liaison covalente, il y a un manque d’électrons dans cette liaison. Cette carence peut être comblée par l’un des électrons voisins, ce qui entraîne un déplacement de l’emplacement de la carence d’un site à un autre. Cette déficience peut donc être considérée comme une particule similaire à un électron. Cette particule fictive, surnommée trou, porte une charge positive et se déplace, sous l’influence d’un champ électrique appliqué, dans une direction opposée à celle d’un électron.
Pour un atome isolé, les électrons de l’atome ne peuvent avoir que des niveaux d’énergie discrets. Lorsqu’un grand nombre d’atomes sont réunis pour former un cristal, l’interaction entre les atomes fait que les niveaux d’énergie discrets s’étalent en bandes d’énergie. En l’absence de vibration thermique (c’est-à-dire à basse température), les électrons d’un semi-conducteur remplissent complètement un certain nombre de bandes d’énergie, laissant le reste des bandes d’énergie vides. La bande la plus remplie s’appelle la bande de valence. La bande immédiatement supérieure est la bande de conduction, qui est séparée de la bande de valence par une bande interdite. Cette lacune énergétique, également appelée bande interdite, est une région qui désigne les énergies que les électrons du semi-conducteur ne peuvent pas posséder. La plupart des semi-conducteurs importants ont des bandes interdites comprises entre 0,25 et 2,5 eV. La bande interdite du silicium, par exemple, est de 1,12 eV et celle de l’arséniure de gallium est de 1,42 eV.
Comme nous l’avons vu précédemment, à des températures finies, les vibrations thermiques vont rompre certaines liaisons. Lorsqu’une liaison est rompue, il en résulte un électron libre, ainsi qu’un trou libre, c’est-à-dire que l’électron possède suffisamment d’énergie thermique pour traverser la bande interdite vers la bande de conduction, laissant derrière lui un trou dans la bande de valence. Lorsqu’un champ électrique est appliqué au semi-conducteur, les électrons de la bande de conduction et les trous de la bande de valence gagnent en énergie cinétique et conduisent l’électricité. La conductivité électrique d’un matériau dépend du nombre de porteurs de charge (c’est-à-dire d’électrons libres et de trous libres) par unité de volume et de la vitesse à laquelle ces porteurs se déplacent sous l’influence d’un champ électrique. Dans un semi-conducteur intrinsèque, il existe un nombre égal d’électrons libres et de trous libres. Les électrons et les trous ont cependant des mobilités différentes, c’est-à-dire qu’ils se déplacent à des vitesses différentes dans un champ électrique. Par exemple, pour le silicium intrinsèque à température ambiante, la mobilité des électrons est de 1 500 centimètres carrés par volt seconde (cm2/V-s) – c’est-à-dire qu’un électron se déplace à une vitesse de 1 500 centimètres par seconde sous un champ électrique d’un volt par centimètre – tandis que la mobilité des trous est de 500 cm2/V-s. Les mobilités d’un semi-conducteur donné diminuent généralement avec l’augmentation de la température ou de la concentration en impuretés.
La conduction électrique dans les semi-conducteurs intrinsèques est assez faible à température ambiante. Pour produire une conduction plus élevée, on peut introduire intentionnellement des impuretés (généralement à une concentration d’une partie par million d’atomes hôtes). C’est ce qu’on appelle le processus de dopage. Par exemple, lorsqu’un atome de silicium est remplacé par un atome possédant cinq électrons externes, comme l’arsenic (figure 2C), quatre des électrons forment des liaisons covalentes avec les quatre atomes de silicium voisins. Le cinquième électron devient un électron de conduction qui est « donné » à la bande de conduction. Le silicium devient un semi-conducteur de type n grâce à l’ajout de l’électron. L’atome d’arsenic est le donneur. De même, la figure 2C montre que, lorsqu’un atome ayant trois électrons externes, comme le bore, est substitué à un atome de silicium, un électron supplémentaire est « accepté » pour former quatre liaisons covalentes autour de l’atome de bore, et un trou chargé positivement est créé dans la bande de valence. Il s’agit d’un semi-conducteur de type p, le bore constituant un accepteur.
