La révolution des semi-conducteurs : Introduction complète

L'évolution récente de l'électronique doit beaucoup à un matériau spécial à l'origine de multiples avancées. Aujourd'hui : présentation de ces matériaux précieux, les semi-conducteurs.

Il y a ~20 ans : tubes sous vide (diverses formes/tailles) dans l'industrie. Bons pour l'époque, mais les semi-conducteurs ont tout changé : légers, compacts, construction simple, fiables, efficaces, faible coût, peu de chaleur.

Théorie des semi-conducteurs

Matériau dont propriétés électriques sont entre isolants et bons conducteurs (ex : germanium, silicium). Autre définition : résistivité 10² Ω·cm. Silicium = dominant industriel, mais carbone, germanium, arsenure de gallium existent.

Selon bandes d'énergie à température ambiante : bande de conduction vide, bande de valence partiellement remplie. Gap énergie faible (~1 eV) entre les deux. Résistance diminue avec température (gap se resserre) → coefficient de température négatif.

Termes clés des semi-conducteurs

Électrons de valence

Électrons sur la dernière couche/orbite. Atome stable = couche valence complète (max 8 électrons). Une fois complète : aucun électron n'entre ni ne sort. Si et Ge : 4 électrons valence. Si découvert 1823, Ge 1886.

Couches d'énergie

Trajectoires des électrons autour noyau. Plus loin = énergie plus forte. Électrons proches = fortement liés au noyau. Gain énergie → saut vers couche supérieure. Perte énergie → retour couche d'origine. Atome neutre électriquement : #électrons = #protons.

Liaisons covalentes / Liaison atomique

Atome Si : 2e (1ère couche), 8e (2ème), 4e (valence/3ème). Vrai pour atome isolé. Plusieurs atomes combinés → structure cristalline solide par liaison covalente : partage d'électrons de valence entre atomes. Atome stable électriquement, instable chimiquement → partage pour stabilité.

Électrons libres et trous

Température > 0 K → énergie thermique → vibrations cristal Si/Ge. Excitation thermique → électron émis de valence = électron libre (plus sous influence noyau). Lacune laissée = charge positive effective = trou. Processus dans chaque atome → grand nombre électrons libres + trous.