1. Propriétés des semi-conducteurs

Bande d’énergie

Un atome est constitué d’un noyau et d’électrons en orbite autour du noyau.
Les électrons ne peuvent pas orbiter autour du noyau à n’importe quelle distance dans l’espace atomique entourant le noyau, mais seules certaines orbites très spécifiques sont autorisées et n’existent que dans des niveaux discrets spécifiques. Ces énergies sont appelées niveaux d’énergie. Un grand nombre d’atomes se rassemblent pour former un cristal et interagissent dans un matériau solide, puis les niveaux d’énergie sont devenus si rapprochés qu’ils forment des bandes. C’est la bande d’énergie.
Les métaux, les semi-conducteurs et les isolants se distinguent les uns des autres par leurs structures de bandes. Leurs structures de bandes sont représentées sur la figure ci-dessous.

Dans les métaux, la bande de conduction et la bande de valence se rapprochent très l’une de l’autre et peuvent même se chevaucher, avec l’énergie de Fermi （e）） quelque part à l’intérieur. Cela signifie que le métal a toujours des électrons qui peuvent se déplacer librement et peuvent donc toujours transporter du courant. De tels électrons sont connus sous le nom d’électrons libres. Ces électrons libres sont responsables du courant qui traverse un métal.

Dans les semi-conducteurs et les isolateurs, la bande de cantonnière et la bande de conduction sont séparées par un écart d’énergie interdit （Eg） de largeur suffisante, et l’énergie de Fermi（Eｆ） se situe entre la bande de valence et la bande de conduction. Pour atteindre la bande de conduction, l’électron doit gagner suffisamment d’énergie pour sauter la bande interdite. Une fois cela fait, il peut conduire.

Dans les semi-conducteurs à température ambiante, la bande interdite est plus petite, il y a suffisamment d’énergie thermique pour permettre aux électrons de sauter l’écart assez facilement et d’effectuer les transitions dans la bande de conduction, étant donné la conductivité limitée du semi-conducteur. À basse température, aucun électron ne possède suffisamment d’énergie pour occuper la bande de conduction et donc aucun mouvement de charge n’est possible. Au zéro absolu, les semi-conducteurs sont des isolants parfaits, La densité des électrons dans la bande de conduction à température ambiante n’est pas aussi élevée que dans les métaux et ne peut donc pas conduire un courant aussi bon que le métal. La conductivité électrique du semi-conducteur n’est pas aussi élevée que le métal, mais pas aussi mauvaise que l’isolant électrique. C’est pourquoi, ce type de matériau est appelé semi-conducteur – signifie demi-conducteur.

La bande interdite des isolateurs est grande, de sorte que très peu d’électrons peuvent sauter l’écart. Par conséquent, le courant ne circule pas facilement dans les isolateurs. La différence entre les isolateurs et les semi-conducteurs est la taille de l’énergie de bande interdite. Dans un isolant où l’écart interdit est très important et par conséquent, l’énergie requise par l’électron pour traverser la bande de conduction est pratiquement suffisante. Les isolateurs ne conduisent pas facilement l’électricité. Cela signifie que la conductivité électrique de l’isolant est très mauvaise.

Cristal semi-conducteur utilisé pour IC etc. est un silicium monocristallin de haute pureté de 99,999999999%, mais lors de la fabrication d’un circuit, des impuretés sont ajoutées pour contrôler les propriétés électriques. En fonction des impuretés ajoutées, ils deviennent des semi-conducteurs de type n et de type p.

Du phosphore pentavalent (P) ou de l’arsenic (As) sont ajoutés au silicium de haute pureté pour les semi-conducteurs de type n. Ces impuretés sont appelées donneurs. Le niveau d’énergie du donneur est situé près de la bande de conduction, c’est-à-dire que l’écart d’énergie est faible. Ensuite, les électrons à ce niveau d’énergie sont facilement excités vers la bande de conduction et contribuent à la conductivité.

D’autre part, le bore trivalent (B) etc. est ajouté au semi-conducteur de type p. C’est ce qu’on appelle un accepteur. Le niveau d’énergie de l’accepteur est proche de la bande de valence. Comme il n’y a pas d’électrons ici, les électrons dans la bande de valence sont excités ici. En conséquence, des trous sont formés dans la bande de valence, ce qui contribue à la conductivité.