Les semi-conducteurs

Processeurs, mémoires, LED, panneaux solaires, capteurs d’appareils photo, lasers de lecteurs : toutes ces technologies reposent sur une famille de matériaux aux propriétés électriques singulières, les semi-conducteurs. Leur conductivité peut être modifiée par l’ajout d’infimes quantités d’impuretés, par la lumière, la température ou une tension électrique. C’est cette possibilité de contrôler le courant qui a rendu possible l’électronique moderne.

Conducteurs, isolants, semi-conducteurs : la théorie des bandes

La mécanique quantique montre que, dans un solide, les électrons ne peuvent occuper que certaines plages d’énergie, appelées bandes. Deux bandes comptent :

• la bande de valence, occupée par les électrons liés aux atomes ;
• la bande de conduction, où les électrons sont libres de se déplacer et de porter un courant.

Elles sont séparées par une bande interdite (gap), une plage d’énergie qu’aucun électron ne peut avoir.

Dans un semi-conducteur, l’agitation thermique ou un photon suffisamment énergétique peut faire passer un électron de la bande de valence à la bande de conduction. Il laisse derrière lui une place vacante, un trou, qui se comporte comme une charge positive mobile. Le courant est porté à la fois par les électrons et par les trous.

Le dopage : maîtriser la conductivité

Le silicium pur conduit très mal. On le dope en y introduisant, à raison d’environ un atome pour un million à un milliard, des atomes d’un autre élément (voir tableau périodique).

Le silicium possède quatre électrons de valence, qui forment quatre liaisons avec ses voisins. Un atome de phosphore en apporte un cinquième, libre de circuler ; un atome de bore n’en apporte que trois et crée un trou.

La jonction PN et la diode

En accolant une zone dopée P et une zone dopée N, on obtient une jonction PN. À l’interface, électrons et trous se recombinent et créent une zone vide de porteurs, qui agit comme une barrière.

• Sous une tension dans un sens (polarisation directe), la barrière s’abaisse : le courant passe.
• Dans l’autre sens (polarisation inverse), elle s’élargit : le courant est bloqué.

C’est le principe de la diode, qui ne laisse passer le courant que dans un sens. Les diodes servent à redresser le courant alternatif en courant continu dans tous les chargeurs (voir courant alternatif et continu).

Les grandes applications

Le transistor et les puces

Le transistor, inventé en 1947 aux laboratoires Bell, utilise deux jonctions ou un effet de champ pour qu’un petit signal commande un grand courant : il amplifie ou fonctionne comme un interrupteur. Gravés par milliards sur une puce de silicium, les transistors forment les circuits intégrés : processeurs, mémoires, puces de téléphones. Les processeurs les plus avancés comptent des dizaines de milliards de transistors, avec des motifs de quelques nanomètres.

La LED

Dans une diode électroluminescente, chaque électron qui se recombine avec un trou libère son énergie sous forme d’un photon. La couleur dépend de la bande interdite du matériau : arséniure de gallium pour l’infrarouge, phosphure de gallium et d’aluminium pour le rouge, nitrure de gallium et d’indium pour le bleu. La LED bleue efficace, mise au point au début des années 1990, a valu le prix Nobel de physique 2014 à Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura ; elle a permis les LED blanches d’éclairage.

Le panneau solaire

La cellule photovoltaïque fonctionne à l’inverse de la LED : un photon absorbé crée une paire électron-trou, que le champ de la jonction PN sépare, ce qui produit un courant. C’est une application de l'effet photoélectrique interne. Les cellules au silicium commercialisées ont un rendement d’environ 20 à 24 %.

Les capteurs d’images

Les capteurs CCD et CMOS des appareils photo et des téléphones contiennent des millions de photodiodes : chaque pixel convertit la lumière reçue en charge électrique, mesurée puis numérisée.

L’électronique de puissance

Le carbure de silicium et le nitrure de gallium, à large bande interdite, supportent des tensions et des températures plus élevées : ils équipent les chargeurs rapides, les onduleurs solaires et les moteurs des voitures électriques.

Les matériaux semi-conducteurs

Le silicium domine parce qu’il est très abondant (deuxième élément de la croûte terrestre après l’oxygène, extrait du sable de quartz), qu’on sait le purifier à plus de 99,9999999 % et qu’il forme naturellement un excellent isolant, la silice, utilisé dans les transistors.

Une fabrication extrêmement exigeante

Les puces sont fabriquées dans des salles blanches à partir de plaquettes (wafers) de silicium monocristallin de 300 mm de diamètre. Des centaines d’étapes de dépôt, de dopage et de photolithographie gravent les circuits. Les machines de lithographie les plus avancées utilisent l’ultraviolet extrême, de longueur d’onde 13,5 nm. Cette industrie est concentrée dans quelques pays, ce qui en fait un enjeu stratégique majeur.

Questions fréquentes

Pourquoi dit-on « semi » conducteur ?

Parce que sa conductivité est intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants. Mais l’essentiel est ailleurs : elle peut être modifiée et contrôlée par le dopage, la lumière, la température ou une tension.

Pourquoi utilise-t-on le silicium ?

Il est abondant, bon marché, facile à purifier, possède une bande interdite adaptée à l’électronique et forme un oxyde isolant stable, la silice, indispensable à la fabrication des transistors.

Qu’est-ce que le dopage d’un semi-conducteur ?

C’est l’introduction contrôlée d’atomes étrangers en très faible quantité pour augmenter le nombre de porteurs de charge : des électrons en excès (dopage N) ou des trous (dopage P).

Quelle différence entre une diode et un transistor ?

Une diode ne laisse passer le courant que dans un sens. Un transistor permet à un petit courant ou une petite tension de commander un courant plus grand : il amplifie ou commute.