Vidéo de la leçon: Matériaux semi-conducteurs purs Physique

Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire les liaisons électriques dans les matériaux semi-conducteurs purs. Ici, le type de conduction à laquelle nous pensons est la conduction électrique. Un matériau qui n’est pas un bon conducteur d’électricité est appelé un isolant. Des exemples d’isolants sont le verre, le plastique et le bois. Aucun de ces matériaux ne permet facilement un flux de charge électrique. Les matériaux hautement conducteurs sont appelés conducteurs. Tous les métaux que nous trouvons dans le tableau périodique sont des conducteurs. En raison de leur capacité à faciliter le flux de charge, la plupart des circuits électriques sont en métal. Il y a cependant des matériaux qui ne sont ni de bons isolants ni de bons conducteurs. Ils se situent quelque part entre les deux et sont appelés semi-conducteurs.

Un semi-conducteur pur est composé d’un seul élément atomique. Un semi-conducteur en silicium, par exemple, est un semi-conducteur pur. Bien que de nombreux matériaux différents puissent être utilisés pour fabriquer un semi-conducteur, le silicium est l’un des plus courants. Le silicium est le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre. Et c’est aussi le huitième élément le plus abondant dans l’univers en général. Nous garderons à l’esprit que tous les semi-conducteurs purs ne sont pas en silicium. Mais pour le reste de notre leçon, nous utiliserons cet élément comme exemple d’un tel matériau.

L’utilité du silicium en tant que semi-conducteur se résume à sa structure atomique. Si ce que nous voyons maintenant est le noyau d’un seul atome de silicium, alors pour compléter le tableau, nous voudrons montrer comment les électrons de cet atome sont distribués. Les électrons d’un atome de silicium occupent trois niveaux d’énergie différents. Au premier niveau, il y a deux électrons. Au deuxième niveau, il y a un, deux, trois, quatre, cinq, six, sept, huit électrons. Et enfin, dans la troisième couche, il y a un, deux, trois, quatre électrons. Ce niveau d’énergie le plus externe s’appelle le niveau de valence ou la couche de valence.

C’est l’occupation des électrons dans la couche de valence qui détermine la manière dont un atome de silicium interagit avec d’autres atomes à proximité. D’un point de vue énergétique, il est avantageux que ce niveau d’énergie le plus extérieur ait huit électrons ou zéro électron. Dans l’une ou l’autre de ces situations, cet atome serait assez stable électriquement. Autrement dit, il sera peu probable d’accepter des électrons ou de perdre des électrons dans son environnement. Le fait d’accepter ou de perdre des électrons d’électrons fait partie de ce que signifie être conducteur d’électricité.

Un atome de silicium neutre comme celui-ci a quatre électrons dans sa couche de valence. Il n’est pas vraiment près d’avoir une couche externe complète avec huit électrons ou une couche vide avec zéro électron. Puisque ce sont en grande partie les électrons de cette couche la plus externe qui déterminent la façon dont cet atome interagit avec les atomes voisins, lorsque nous dessinons un seul atome, il n’est pas inhabituel de simplement dessiner les électrons de sa couche de valence et d’ignorer les autres plus internes. Lorsqu’un semi-conducteur pur est composé de silicium, il est composé de beaucoup, beaucoup d’atomes de silicium disposés en ce qu’on appelle un réseau.

Un réseau est une structure ordonnée avec des lignes et des colonnes. Dans un vrai semi-conducteur en silicium, il y aura beaucoup plus de lignes et de colonnes que celles que nous montrons ici. Lorsque les atomes de silicium sont arrangés comme ça, les atomes forment ce que l’on appelle des liaisons covalentes avec leurs voisins. Pour voir comment se forment ces liaisons, considérons deux atomes de silicium côte à côte. Chacun de ces atomes a quatre électrons dans sa couche de valence. Il est possible que certains de ces électrons soient partagés entre les deux atomes. Disons, par exemple, que cet électron ici et cet électron ici font partie d’une liaison covalente entre ces deux atomes de silicium. Cela signifierait que ces électrons appartiennent en quelque sorte aux deux atomes. Nous représentons cela en dessinant ces atomes aux points d’intersection entre les orbitales de valence de ces deux atomes. En raison de cette liaison covalente, nous dirons maintenant que chacun de ces atomes de silicium a cinq électrons dans sa couche de valence.

Nous nous rapprochons, en d’autres termes, d’une couche de valence complète ou remplie de huit électrons. Ce concept de partage d’électrons par le biais de liaisons covalentes est très important dans ce qu’on appelle le centre du réseau d’un matériau. Considérons l’atome de silicium de notre réseau complètement entouré d’autres atomes. Cet atome est capable de former quatre liaisons covalentes : une avec cet atome, une avec cet atome, une avec cet atome de silicium et une avec celui-ci. À travers ces liaisons, on pourrait dire que quatre électrons sont maintenant ajoutés à l’orbite de l’atome central du silicium. C’est-à-dire qu’ils sont partagés avec cet atome de sorte que cet atome de silicium central a maintenant un, deux, trois, quatre, cinq, six, sept, huit électrons dans sa couche de valence. Energiquement, il est peu probable que cet atome central perde ou gagne des électrons.

Si nous appliquons cette idée de partage d’électrons à travers tous les atomes de silicium de ce réseau, nous pouvons voir que tous les atomes intérieurs - ici nous n’en avons qu’un - ont huit électrons dans leur couche de valence. Et ceux qui se trouvent aux frontières ont six ou sept électrons de valence. Si nous pensons à un semi-conducteur en silicium de taille réaliste, nous savons qu’il y a plus de lignes et de colonnes que nous en avons dessiné ici, beaucoup plus. Dans un échantillon de taille réaliste, la plupart des atomes seraient des atomes intérieurs comme celui-ci, avec huit électrons dans leur couche de valence.

Si ces électrons ont tendance à rester en place, et sur le plan énergétique, ils sont susceptibles de le faire, alors cet échantillon de silicium ne transférera pas facilement les électrons d’une partie de l’échantillon à une autre. À de très basses températures, même jusqu’au zéro absolu, le silicium est un mauvais conducteur. Cependant, dans un échantillon de silicium au-dessus de cette température minimale, de l’énergie est disponible pour déplacer certains des électrons dans la majeure partie de l’échantillon. Par exemple, si de l’énergie est ajoutée à cet électron dans l’atome central de silicium, cet électron pourrait être éjecté de l’orbitale de valence. Un électron libéré comme celui-ci s’appelle un électron libre. Energiquement, il est libre de se promener dans l’ensemble du semi-conducteur en silicium.

Quand il part, l’électron laisse derrière lui ce qu’on appelle un trou. Même si un trou n’est qu’une absence d’électron, nous pouvons le considérer comme ayant une charge effective positive. Chaque fois qu’un électron libre est créé, un trou est créé avec lui. Dans un échantillon de semi-conducteur pur, il y a toujours autant d’électrons libres qu’il y a de trous. Même si cet atome de silicium central a perdu un électron chargé négativement, de sorte qu’il a maintenant une charge globale effective positive, nous n’appelons généralement pas de tels atomes des ions. La raison en est que ce trou chargé positivement est susceptible d’être rapidement rempli par un autre électron. Et cet électron pourrait provenir d’un autre endroit dans ce même atome de silicium.

Par exemple, cet électron ici peut passer ici, au niveau du trou chargé positivement. Si cela se produisait, cet électron créerait son propre trou chargé positivement. Et puis ce trou serait susceptible d’être rapidement rempli par un autre électron. De cette façon, les trous sont en fait capables de se déplacer à travers le réseau de silicium. Ils peuvent être aussi mobiles que les électrons.

Mais il y a une autre façon de combler un trou hormis d’accepter un électron lié au réseau. À un instant donné, il y a probablement de nombreux électrons libres en itinérance dans l’échantillon de silicium. L’un d’entre eux pourrait être attiré par le trou chargé positivement, puis remplir ce trou. Quand un électron libre remplit un trou dans le réseau, le processus s’appelle la recombinaison. Et bien sûr, là où était cet électron libre, un trou apparaît.

Ainsi, chaque fois qu’un électron libre est créé ou qu’un électron lié change d’emplacement, un trou apparaît. Parce que les trous ont une charge effective positive, ils attirent des électrons chargés négativement. Un trou peut être rempli par un électron libre ou par un électron lié. Dans un échantillon de semi-conducteur pur, un bon moyen de contrôler le nombre total de trous et, par conséquent, le nombre total d’électrons libres est de modifier la température de cet échantillon. Plus la température est élevée, plus l’énergie peut être transférée aux électrons du réseau. Cela se traduit par plus d’électrons libres et plus de trous. En augmentant la température du réseau, il se comporte davantage comme un conducteur. D’autre part, la diminution de la température de l’échantillon signifiera que moins d’électrons libres et de trous seront créés. Les électrons libres et les trous sont ce qui permet à la charge électrique de se déplacer à travers le réseau. Quand il n’y en a pas beaucoup, le réseau se comporte plus comme un isolant.

Sachant tout cela sur les semi-conducteurs purs, regardons maintenant un exemple.

Un atome de silicium fait partie d’un objet constitué d’atomes de silicium, comme le montre la figure. Seuls les électrons des couches les plus externes des atomes sont individuellement représentés. Combien d’électrons dans la couche la plus externe d’un atome de l’objet forment des liaisons covalentes avec des atomes adjacents?

Ici, nous voyons un réseau d’atomes de silicium, où les points rouges au centre représentent les noyaux de silicium et les points bleus autour de ces centres rouges représentent les électrons. Les électrons représentés sur notre figure ne montrent que ceux des couches les plus externes de ces atomes. En utilisant cette représentation, un seul atome de silicium ressemblerait à ceci. Il y a le noyau atomique rouge, puis il y a quatre électrons de valence. Lorsque de nombreux atomes de ce type sont combinés pour former un réseau, les atomes de silicium forment des liaisons covalentes entre eux. Cela implique le partage d’une paire d’électrons entre une paire d’atomes. Grâce à ces liaisons, il est possible de remplir efficacement la couche de valence d’un atome de silicium.

Puisque chacun des atomes de silicium commence avec quatre électrons de valence, avoir la couche la plus externe avec huit électrons signifie que quatre ont été ajoutés. Et ces quatre ont été ajoutés par des liaisons covalentes partagées. Nous en voyons une démonstration avec cet atome, qui est situé dans la partie centrale de notre réseau de silicium. Cet atome forme une liaison covalente avec cet atome au-dessus, cet atome de silicium à sa droite, cet atome de silicium au-dessous et cet atome de silicium à sa gauche. Chacun de ces quatre atomes entourant celui au centre partage un électron avec cet atome central. C’est ainsi que l’atome de silicium central gagne effectivement quatre électrons de valence pour une couche de valence complète avec huit électrons. En réponse à notre question, nous pouvons donc dire que quatre électrons dans la couche la plus externe d’un atome de l’objet forment des liaisons covalentes avec des atomes adjacents.

Voyons maintenant un autre exemple.

La figure montre un réseau d’atomes de silicium à une température de 300 kelvins. Quel élément annoté sur la figure est un électron libre? Quelle est la charge relative effective de l’élément noté B?

En regardant notre figure, nous voyons que ce réseau d’atomes de silicium est représenté par des points rouges et bleus. Les plus grands points rouges représentent les noyaux des atomes de silicium. Les plus petits points bleus entre les rouges plus grands représentent les électrons individuels des couches de valence ou des couches les plus externes de ces atomes. On nous dit que ce réseau d’atomes est à une température de 300 kelvins. Cela signifie qu’il y a suffisamment d’énergie thermique disponible pour déloger certains des électrons liés à ces atomes de silicium et créer des électrons libres à partir d’eux.

À titre d’exemple, un seul atome de silicium a quatre électrons de valence. Ces électrons sont liés dans la couche de valence. Mais si suffisamment d’énergie était transférée à l’un d’entre eux, disons à cet électron ici, alors cet électron pourrait quitter la couche de valence et devenir un électron libre. Lorsque cela se produit, un tel électron laisse derrière lui ce qu’on appelle un trou ou une lacune. Les électrons libres et les trous vont de pair. Chaque fois qu’un électron libre est créé, il y a apparition d’une lacune. C’est ce que nous voyons sur notre figure aux points B et A.

Le point A montre un électron libéré d’un atome, c’est-à-dire devenant un électron libre, tandis que le point B montre la lacune ou le trou laissé. Nous pouvons alors répondre à la première partie de notre question. Parce que les électrons ici sont représentés par des points bleus et que le point A montre qu’un point bleu quitte son état lié dans l’orbite d’un atome, nous savons que c’est l’élément A sur la figure qui nous montre un électron libre. La partie B montre ce qui reste après l’éjection de l’électron. C’est ce qu’on appelle un trou ou une lacune. Alors que cet emplacement avait auparavant une charge électrique négative, la charge de l’électron qui l’occupait, il a maintenant une charge relative effective positive.

Si nous pensons que la charge de l’électron en soi est négative et la charge du trou en tant que tel est zéro car il n’y a rien à cet endroit, alors nous pouvons voir que pour passer de la charge de l’électron à la charge de ce qu’il reste, nous devons ajouter un. C’est donc la charge relative du trou, la charge du trou par rapport à un électron. La charge relative effective de la partie nommée B est plus un.

Terminons maintenant cette leçon en passant en revue quelques points clés. Dans cette leçon, nous avons appris qu’en ce qui concerne la conductivité électrique, il existe effectivement trois classes de matériaux : les isolants qui ne conduisent pas bien l’électricité ; les conducteurs qui conduisent bien l’électricité ; et les semi-conducteurs, qui se situent quelque part entre ces deux extrêmes. Le matériau le plus courant, mais certainement pas le seul, dont les semi-conducteurs sont constitués est le silicium.

L’utilité du silicium en tant que matériau semi-conducteur a à voir avec le nombre d’électrons de valence qu’il possède, quatre. Lorsque les atomes de silicium sont disposés en lignes et en colonnes appelées réseau, les atomes de silicium situés à l’intérieur de ce réseau forment des liaisons covalentes avec leurs voisins. Et cela leur permet de partager des électrons afin qu’ils aient effectivement une couche de valence complète de huit électrons. Si suffisamment d’énergie est transférée vers l’un de ces électrons de valence, cet électron peut être éjecté de l’atome et devenir ce qu’on appelle un électron libre. Lorsque cela se produit, ce qui reste est appelé trou ou une lacune. Comparé à l’électron libéré, ce trou a une charge effective positive.

À un instant donné, le nombre d’électrons libres dans un semi-conducteur pur et le nombre de trous sont les mêmes. Un trou peut être rempli soit par un autre électron libre provenant de quelque part dans le réseau, soit par un électron lié transféré pour occuper ce trou. Ceci est un résumé des matériaux semi-conducteurs purs.