Qu'est-ce qu'un semi-conducteur ?

Un semi-conducteur est un matériau qui contrôle les courants électriques, ce qui en fait un composant essentiel de la plupart des appareils électroniques modernes. Ce sont les puces informatiques et les microcontrôleurs qui alimentent les smartphones, les ordinateurs et les téléviseurs.

Les propriétés uniques des semi-conducteurs les positionnent entre les matériaux hautement conducteurs (comme le cuivre ou l'aluminium) et les non-conducteurs (comme le caoutchouc ou le verre). Le plus souvent constitué de silicium, de germanium et d'arséniure de gallium, le matériel semi-conducteur permet la libre circulation du courant ou le repousse complètement.

Les semi-conducteurs sont des matériaux qui peuvent contrôler le flux d'électricité davantage que les isolants (non-conducteurs), mais moins que les conducteurs. Ils sont utilisés dans de nombreux appareils électroniques, notamment les ordinateurs et les smartphones.

"Chaque appareil électronique qui se branche sur un mur ou utilise une batterie contient des semi-conducteurs", a déclaré à Built In Mike Pienovi, directeur général des unités de microcontrôleurs Sitara chez Texas Instruments.

Il est difficile d’exagérer l’omniprésence des semi-conducteurs : les diodes, les puces et les transistors sont tous des dispositifs fabriqués à partir de ceux-ci.

"Les semi-conducteurs sont présents dans un large éventail de marchés tels que l'industrie, l'automobile, l'électronique personnelle, les équipements de communication et les systèmes d'entreprise", a ajouté Pienovi. « Ces puces constituent un élément crucial de la technologie actuelle, affectant presque tous les aspects de notre vie. »

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La capacité d'un semi-conducteur à conduire l'électricité dépend du mouvement et de l'interaction entre ses deux porteurs de courant : les électrons libres et les trous (qui représentent l'absence d'électron).

"Pour comprendre le fonctionnement des semi-conducteurs", selon le chimiste titulaire d'un doctorat Andrew Stapleton, créateur de contenu chez Academia Insider, "vous devez connaître les bandes d'énergie".

Stapleton l'a expliqué ainsi : Dans les solides, les électrons occupent des niveaux d'énergie qui forment des bandes d'énergie. Les deux bandes d'énergie les plus importantes dans les semi-conducteurs sont la bande de valence (qui est remplie d'électrons de valence) et la bande de conduction (qui est en grande partie vacante).

À mesure que l’énergie thermique est appliquée au matériau semi-conducteur, les électrons de valence se déplacent de la bande de valence vers la bande de conduction, où ils deviennent des électrons libres. Ils laissent des espaces vides dans la bande de valence, ce qui crée des trous.

"Chez les non-conducteurs, ces bandes sont très éloignées les unes des autres", a déclaré Stapleton. "Mais dans les semi-conducteurs, ils sont suffisamment proches pour que, lorsqu'une source de chaleur est appliquée, les électrons puissent passer de la bande de valence à la bande de conduction, permettant ainsi la circulation du courant électrique."

La détermination de l'intensité de ce courant dépend de la quantité de tension appliquée, ainsi que des propriétés d'un matériau semi-conducteur (plus d'informations ci-dessous). La relation entre ces facteurs est décrite par la loi d'Ohm, qui établit qu'un courant électrique est directement proportionnel à la tension appliquée mais inversement proportionnel à la résistance d'un matériau.

La résistance peut cependant être manipulée afin de mieux contrôler le flux des courants électriques. Dans un processus appelé dopage, le nombre de porteurs de courant peut être augmenté en ajoutant des impuretés à un matériau. En augmentant le nombre d’électrons libres ou de trous, une majorité est créée parmi les porteurs de courant, ce qui se traduit par une conductivité plus forte.

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Les semi-conducteurs intrinsèques sont des matériaux purs, à savoir le silicium et le germanium, qui possèdent une capacité naturelle à conduire l'électricité au contact d'un élément chauffant. Toutefois, en l’état, ces matériaux non dopés ne conduisent pas très bien les courants électriques.

Dans les semi-conducteurs intrinsèques, le nombre d’électrons libres dans la bande de conduction sera toujours égal au nombre de trous dans la bande de valence. Cette faible concentration de porteurs de courant – électrons libres et trous – entraîne une mauvaise conductivité à température ambiante. L'amélioration de leur conductance dépend fortement d'une source d'énergie thermique externe, telle que la tension.