Semi-conducteur

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Les semi-conducteurs sont des matériaux présentant une conductivité électrique intermédiaire entre les métaux et les isolants. Les semi-conducteurs sont primordiaux en électronique, car ils offrent la possibilité de contrôler, par divers moyens, aussi bien la quantité de courant électrique susceptible de les traverser que la direction que peut prendre ce courant.

  • Dans un semi-conducteur, un courant électrique est favorisé par deux types de porteurs : les électrons et les trous.
    • La propagation par l'intermédiaire d'électrons est similaire à celle d'un conducteur classique : des atomes fortement ionisés passent leurs électrons en excès le long du conducteur d'un atome à un autre, depuis une zone ionisée négativement à une autre moins négativement ionisée.
    • La propagation par l'intermédiaire de trous est différente : ici, les charges électriques voyagent d'une zone ionisée positivement à une autre ionisée moins positivement par le mouvement d'un trou créé par l'absence d'un électron dans une structure électrique quasi pleine.
  • Le silicium pur est un semi-conducteur intrinsèque. Les propriétés d'un semi-conducteur (c'est-à-dire le nombre de porteurs, électrons ou trous) peuvent être contrôlées en le dopant avec des impuretés (autres matériaux). Un semi-conducteur présentant plus d'électrons que de trous est alors dit de type N, tandis qu'un semi-conducteur présentant plus de trous que d'électrons est dit de type P.
Schéma théorique établi selon la théorie des bandes d'énergie indiquant suivant les cas la position respective de la bande de valence et de la bande d'énergie : a) Métal ; b) Isolant ; c) Semi-conducteur ; y) Énergie ; Ef) Niveau de Fermi
Schéma théorique établi selon la théorie des bandes d'énergie indiquant suivant les cas la position respective de la bande de valence et de la bande d'énergie : a) Métal ; b) Isolant ; c) Semi-conducteur ;
y) Énergie ; Ef) Niveau de Fermi

Sommaire

[modifier] Historique

  • 1833 : M. Faraday remarqua le pouvoir conducteur de certains métaux lorsque l'on augmente la température, contrairement au métaux classiques.
  • 1833 : Effet photovoltaïque. A. Becquerel constate une différence de potentiel en éclairant le point de contact entre un conducteur et un électrolyte.
  • 1878 : Effet Hall. H. Hall découvre une différence de potentiel dans le cuivre dans la direction perpendiculaire au courant et au champ magnétique.
  • 1931 : Théorie moderne des semi-conducteurs. K.G. Wilson décrit les semi-conducteurs comme isolant à faible bande interdite.
  • 1948 : J. Bardeen, W.H. Brattain et W. Shockley découvrent l'effet transistor.
  • 1954 : Fabrication des premiers transistors en silicium.

[modifier] Structure électronique des semi-conducteurs

[modifier] Principe de la structure en bandes

Les propriétés électroniques des semi-conducteurs proviennent de leur structure électronique.

Les états des électrons dans la matière sont quantifiés, c’est-à-dire que seules certaines énergies et vecteurs d'ondes leur sont accessibles. Par ailleurs, il existe une relation entre le vecteur d'onde \vec{k}=\frac{\vec{p}}{\hbar} d'un électron et son énergie E.

Pour un électron libre, l'énergie est égale à son énergie cinétique :

E=\frac{p^2}{2m}=\frac{\hbar^2 k^2}{2m}

En revanche, lorsque l'électron est dans le volume d'un cristal, un terme d'énergie potentielle est à ajouter. Ce terme décrit l'influence du potentiel électrostatique des ions du cristal sur l'électron.

Formation de bandes interdites vue dans le diagramme énergie/vecteur d'onde pour des électrons placés dans un cristal. Lorsque le vecteur d'onde k correspond à une harmonique du vecteur fondamental du réseau cristallin ka, il y a dédoublement des énergies accessibles ou dégénérescence. Certaines énergies deviennent alors inaccessibles aux électrons
Formation de bandes interdites vue dans le diagramme énergie/vecteur d'onde pour des électrons placés dans un cristal. Lorsque le vecteur d'onde k correspond à une harmonique du vecteur fondamental du réseau cristallin ka, il y a dédoublement des énergies accessibles ou dégénérescence. Certaines énergies deviennent alors inaccessibles aux électrons

Cette influence demeure faible tant que le vecteur d'onde de l'électron est sans rapport avec la périodicité du cristal. Par contre, si le vecteur d'onde de l'électron (en quelque sorte son mouvement) est en phase avec le cristal, il va fortement interagir avec lui et l'énergie de l'électron va en être fortement modifiée. Mais cette modification d'énergie peut être aussi bien positive que négative selon que l'électron est en avance ou en retard de phase sur le cristal. Pour donner une image, d'un côté, l'électron est freiné par les ions du cristal, de l'autre il est accéléré. Il y a un phénomène de dégénérescence, c’est-à-dire que pour un même vecteur d'onde, l'électron peut avoir des énergies différentes. La courbe parabolique correspondant à l'électron libre E \propto k^2 se retrouve donc « brisée » au niveau des valeurs de k correspondant au cristal, ce qui fait que certaines énergies deviennent inaccessibles. On appelle ces zones des bandes interdites (ou gap) car les énergies correspondantes ne peuvent être atteintes par les électrons. Pour résumer, c'est un phénomène d'interférence entre l'onde de l'électron et le champ électrique du réseau cristallin qui explique la formation des bandes interdites. Le calcul des fonctions d'onde des électrons dans le cristal est formalisé grâce aux fonctions de Bloch. Le diagramme de bandes est séparé horizontalement en différentes zones appelées zones de Brillouin, correspondant à la fréquence de périodicité du cristal. Toutes les zones sont en général représentées repliées sur la première, les vecteurs d'ondes des électrons étant définis à un vecteur du cristal près (phénomène analogue au repliement de spectre lors d'un échantillonnage).

Les éléments de la colonne IV (C, Si, Ge, Sn, Pb) possèdent une structure électronique de type (.s², .p²), et peuvent former des orbitales σ et π liantes et antiliantes. Lorsque ces atomes forment un réseau cristallin, l'énergie des orbitales liantes tend à diminuer, alors que celle des orbitales antiliantes augmente (en fonction de la distance inter-atomique). En parallèle, les niveaux d'énergie correspondant aux orbitales tendent à s'étaler autour d'un niveau moyen, un phénomène dû à l'interaction des orbitales ; on parle alors de bandes d'énergie plutôt que de niveaux.

La bande correspondant à l'étalement de l'orbitale σ antiliante est appelée bande de conduction ; la bande correspondant à l'étalement de l'orbitale π liante est appelée bande de valence.

Tant que l'énergie de la bande de conduction est inférieure ou comparable à celle de la bande de valence, des électrons peuvent circuler librement dans le cristal : le solide est conducteur. C'est le cas du magnésium (Mg). D'autres métaux comme le cuivre (Cu) ont des états vides dans la bande de valence. Dans cette situation, les électrons de la bande de valence peuvent conduire l'électricité en se déplaçant entre ces états et le matériau est là aussi bon conducteur.

Si, en revanche, l'énergie de la bande de valence devient inférieure à celle de la bande de conduction (lorsque les dimensions de la maille cristalline diminuent), les électrons vont peupler tous les niveaux liants : le solide devient isolant au zéro absolu. La différence d'énergie entre la bande de conduction et la bande de valence est appelée gap du matériau.

Si le gap est très important par rapport à l'énergie thermique ( > 200kT), quasiment aucun électron ne peuple la bande de conduction : le matériau est isolant. À la température ambiante kT= 26 meV (milliélectron-volt), cela signifie qu'avec un gap de 5 eV on a affaire à un bon isolant. Pour le silicium, le gap vaut 1,12 eV et même pour un matériau intrinsèque, la bande de conduction contient quelques électrons produits par génération thermique qui suffisent à assurer une conduction minimale (résistivité de l'ordre de 3.105Ω.cm) : le matériau est dit semi-conducteur.

[modifier] Niveau de Fermi

Distribution de Fermi-Dirac. μ note le potentiel chimique (qui est ici le niveau de Fermi) et le taux d'occupation des états
Distribution de Fermi-Dirac. μ note le potentiel chimique (qui est ici le niveau de Fermi) et \overline{n} le taux d'occupation des états

Les électrons sont des fermions, des particules ne pouvant partager à plusieurs un même état, conformément au principe d'exclusion de Pauli. Ils suivent donc une statistique de Fermi-Dirac et le taux d'occupation des états pour une énergie E s'écrit sous la forme :

f(E) = \frac {1} {1 + e^{\frac {(E - E_f)} {kT}}}

La valeur Ef s'appelle Énergie de Fermi. C'est l'énergie maximale des états occupés par les électrons au zéro absolu. Sa valeur dépend du nombre d'électrons de valence et de la densité d'états accessibles ; elle est donc caractéristique du matériau. Dans les semi-conducteurs, le niveau correspondant à cette énergie (le niveau de Fermi) se trouve dans le gap. Cela a pour conséquence qu'à 0 K, la bande de valence est pleine tandis que la bande de conduction est vide. Lorsque la température augmente, certains électrons sont capables de dépasser le niveau de Fermi et donc d'atteindre la bande de conduction.

Quand un électron est excité vers la bande de conduction, il laisse derrière lui un état vide (un trou) dans la bande de valence, correspondant à un électron manquant dans l'une des liaisons covalentes entre atomes. Sous l'influence d'un champ électrique, un électron de valence voisin peut se déplacer à la place de l'électron manquant, déplaçant du même coup cette place. Ce trou est alors capable de se déplacer à travers le matériau et donc de conduire l'électricité. Les électrons et les trous sont désignés sous le nom de porteurs de charge.

Les trous sont considérés comme des particules de charge opposée à celle des électrons (1,602×10−19 C). En présence d'un champ électrique, des électrons et des trous se déplacent dans des directions opposées. Les électrons sont plus mobiles que les trous et donc conduisent mieux l'électricité. Ce mouvement de conduction résulte de la superposition de deux champs électriques : le champ électrique appliqué par l'extérieur et le champ électrique périodique résultant de la structure du cristal. Comme ce dernier est malaisé à calculer exactement, il est remplacé par une contribution globale, qui revient à modifier la masse des porteurs ; on parle alors de masse effective. Au voisinage du minimum de la bande de conduction, la masse effective est une fonction de la dérivée seconde du profil d'énergie de la bande (approximation parabolique).

Du fait du caractère exponentiel de la distribution de Fermi-Dirac, la concentration en porteurs dépend fortement de la température. Augmenter celle-ci conduit à augmenter le nombre de porteurs et accroît donc la conductivité, à la différence de la plupart des conducteurs qui tendent à être moins conducteurs à haute température. Ce principe est utilisé dans les thermistors.

Du fait des propriétés de symétrie du réseau cristallin, les niveaux d'énergie des bandes ne sont pas égaux dans toutes les directions : il existe des axes de conduction privilégiés. Les semi-conducteurs où la direction correspondant au maximum d'énergie de la bande de valence et celle correspondant au minimum de la bande de conduction coïncident sont dits à gap direct (cas, par exemple de AsGa) ; les autres (Si) sont dits à gap indirect.

[modifier] Notion de gap direct, gap indirect

La famille des matériaux semi-conducteur, isolant à bande interdite de l'ordre de 1eV, peut être caractérisée par deux familles. Les matériaux à gap direct, comme la plupart des composés issues des colonnes III et V du tableau périodique des éléments chimiques et les matériaux à gap indirect comme le silicium (colonne IV).

La notion de gap direct et indirect est liée à la représentation de la dispersion énergétique d'un semi-conducteur: Diagramme E (Energie) - k (Vecteur d'onde). Ce diagramme permet de définir spatialement les extrema des bandes de conduction et de valence. Ces extrema représentent, dans un semi-conducteur à l'équilibre, des domaines énergétiques où la densité de porteurs type p pour la bande de valence et type n pour la bande de conduction sont importantes.

On parle de semi-conducteur à gap direct, pour un semi-conducteur dont le maximum de la bande de valence et le minimum de la bande de conduction se situent à valeur voisine du vecteur d'onde k sur le diagramme E(k). On parle de semi-conducteur à gap indirect, pour un semi-conducteur dont le maximum de bande de valence et le minimum de la bande de conduction se situe à des valeurs distinctes du vecteur d'onde k sur le diagramme E(k).

Dans le cadre des applications en émetteur de lumière (interaction lumière/matière), on privilégie les matériaux à gap direct. Leurs extremums de bandes étant situé à des valeurs de k semblables, les probabilités de recombinaisons radiatives des porteurs est plus importante ( cf. rendement quantique interne) car elles sont en accord avec le principe de conservation de la quantité de mouvement et donc du vecteur d'onde k.

[modifier] Caractéristique spécifique aux matériaux à gap direct

Dans le domaine de l'optoélectronique, un paramètre essentiel à la compréhension des phénomènes de générations / recombinaisons de porteurs, est la notion de coefficient d'absorption. Celui-ci a deux caractères communs à l'ensemble des semi-conducteurs à gap direct. Il présente tout d'abord un comportement assimilable en première approximation à une marche d'escalier. Ainsi pour une énergie incidente inférieure à l'énergie de bande interdite, le matériau est "transparent" au rayonnement incident, et le coefficient d'absorption est très faible. A partir d'une valeur proche de l'énergie de bande interdite, ce coefficient présente une valeur constante aux alentour de α ≈ 10⁴cm -1. On parle ainsi de seuil d'absorption optique.

[modifier] Dopage et semi-conduction intrinsèque

La formation des bandes interdites étant due à la régularité de la structure cristalline, toute perturbation de celle-ci, qu'elle soit causée par un défaut dans la structure du cristal ou par une impureté chimique tend à rendre « perméable » le gap en y créant des états accessibles. Cette propriété est couramment utilisée pour contrôler les propriétés des matériaux semi-conducteurs en y implantant des atomes bien choisis appelés dopants (Voir aussi l'article détaillé Dopage (semi-conducteur)).

[modifier] Semi-conduction intrinsèque

Un semi-conducteur est dit intrinsèque lorsqu'il est pur. Il n'a pas été dopé et son comportement électrique ne dépend que de la structure électronique du matériau. Ce comportement correspond à un semi-conducteur parfait, c'est à dire sans défaut structurel ou impureté chimique. Un semi-conducteur réel n'est jamais parfaitement intrinsèque mais peut parfois en être proche comme le silicium monocristallin pur.

Les porteurs sont tous créés par génération thermique, c’est-à-dire en excitant des électrons dans la bande de conduction grâce à une hausse de la température. En conséquence, un nombre égal d'électrons et de trous est créé. Le niveau de Fermi se situe, en bonne approximation, au mileu du gap. À l'équilibre et au zéro absolu, la bande de valence est occupée complètement par les électrons (pas de trous) tandis que la bande de conduction est vide.

Ces semi-conducteurs ne conduisent pas, ou très peu, le courant, excepté si on les porte à haute température.

Dans un semi-conducteur intrinsèque, les densités d'électrons (n) et de trous (p) sont égales et valent ni :

n_i^2=N_c.N_v.e^{-\frac{E_G}{kT}},

où

[modifier] Dopage de type N

Les semi-conducteurs de type N sont appelés semi-conducteurs extrinsèques. Le but d'un dopage N est de produire un excès d'électrons porteurs dans le semi-conducteur. Afin de comprendre comment un tel dopage s'effectue, considérons le cas du silicium (Si). Les atomes de Si ont quatre électrons de valence, chacun étant lié à un atome Si voisin par une liaison covalente. Si un atome ayant cinq électrons de valence, comme ceux du groupe V (VA) de la table périodique (par exemple, le phosphore (P), l'arsenic (As) ou l'antimoine (Sb)), est incorporé dans le réseau cristallin, alors cet atome présentera quatre liaisons covalentes et un électron libre. Cet électron, qui n'est pas un électron de liaison, n'est que faiblement lié à l'atome et peut être facilement excité vers la bande de conduction. Aux températures ordinaires, quasiment tous ces électrons le sont. Comme l'excitation de ces électrons ne conduit pas à la formation de trous dans ce genre de matériau, le nombre d'électrons dépasse de loin le nombre de trous. Les électrons sont des porteurs majoritaires et les trous des porteurs minoritaires. Et parce que les atomes à cinq électrons ont un électron supplémentaire à « donner », ils sont appelés atomes donneurs. Les matériaux ainsi formés sont appelés semi-conducteurs de type N parce qu'ils contiennent un excès d'électrons négativement chargés.

[modifier] Dopage de type P

Les semi-conducteurs de type P sont également des semi-conducteurs extrinsèques. Le but d'un dopage P est de créer un excès de trous. Dans ce cas, un atome trivalent, généralement un atome de bore, est substitué à un atome de silicium dans le réseau cristallin. En conséquence, il manque un électron pour l'une des quatre liaisons covalentes des atomes de silicium adjacents, et l'atome peut accepter un électron pour compléter cette quatrième liaison, formant ainsi un trou. Quand le dopage est suffisant, le nombre de trous dépasse de loin le nombre d'électrons. Les trous sont alors des porteurs majoritaires et les électrons des porteurs minoritaires sont appelés accepteurs.

[modifier] Jonction P-N

Jonction PN en polarisation directe
Jonction PN en polarisation directe
Jonction PN en polarisation inverse
Jonction PN en polarisation inverse

Une jonction P-N est créée par la mise en contact d'un semi-conducteur dopé N et d'un semi-conducteur dopé P. La jonction entraine l'égalisation des niveaux de Fermi par décalage des bandes. Si l'on applique une tension positive du côté de la région P, les porteurs majoritaires positifs (les trous) sont repoussés vers la jonction. Dans le même temps, les porteurs majoritaires négatifs du côté N (les électrons) sont attirés vers la jonction. Arrivés à la jonction, soit les porteurs se recombinent (un électron tombe dans un trou) en émettant un photon éventuellement visible (LED), soit ces porteurs continuent leur course au travers de l'autre semi-conducteur jusqu'à atteindre l'électrode opposée : le courant circule, son intensité varie en exponentielle de la tension. Si la différence de potentiel est inversée, les porteurs majoritaires des deux côtés s'éloignent de la jonction, bloquant ainsi le passage du courant à son niveau. Ce comportement asymétrique est utilisé notamment pour redresser le courant alternatif.

La jonction P-N est à la base du composant électronique nommé diode, qui ne permet le passage du courant électrique que dans un seul sens. De manière similaire, une troisième région peut être dopée pour former des doubles jonctions N-P-N ou P-N-P qui forment les transistors bipolaires. Dans ce cas-là, les deux semi-conducteurs de même type sont appelés l' émetteur et le collecteur. Le semi-conducteur situé entre l'émetteur et le collecteur est appelé la base, et a une épaisseur de l'ordre du micromètre. Lorsqu'on polarise la jonction émetteur-base en direct, celle-ci est passante alors que la jonction base-collecteur est bloquée. Cependant la base est assez fine pour permettre aux nombreux porteurs majoritaires injectés depuis l'émetteur (fortement dopé) de la traverser avant d'avoir le temps de se recombiner. Ils se retrouvent ainsi dans le collecteur, produisant un courant contrôlé par la tension de base.


[modifier] Entreprises

Les principales entreprises de production de composant en semi-conducteurs présentes en France sont :

Le top 10 par importance des ventes en 2006 :

  1. Intel . 31 580 M$ (-11% par rapport à 2005)
  2. Samsung : 19 475 (+9%)
  3. Texas Instruments : 13 870 (+23%)
  4. Toshiba : 10 030 (+11%)
  5. STMicroelectronics 9 930 (+12%)
  6. TSMC : 9 715 (+18%)
  7. Renesas : 8 170 (-1%)
  8. Hynix : 7 375 (+32%)
  9. NXP : 6 365 (+14%)
  10. Freescale : 6 080 (+9%)

Source : Électronique international du 30 novembre 2006

[modifier] Voir aussi

Variable range hopping

[modifier] Domaines englobants

[modifier] Sous-domaines

[modifier] Concepts

[modifier] Liens externes