Semi-conducteur

Une page de Vikidia, l’encyclopédie junior
Aller à la navigation Aller à la recherche

Un semi-conducteur est d'abord un matériau qui pur et à basse température est un isolant électrique, mais avec des électrons qui peuvent facilement devenir libres et le rendre conducteur, par exemple en le chauffant ou avec des impuretés, Donc pratiquement il n'est ni vraiment conducteur de l'électricité, ni vraiment isolant.

Historique[modifier | modifier le wikicode]

Autrefois des cristaux de sulfure de plomb (galène ), semi-conducteurs, avaient des conductivités peu reproductibles variables suivant l'endroit précis où on plaçait un fil pointu de métal conducteur électrique comme du cuivre ou de l'argent, car les impuretés dans le cristal pas contrôlées du tout changeaient la conductivité.

De plus le contact était une diode ne laissant passer le courant que dans un seul sens. Cette propriété de diode a été découverte par Karl Ferdinand Braun en 1874 très tôt. Karl Ferdinand Braun a aussi dans les années 1898 à 1915 découvert des principes et méthodes de base pour l'émission et la réception des ondes radio, qui lui ont valu le prix Nobel en 1090, méthodes toujours utiles dans nos téléphones portables.

Ce type de diode de Karl Ferdinand Braun a été utilisée dans les premiers postes radio à galène, avec peine, car il fallait bien choisir le point sur la galène qui redressait le courant électrique pour entendre l'émission radio.

Dans les années 1920 à 1950 on a réussi à purifier les cristaux semi-conducteurs avec très peu d'impuretés ( bien moins qu'une impureté par million d'atomes ), et donc ils sont devenus très utiles en contrôlant leurs impuretés par dopage précis qui déterminent leurs propriétés indispensables pour réaliser les transistors.

La compréhension physique des semi-conducteurs demande la connaissance de la mécanique quantique ( établie vers 1927 ) qui explique quantitativement les métaux, les isolants et les semi-conducteurs à la limite entre métal et isolant.

Bases physiques[modifier | modifier le wikicode]

En premier, les électrons des métaux et isolants sont des fermions avec une fonction d'onde quantique qui change de signe lorsqu'on permute deux électrons. Aussi si deux électrons ont la même fonction d'onde, elle garde la même valeur et le même signe dans une permutation de deux électrons, et donc il est impossible d'avoir deux électrons dans le même état avec la même fonction d'onde. Il s'agit du principe d'exclusion de Fermi.

Il explique les métaux, car les électrons sont empilés dans des états différents avec des énergies croissantes des ondes quantiques du métal, jusqu'à l'état le plus haut en énergie, appelé niveau de Fermi du métal. A ce niveau élevé en énergie cinétique, les électrons se déplacent très vite et donc la conductivité du métal est très bonne, avec ces électrons très rapides.

Cependant lorsqu'on calcule les états électroniques avec l'Équation de Schrödinger avec les noyaux atomiques qui attirent les électrons dans un réseau cristallin de noyaux d'atomes, on obtient des bandes d'énergie possibles séparées par des bandes interdites d'énergie ( théorie des bandes, propriété mathématiques en particulier des transformées de Fourier ).

Un métal a une bande pas pleine avec un niveau de Fermi qui le rend conducteur avec des électrons très rapides.

Un isolant a une ou plusieurs bandes complètement pleines et un niveau de Fermi sans électrons dans une bande interdite avec une grande séparation en énergie entre la bande pleine et celle vide de bien plus haute énergie. Sans électrons libres ce corps est isolant.

structure de bandes métal semi-conducteur isolant

Un semi-conducteur est un isolant avec la bande interdite de faible largeur en énergie.

Aussi les électrons de la bande isolante peuvent facilement sauter de la bande pleine, en y laissant un trou (manque positif d'un électron ) et en se déplaçant dans la bande vide, ce qui rend le semi-conducteur un peu conducteur.

Ce saut peut être provoqué par le température qui en croissant augmente la conductivité avec plus d'électrons qui ont sauté.

Ce saut peut être provoqué par des impuretés contrôlées et précises qui rend les semi-conducteurs conducteurs.

Le dopage par impuretés avec trop d'électrons, comme un peu de phosphore dans le silicium, crée un conducteur N = négatif avec des électrons en excès.

Le dopage avec impuretés avec pas assez d'électrons, comme un peu de Bore dans le silicium, donne un conducteur P = positif de trous ( ou manque d'électrons qui est donc positif ) qui se déplacent dans la bande presque pleine.

Diode[modifier | modifier le wikicode]

La jonction entre N et P forme une diode qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens.

diode PN dans le sens direct conducteur

Lorsque le côté P est relié à une source de tension négative - , les trous positifs du semi-conducteur P sont attirés vers cette borne négative loin de la jonction PN et pareil pour les électrons négatifs du côté N attirés vers le côté positif selon la figure et donc aucune charge mobile ne traverse la jonction PN en sens inverse qui ne laisse passer aucun courant.

Dans le sens direct positif P vers négatif N, les charges électrons N attirées vers la jonction traversent la jonction NP, et inversement pour les trous positifs de P. Cette diode conduit de P positif à N négatif.

Transistor[modifier | modifier le wikicode]

diode PN dans le sens inverse isolant non conducteur

La structure NPN ( ou PNP ) avec deux jonctions et deux diodes en sens opposées forme un transistor bipolaire, découvert en 1947 et développé les années suivantes, surtout après la mise au point de semi-conducteurs ultra purs vers 1950, conditions indispensables pour obtenir des transistors reproductibles, au lieu de résultats au hasard des impuretés résiduelles, comme pour le poste à galène.

La couche fine de semi-conducteur P ( environ un micron ) appelée base coincée entre les deux semi-conducteurs N du transistor NPN forme une jonction conductrice vers l'émetteur N très conducteur et une jonction isolante vers le collecteur N du transistor. Les charges électrons de l'émetteur N sur leur lancée vers la base traversent la base P de fine épaisseur en étant injectées dans le collecteur N. Une très petite partie seulement de ce courant à travers la base P est stoppée par la fine base, avec une petite proportion constante du courant total.

Alors ce petit courant de base contrôle le courant du transistor entre émetteur et collecteur, un peu comme une robinet qui contrôle le débit dans un tuyau d 'eau.

Développement industriel[modifier | modifier le wikicode]

Ces matériaux permettent de construire des composants électroniques, qui sont à la base de toute l'électronique que nous utilisons chaque jour, comme les puces des téléphones mobiles, ordinateurs, automobiles, etc...

Les progrès technologiques ont été immenses pour réaliser des milliards de transistors sur des monocristaux ultra purs de semi-conducteurs dans des usines très complexes à l'abri de la moindre poussière ou impuretés.

Il est devenu impossible de vivre sans toute cette électronique qui donc a une importance économique gigantesque et stratégique.

Les principaux semi-conducteurs sont :

Quelques données économiques[modifier | modifier le wikicode]

Les principaux fabricants de semi-conducteurs en 20201
Entreprise Pays Chiffre d'affaires

(en milliards de dollars)

Entreprise Pays Chiffre d'affaires

(en milliards de dollars)

1 Intel USA 73,9 9 Texas Instruments USA 13,1
2 Samsung Corée du Sud 60,5 10 Infineon Allemagne 11,1
3 TSMC TaIwan 45,4 11 MediaTek Taïwan 10,8
4 SK Hynics Corée du Sud 26,5 12 Kioxia Japon 10,7
5 Micron USA 21,6 13 Apple USA 10
6 Qualcomm USA 19,4 14 ST Micorelectronics France/Italie 9,9
7 Broadcom USA 17,1 15 AMD USA 9,5
8 Nvidia USA 15,9

Le commerce mondial de semi-conducteurs[modifier | modifier le wikicode]

En 2022, les Etats-Unis produisent 12 % des semi-conducteurs du monde entier2.

Liens externes[modifier | modifier le wikicode]

Diode et semi-conducteurs - labosim.net

Portail des techniques — Tous les articles sur les moyens de transport, l'informatique, les outils et les matériaux…

Sources[modifier | modifier le wikicode]

  1. IC Insights, cité par Courrier International n°1590, 22-28 avril 2021, p. 32
  2. La lettre tech, journal états-unien The Washington Post, cité par Courrier International, webletter 16 août 2022