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LE SILICIUM UN ÉLÉMENT CLEF...
UN SEMI CONDUCTEUR
Un semi-conducteur, comme le silicium, c’est un matériau qui n’est ni tout à fait un conducteur d’électricité, ni tout à fait un isolant. Il peut être soit l’un, soit l’autre selon diverses conditions.
Le caractère conducteur ou isolant prend sa source dans la structure même des atomes : chaque élément du tableau périodique possède un certain nombre d’électrons qui sont organisés en bandes autour d’un noyau. Cet agencement
est responsable de la conductivité électrique.
Les schémas montrant les électrons en orbites autour des noyaux d'atomes sont une simplification.
Animation de l'onde de l'hydrogène
Un atome peut avoir jusqu'à 7 orbitales d'électrons désignées par les lettres K à Q du niveau inférieur au niveau supérieur.
Chaque orbitale peut recevoir un maximum d'électrons ainsi répartis :
-
K maximum 2
-
L max 8
-
M max 18
-
N max 32
-
O max 32
-
P max 18
-
Q max 8
La couche K est la seule couche électronique commune à tous les éléments. Ainsi, le nombre de couches électroniques d'un atome dépend du nombre d'électrons de cet atome. Mais la capacité des couches électroniques d'un atome ne laisse pas présager de la répartition par couche de ses électrons. En effet, seuls les 18 premiers éléments chimiques du tableau périodique (de l'hydrogène [Z = 1] à l'argon [Z = 18] suivent un remplissage linéaire tendant vers la saturation de leurs couches électroniques (K, L et M).
Les électrons d’un atomes peuvent avoir plusieurs rôles au sein d’une structure d’atomes :
-
électrons de cœur : qui sont proche du noyau et n’interagissent quasiment pas avec les autres atomes ;
-
électrons de valence : qui sont sur les couches externes de l’atome et permettent de créer des liaisons interatomiques et de former les molécules ;
-
électrons de conduction : ceux-ci sont responsables de la circulation du courant électrique.
On peut schématiser l’ensemble sous la forme de couches.
Sur le schéma ci-dessous on a représenté les couches d’électrons de valence et d’électrons de conduction :
On voit que dans un métal, certains électrons sont à la fois dans la bande de valence et dans la bande de conduction. Cela signifie qu’un métal peut conduire le courant sans autre forme de traitement physico-chimique.
Dans un isolant, par contre, les deux bandes sont séparées par un espace appelé « bande interdite » : cela signifie que les électrons ne peuvent pas s’y trouver. Dans le cas des isolants, les électrons externes sont tous dans la bande de valence et aucun ne se trouve dans la bande de conduction : ces matériaux ne peuvent donc pas conduire l’électricité.
Enfin, dans le cas des semi-conducteurs, au milieu, il existe une bande interdite aussi, mais cette dernière est très fine. Il suffit d’une petite excitation pour que les électrons de valence puissent migrer dans la bande de conduction et ainsi rendre le semi-conducteur… conducteur.
Un semi-conducteur est donc un isolant qui devient conducteur en excitant les électrons de valence.
Pour ce faire il y a 3 possibilités :
-
chauffer le silicium ;
-
éclairer le silicium ;
-
soumettre le silicium à une tension électrique définie.
Exemple : si on éclaire une plaque photovoltaïque, la plaque devient conductrice et on crée un courant électrique : c’est l’effet photoélectrique.
On dispose donc ici d’une fonction bien intéressante : c’est un isolant qui devient conducteur quand on l’éclaire.
Dans un processeur d’ordinateur, c’est une tension électrique minimale qui permet de rendre le semi-conducteur isolant en dessous et conducteur au dessus.
"C’est ce principe très simple qui est à la base de toute l’informatique."
Le dopage
Il existe une bande interdite dans la structure des semi-conducteurs et des isolants. Celle du semi-conducteur est étroite, les électrons peuvent la franchir si on leur donne l’énergie nécessaire. Plus cette bande est faible, plus l’énergie nécessaire est petite. Cette caractéristique est intéressante à deux points de vue :
-
économique en énergie
-
au plan technique
Dans un cristal de silicium (le plus commun des semi-conducteurs à ce jour), il faut une énergie de 1,12 eV (soit 1,79×10^−19 J) pour placer un électron de valence dans la bande de conduction. Bien que ce soit une énergie très faible, elle est encore trop forte pour l'usage actuel des semi-conducteur..
Le dopage, est la technique qui modifier l’énergie nécessaire pour rendre le semi-conducteur plus ou moins conducteur. elle consiste à introduire des atomes spécifiques dans les cristaux de silicium pour le rendre plus ou moins conducteur
Le silicium possède 4 électrons de valence : dans le cristal, l'atome se lie donc de façon tétraédrique à 4 autres atomes de silicium :
Structure cristalline du silicium (source Wikimédia)
Il faudra donc remplacer certains atomes de silicium par d’autres atomes, afin de modifier la structure des bandes de conduction.
Il y a deux méthodes antagonistes pour doper le silicium, l’une apporte un électron en plus au cristal semi-conducteur et l’autre en retire un.
Pour rendre la bande de valence négative il suffit d'introduire un atome possédant 5 électrons de valence, c'est le dopage Négatif N. Le plus souvent on utilise le phosphore (P), celui-ci possédant aussi un proton en plus le cristal restera neutre, seule la bande de valence sera négative.
Pour rendre la bande de valence positive on effectuera un dopage au bore (B), qui n’a que 3 électrons de valence, une des liaisons manquera, le cristal sera donc Positif P (puisqu'il manque une charge négative). Le bore ayant un proton en moins restera neutre, seule la bande de valence sera positive.
Dopages N (avec l’électron en trop) et P (avec le déficit d’électron)
-
Grâce au dopage N, le silicium devient un peu plus conducteur : en effet, l’introduction du phosphore a pour effet de déplacer la bande de conduction vers le bas : les électrons du silicium sont donc plus rapidement conducteurs.
-
Grâce au dopage P, le silicium devient également un peu plus conducteur : le bore apporte certes « un trou d’électrons », mais ce dernier peut recevoir un électron voisin qui laisse alors un trou derrière lui. Le trou s’est alors déplacé et ceci constitue bien un sorte de déplacement de charges (« virtuellement » positive) et augmente donc la conductivité du matériau également.
Le silicium n’est pas le seul semi-conducteur existant. Le germanium (Ge), fut le premier utilisé et il en existe beaucoup d'autres. Le silicium est utilisé principalement parce qu’il est très abondant, 27,69% de la croûte terrestre (souce lenntech www.lenntech.fr ), et qu'il est simple à extraire et à utiliser.
