Les dispositifs à semi-conducteurs sont les composants de contrôle des appareils de haute technologie et des appareils très ordinaires. Leur utilisation répandue est liée au fait qu’ils peuvent être utilisés pour s’interfacer avec tous les sens humains. Les diodes électroluminescentes (DEL) et les lasers à semi-conducteurs produisent de la lumière utilisée dans toutes sortes d’affichages qui interfèrent avec la vue. Les premières applications des dispositifs à semi-conducteurs ont été l’utilisation de transistors dans les radios et les amplificateurs qui interfèrent avec notre sens de l’ouïe. Les thermoélectriques sont des dispositifs à semi-conducteurs qui peuvent être utilisés pour chauffer ou refroidir – une interface avec le sens du toucher. Bien que les dispositifs à l’état solide n’émettent pas d’odeur ou de saveur, ils peuvent être utilisés comme capteurs pour surveiller les substances odorantes ou toxiques, ce qui constitue une interface avec les sens de l’odorat et du goût. Dans une certaine mesure, le sens moderne du temps, entraîné par la révolution de l’information, renvoie aux dispositifs à semi-conducteurs.
Au début du XXIe siècle, il y avait plus de dispositifs à semi-conducteurs produits que toute autre chose fabriquée. Plus de dix milliards de composants sont fabriqués sur une seule tranche de silicium de huit pouces. Dans les années 1940, les tâches des dispositifs à semi-conducteurs simples étaient effectuées à l’aide de tubes à vide et de relais mécaniques. (Si un tube à vide couvre une surface d’un pouce carré, les mêmes dix milliards de dispositifs qui tiennent sur une plaquette de huit pouces couvriraient 6,5 kilomètres carrés). L’invention du transistor en 1947 aux Laboratoires Bell a inauguré l’ère électronique, en commençant par les téléphones et les radios et en fournissant finalement des ordinateurs de plus en plus petits et rapides, un éclairage plus efficace, un moyen de récolter l’énergie électrique du Soleil, et bien plus encore.
Les matériaux des dispositifs à l’état solide
Les dispositifs à l’état solide consistent en des organisations complexes de matériaux cristallins qui présentent des propriétés isolantes, semi-conductrices ou conductrices. Les isolants, généralement composés de SiO2, bloquent le passage du courant d’une partie du dispositif à une autre. Les semi-conducteurs, généralement du silicium ou des matériaux apparentés au silicium, sont les principaux matériaux des dispositifs à l’état solide, car ils contrôlent le nombre et la vitesse de circulation des porteurs de charge (électrons ou trous). Les trous sont formés lorsqu’un électron est enlevé et portent donc une charge positive. Des conducteurs, généralement des métaux tels que l’aluminium ou le cuivre, sont utilisés pour les connexions électriques des dispositifs. La conception, le fonctionnement et la fabrication des dispositifs à semi-conducteurs relèvent généralement de la physique et de l’ingénierie. Les propriétés des matériaux utilisés pour fabriquer les dispositifs, cependant, sont déterminées par la chimie.
La différence entre les conducteurs, les semi-conducteurs et les isolants est déterminée par la facilité avec laquelle les électrons (ou les trous) peuvent se déplacer dans le matériau cristallin. Le mouvement (délocalisation) des électrons, ou leur localisation sur ou entre des atomes particuliers, est déterminé par la liaison chimique. Dans un cristal, il est nécessaire de considérer les interactions de liaison répétitives entre les nombreux atomes plutôt que les seules interactions de liaison entre deux atomes dans une molécule isolée.
Considérez l’analogie de liaison entre la molécule de dihydrogène, H2, et un hypothétique cristal d’hydrogène unidimensionnel, Hn, représenté symboliquement dans la figure 1. Chaque atome d’hydrogène possède un électron dans une orbitale atomique. Lorsque deux de ces atomes sont réunis, les électrons sont partagés entre eux dans une orbitale moléculaire de liaison, σ, où les orbitales sont en phase l’une avec l’autre. Une orbitale anti-liaison, σ*, est également créée à une énergie plus élevée, les deux orbitales étant déphasées l’une par rapport à l’autre. Une situation de liaison stable est créée lorsque la configuration électronique remplit les orbitales moléculaires de liaison et laisse vides les orbitales moléculaires d’anti liaison.
Lorsqu’un nombre approximativement infini d’atomes sont réunis pour former un cristal, ils apportent avec eux un nombre infini d’orbitales et d’électrons correspondants. Lorsque toutes ces orbitales sont en phase, on obtient l’orbitale cristalline de plus basse énergie. Lorsqu’elles sont toutes déphasées, on obtient l’orbitale cristalline de plus haute énergie. Mais avec le nombre quasi infini d’atomes, et donc un nombre quasi infini d’orbitales atomiques, il doit y avoir un nombre quasi infini d’orbitales cristallines formées avec des énergies intermédiaires entre les niveaux les plus liants et les plus antiliants. Cette collection d’orbitales cristallines est appelée bande d’énergie.
Chaque bande peut être remplie d’électrons de manière similaire au remplissage d’une bouteille en plastique avec du sable. Si cette bouteille de sable est complètement pleine, il est possible de l’incliner ou même de la retourner à l’envers et les grains de sable ne bougeront pas. Si la bouteille en plastique n’est pas complètement remplie (c’est-à-dire une bande partiellement remplie), les grains de sable peuvent facilement se déplacer lorsque la bouteille est inclinée. Ils ne sont pas localisés dans une seule position mais délocalisés sur toute la surface supérieure. De la même manière, les électrons d’une bande partiellement remplie sont délocalisés dans le cristal et peuvent conduire l’électricité. L’énergie des niveaux les plus remplis est appelée énergie de Fermi.
Comprendre la conductivité
Un conducteur métallique est une substance qui possède une bande partiellement remplie. Il faut très peu d’énergie pour déplacer les électrons d’un niveau rempli à un niveau vide dans une bande ; il en résulte une conductivité élevée car il n’y a pas de trou d’énergie au niveau de Fermi. Lorsque la température d’un conducteur métallique est abaissée, la conductivité augmente car le mouvement thermique des atomes dans le cristal est ralenti, ce qui permet aux électrons de se déplacer plus facilement.
A l’inverse, les semi-conducteurs et les isolants ont tous deux des structures de bande dans lesquelles toutes leurs bandes électroniques sont soit complètement pleines, soit complètement vides. Parce que les cristaux réels ont plus d’une orbitale, contrairement à l’exemple de l’hydrogène, il y aura plusieurs bandes donnant lieu à la structure de bande électronique. Les bandes remplies d’électrons se trouvent en dessous de l’énergie de Fermi et les bandes à plus haute énergie sont vides. La différence d’énergie entre la partie la plus élevée de la bande remplie et la partie la plus basse de la bande vide est la bande interdite. La différence entre un isolant et un semi-conducteur est la taille de la bande interdite. Un matériau dont la bande interdite est inférieure à environ 3,5 eV est considéré comme un semi-conducteur, tandis que les matériaux dont la bande interdite est plus large sont des isolants. Dans un semi-conducteur, la bande remplie en dessous du niveau de Fermi est appelée la bande de valence et la bande vide au-dessus du niveau de Fermi est appelée la bande de conduction.
Si une énergie suffisante est fournie à un semi-conducteur, un électron peut être promu de la bande de valence à la bande de conduction ; cela crée également un trou dans la bande de valence. L’électron promu dans la bande de conduction et/ou le trou laissé dans la bande de valence peuvent être délocalisés dans le cristal, ce qui entraîne une conductivité électronique. L’ampleur de la conductivité est fortement déterminée par l’énergie fournie au semi-conducteur. Pour cette raison, la conductivité d’un semi-conducteur augmentera avec l’augmentation de la température.
La chimie des semi-conducteurs
Les propriétés d’un semi-conducteur sont déterminées par la composition élémentaire du matériau, sa structure et la présence d’éventuelles impuretés. Les impuretés, communément appelées dopants, ajoutent des propriétés extrinsèques au semi-conducteur, par rapport aux propriétés intrinsèques du matériau pur lui-même.
Semiconducteurs intrinsèques. On peut trouver que les éléments du groupe quatorze, le carbone, le silicium, le germanium et l’étain, adoptent la structure cristalline de type diamant représentée sur la figure 3a. On trouve également d’autres structures cristallines ; par exemple, le graphite et le diamant sont des structures cristallines différentes du même élément, le carbone. En raison de sa taille et des énergies orbitales, le carbone forme des liaisons très
fortes, il y a donc une grande séparation énergétique entre les bandes de liaison et d’antiliaison dans le diamant. Il en résulte une grande bande interdite de 6,0 eV, ce qui fait du diamant un isolant. En revanche, les liaisons entre les éléments plus lourds (silicium, germanium et étain) ne sont pas aussi fortes, de sorte que la bande interdite diminue en descendant dans la colonne du tableau périodique : silicium, 1,1 eV ; germanium, 0,7 eV ; et étain gris, 0,1 eV. En outre, à des températures inférieures à 13°C (55°F), l’étain subit un réarrangement cristallin vers la structure de l’étain blanc qui n’a pas de bande interdite car il est métallique.
Les semi-conducteurs composés sont constitués de plus d’un élément et donnent la possibilité de régler chimiquement la taille de la bande interdite. Les semi-conducteurs composés typiques combinent des éléments du groupe treize et du groupe quinze du tableau périodique. Ces semi-conducteurs composés adoptent également une structure cristalline de type diamant mais avec une alternance des types d’atomes dans le réseau cristallin (figure 3b). En combinant des éléments ayant trois et cinq électrons de valence (comme l’aluminium et le phosphore, respectivement) – soit une moyenne de quatre électrons par atome – on obtient un matériau aux propriétés similaires à celles du silicium à quatre électrons de valence. Cependant, comme les orbitales du phosphore sont moins énergétiques et celles de l’aluminium plus énergétiques que celles du silicium, on observe une bande interdite plus large pour le semi-conducteur composé AlP (3,0 eV). La combinaison des éléments les plus lourds, le gallium et l’arsenic, forme l’arséniure de gallium (GaAs), dont la bande interdite est de 1,4 eV. Une chimie similaire est possible en combinant des éléments des groupes douze et seize, qui donnent par exemple les semi-conducteurs sulfure de zinc (ZnS) et séléniure de cadmium (CdSe), avec des bandes interdites de 3,8 eV et 1,8 eV, respectivement.
Dopants dans les semi-conducteurs. La pureté d’un semi-conducteur de qualité électronique doit être supérieure à 99,999 %. Le contrôle de la quantité et du type d’impureté permet toutefois d’affiner les propriétés du semi-conducteur. Par exemple, l’ajout d’une impureté de phosphore (avec cinq électrons de valence) au silicium (avec quatre électrons de valence) ajoute effectivement un électron supplémentaire pour chaque atome de phosphore ajouté au cristal. Le phosphore est donc un donneur pour le silicium. Les atomes de phosphore dopants déplacent les atomes de silicium dans le cristal, mais la structure globale du cristal ne change pas, ni la structure de bande. L’électron supplémentaire doit cependant aller dans la bande de conduction, puisque la bande de valence était déjà pleine. On obtient ainsi un semi-conducteur de type n . À l’inverse, le dopage du silicium par l’aluminium fournit un électron de trop, laissant un trou dans la bande de valence pour chaque atome d’aluminium ajouté. L’aluminium est donc un accepteur de silicium. Ayant perdu des électrons, les trous portent une charge positive, formant un semi-conducteur de type p . Comme l’écart d’énergie entre les niveaux donneurs et la bande de conduction (En) ou entre les niveaux accepteurs et la bande de valence (Ep) est très faible, ces semi-conducteurs dopés présenteront une plus grande conductivité et une dépendance à la température bien moindre que celle observée pour un semi-conducteur intrinsèque.
La jonction P-N. Le niveau de Fermi d’un semi-conducteur de type p est plus faible en énergie que celui d’un semi-conducteur de type n . Lorsque des semi-conducteurs de type p – et n – sont joints, un niveau de Fermi commun est créé par la combinaison de trous et d’électrons à l’interface. Aucun porteur n’est présent dans cette zone d’appauvrissement à la jonction. Lorsqu’une tension positive est appliquée au côté de type p de la jonction p-n et une tension négative au côté de type n, le courant peut circuler puisque la tension positive pousse les trous vers la
cathode négative et la tension négative pousse les électrons libres vers l’anode positive. En revanche, si l’on branche la batterie à l’envers, la taille de la zone de déplétion augmente, car la tension négative appliquée au côté p de la jonction attire davantage de trous vers cette électrode et la tension positive appliquée au semi-conducteur de type n attire les électrons vers l’électrode et les éloigne de la jonction, ce qui laisse une zone de déplétion plus grande. Par conséquent, il n’y a pas de porteurs libres et aucun courant ne peut circuler. Ainsi, cette jonction p-n forme le dispositif à l’état solide le plus simple, connu sous le nom de diode.
Diodes. Les diodes sont essentiellement des valves à sens unique pour la conductivité électronique. Un tel dispositif est très important dans une alimentation électrique qui convertit le courant alternatif en courant continu, nécessaire à de nombreux appareils électroniques. La connexion d’une seule diode à un circuit électrique alternatif bloquera les oscillations de tension positives ou négatives, ce qui est décrit comme un demi-redressement. La connexion de quatre diodes (comme le montre la figure 6) donnera un redressement pleine onde, convertissant le courant alternatif en courant continu. L’ajout de condensateurs à ce circuit lissera les oscillations de tension pour le fonctionnement réel du dispositif.
Lorsqu’un courant électrique passe à travers n’importe quelle jonction p-n, les électrons voyageant dans la bande de conduction ou les trous voyageant dans la bande de valence peuvent se recombiner avec des trous ou des électrons, respectivement, à travers la bande interdite. Cette recombinaison se produit principalement avec les électrons qui ont été poussés dans la région de type p de la diode et avec les trous qui ont été poussés dans la région de type n de la diode par la tension externe. Lorsque les électrons et les trous sont recombinés à travers la bande interdite, de l’énergie est libérée, souvent sous la forme d’un photon dont l’énergie est égale à celle de la bande interdite. Les semi-conducteurs dont la bande interdite se situe entre 1,8 eV et 3,1 eV émettent des photons de lumière visible (rouge à violet). Ils sont connus sous le nom de diodes électroluminescentes. En fait, toutes les diodes émettent de la lumière, mais la plupart ont une bande interdite plus petite que l’énergie d’un photon visible.
En conséquence, la plupart des diodes émettent des photons infrarouges. Une telle émission infrarouge est utilisée pour la signalisation dans de nombreux dispositifs de télécommande.
Transistors. Les transistors sont des dispositifs de commutation et d’amplification à l’état solide, et c’est leur invention en 1947 qui a véritablement amorcé la révolution électronique de la fin du vingtième siècle. Un transistor bipolaire n-p-n est formé en connectant des semi-conducteurs de type n de part et d’autre d’un semi-conducteur mince de type p . Comme le montre la figure 7, le transistor agit comme un interrupteur pour le circuit connecté à l’alimentation de 10 V. Si une petite tension négative est appliquée à la base (contact B), les trous sont retirés du semi-conducteur de type p, créant ainsi une barrière isolante. C’est le même processus que celui qui consiste à essayer de forcer le courant dans le mauvais sens à travers deux jonctions p-n. Par conséquent, aucun courant ne circule entre les contacts. Cependant, si une petite tension positive est appliquée au contact de la base, un certain courant circulera dans la boucle de commande (électrons allant de l’émetteur à la base). Parce que la tension fournie entre l’émetteur (contact E) et le collecteur (contact C) est beaucoup plus grande que la tension de base, une fraction beaucoup plus grande des électrons traversera la fine couche de type p, donnant le courant de collecteur beaucoup plus grand.
Comme décrit ci-dessus, le transistor fonctionne comme un simple dispositif marche/arrêt, selon le signe de la tension appliquée aux bornes de la base et de l’émetteur. Comme le courant de base est faible et que le courant de collecteur est important, ce même dispositif à semi-conducteurs peut également être utilisé comme amplificateur de signaux. Le rapport entre le courant de collecteur et le courant de base est essentiellement constant pour un dispositif donné. Comme le courant de base est proportionnel à la tension base-émetteur (tension entre B et E) et que le courant de collecteur est proportionnel à la tension émetteur-collecteur (tension entre E et C), une petite oscillation de la tension entrée par un microphone, par exemple, dans la boucle BE sera
amplifiée en une grande oscillation de la tension dans la boucle EC, qui pourra ensuite être connectée à un haut-parleur.
Bien que des combinaisons variables de semi-conducteurs puissent être fabriquées dans de nombreux dispositifs à semi-conducteurs différents, le fonctionnement du dispositif dépend fortement de la chimie des éléments constituant les semi-conducteurs. La liaison entre les éléments composant les semi-conducteurs détermine la structure de la bande électronique et la taille de la bande interdite. Le nombre d’électrons de valence détermine le remplissage de ces bandes et donc les propriétés électroniques. Les efforts de recherche en cours continuent à découvrir de nouveaux semi-conducteurs avec de nouvelles applications possibles. En outre, des efforts considérables sont investis pour concevoir des dispositifs de plus en plus petits dans le but de passer des dispositifs à l’état solide (basés sur des matériaux cristallins) aux dispositifs à molécule unique.
James D. Martin
Bibliographie
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