semi-conducteur

Corps dont le comportement électrique, compris entre celui des conducteurs et celui des isolants, est modifié par les rayonnements tels que la chaleur, la lumière, par des champs électriques et magnétiques ainsi que par la nature et la quantité de certaines impuretés dispersées dans ce corps.

La conduction électrique d’un corps est son aptitude à favoriser la circulation des électrons. En l’absence de conduction électrique et de tout état d’excitation les électrons ne sont soumis qu’à un mouvement planétaire autour des noyaux des atomes qui réunissent les protons.

Conduction électrique et structure de la matière

La structure de l’atome* qui définit chaque corps simple, c’est-à-dire, d’une manière générale, la matière, est définie par le nombre Z d’électrons enveloppant un même nombre Z de protons nucléaires. L’atome complet, non excité, de numéro ou de nombre atomique Z, est donc électriquement neutre. Les orbites électroniques sont réparties en n couches, en 0 à n – 1 ou l sous-couches et en – 1 à + 1 ou m trajectoires individuelles, selon le niveau de l’énergie dont sont dotés les électrons qui gravitent par paire, avec des rotations propres (spin*) opposées, sur chacune de ces trajectoires. Les orbites les plus grandes correspondent aux plus hauts niveaux d’énergie. Dans la succession des corps simples classés par ordre croissant de numéro atomique, les couches se remplissent progressivement à partir des plus bas niveaux ; une couche ne peut commencer à se remplir que lorsque (sauf exception) les couches précédentes sont complètes. Dans l’atome non excité, tous les électrons occupent la trajectoire qu’on appelle leur niveau normal d’énergie. Si un électron change de niveau, on dit que l’atome qui le porte est excité, mais celui-ci reste électriquement neutre, car il ne perd pas pour cela la charge négative que porte cet électron. En revanche, si l’électron quitte l’atome, ce dernier prend aussitôt la charge positive d’un proton désormais en surnombre. Le changement de niveau, qui ne pourrait être dû qu’à une action extérieure (chaleur, lumière, champ magnétique ou électrique, etc.), est nécessaire à l’électron qui participe à la conduction électrique. D’un niveau au suivant, cet électron traverse un espace intermédiaire qui peut être franchi mais non occupé. On dit que ce niveau intermédiaire instable est interdit. D’autre part, les électrons périphériques d’un atome peuvent entrer en combinaison en couplant leurs trajectoires avec celles d’électrons périphériques appartenant à des atomes voisins. Sous l’influence de ce couplage, les niveaux d’énergie se dédoublent et se multiplient en formant des bandes d’énergie. Ainsi occupées par les électrons qui assurent la structure cristalline de certains corps, ces bandes d’énergie sont appelées bandes de valence. Au-delà de la bande de valence de chaque atome existe enfin, potentiellement d’abord, une bande dite de conduction, que doivent occuper, après avoir franchi une dernière bande interdite, les électrons qui vont circuler en formant le courant électrique.

Semi-conducteur intrinsèque

Les corps dont la structure atomique est telle que la bande de conduction est éloignée de la bande de valence sont des isolants* électriques (résistivité supérieure à 10⁵ Ωm par exemple). Les corps dans lesquels la bande de valence recouvre, partiellement au moins, la bande de conduction sont des conducteurs (résistivité inférieure à 10^–6 Ωm par exemple). Entre les conducteurs et les isolants, quelques corps présentent une structure atomique telle que les bandes de valence et de conduction soient tout à la fois assez éloignées pour qu’au repos les électrons périphériques servent à la seule édification d’une structure cristalline (électriquement isolante) et assez proche pour que, sous l’effet d’une excitation (chaleur, lumière, champ électrique ou magnétique...), certains électrons de valence puissent s’échapper. La mobilité de ces électrons se traduit par un abaissement de la résistivité du cristal (de 1 à 1 000 Ωm). On appelle conductivité intrinsèque cette propriété, que présentent certains corps purs tels que le germanium et le silicium, tous deux quadrivalents (4 électrons de valence). On appelle aussi semi-conducteur intrinsèque un tel cristal, puisqu’il tire sa semi-conductivité de sa seule structure interne, homogène et régulière.

Semi-conducteur extrinsèque

La plus intéressante propriété d’un semi-conducteur réside dans le fait que sa conductivité peut être suscitée, en l’absence d’excitation, par injection d’impuretés (dopage) au sein même du cristal. Cette conductivité extrinsèque peut alors se présenter sous deux formes.

• Conductivité du type N. Si, dans la structure cristalline cubique que peuvent former des atomes situés aux sommets de tétraèdres réguliers, l’un de ces atomes est quintivalent, quatre des cinq électrons de valence de ce dernier sont couplés aux atomes quadrivalents voisins à la manière même dont ceux-ci sont couplés entre eux. Le cinquième électron périphérique est donc libre de tout couplage de valence, et son accès à la bande de conduction en est facilité. Pour un dopage suffisant (plus de 10¹³ atomes/cm³ et jusqu’à 10¹⁵ atomes/cm³ dans un cristal contenant environ 5 . 10²² atomes/cm³), la conductivité apparaît à la température ambiante. Sous un champ électrique convenable, les électrons en excès, que l’on appelle porteurs de charge (négatifs), circulent en direction de l’électrode positive. On appelle donneur le semi-conducteur ainsi formé. On dit aussi qu’il est du type N, car les porteurs de charge, ainsi rendus disponibles, sont négatifs. Un cristal de germanium (quadrivalent) ou de silicium (également quadrivalent), dopé au phosphore, à l’arsenic ou à l’antimoine (quintivalents), est un semi-conducteur extrinsèque du type N.