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Vidéo de la leçon: Matériaux semi-conducteurs purs

Dans cette vidéo, nous allons apprendre comment décrire les liaisons électriques dans les matériaux semi-conducteurs purs.

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Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous traitons le sujet des matériaux semi-conducteurs purs. Nous allons apprendre ce que sont les semi-conducteurs et comment les électrons s’y déplacent. Les semi-conducteurs constituent la base d’une grande partie de l’électronique moderne. Et dans cette leçon, nous allons apprendre comment ils fonctionnent.

Nous pouvons commencer ici en considérant la conductivité électrique. Nous savons que dans ce sens, il existe deux types de matériaux. Premièrement, il existe des isolants, tels que le verre, le plastique ou le bois, qui ne permettent pas facilement la circulation de charges électriques. Et puis, à l’opposé, il y a les conducteurs. Toute sorte de métal est un bon exemple de conducteur. Et nous pouvons voir cela par le fait que les fils d’un circuit électrique sont généralement faits de métal. Donc, si un matériau conduit l’électricité de façon très efficace, c’est un conducteur, et s’il le fait de façon très inefficace, c’est un isolant.

Notre discussion ici porte sur une classe de matériaux qui se situe entre ces deux extrêmes. Les semi-conducteurs ne sont ni des conducteurs ni des isolants. Et cette propriété est en fait très utile pour la manière dont nous les utilisons. Les semi-conducteurs peuvent être fabriqués en combinant certains éléments atomiques, mais il y a aussi plusieurs éléments qui, à eux seuls, ont des propriétés de semi-conducteurs. Ceux-ci comprennent, par exemple, le silicium, le germanium et l’étain.

Parmi ces éléments spécifiques, le plus couramment utilisé pour les semi-conducteurs est le silicium. En partie parce que le silicium est un élément facilement disponible. C’est le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre, et c’est le huitième élément le plus abondant dans l’univers en général. Le silicium fait partie du composé qui constitue des matériaux comme le sable ou le verre. Et lorsque nous pouvons l’isoler, nous pouvons nous en servir pour avoir un semi-conducteur. En gardant à l’esprit que le silicium n’est pas le seul matériau semi-conducteur, pour le reste de notre leçon, nous allons l’utiliser régulièrement comme exemple d’un tel matériau.

Maintenant, l’utilité du silicium en tant que semi-conducteur provient de sa structure atomique. Si nous avions un atome neutre de silicium, et disons que ici nous avons le noyau de cet atome, alors ce noyau aurait trois couches ou niveaux d’états électroniques autour de lui. Le plus bas de ces niveaux d’énergie contient deux électrons. Ensuite, le niveau supérieur à plus haute énergie a un, deux, trois, quatre, cinq, six, sept, huit électrons. Et le niveau d’énergie électronique le plus élevé toujours lié à l’atome de silicium possède un, deux, trois, quatre électrons dans cette couche appelée couche de valence.

Maintenant, en ce qui concerne la façon dont les atomes interagissent avec d’autres atomes, l’un des plus grands facteurs est le nombre d’électrons qu’un atome donné a dans sa couche de valence. Pour cette raison, lorsque nous faisons un croquis d’un atome particulier, il n’est pas rare de représenter uniquement cette couche la plus externe et tous les électrons qui la composent et de laisser le reste des niveaux d’énergie non dessinés.

Ainsi, la version actuelle de notre croquis d’un atome de silicium nous montre qu’il a quatre électrons dans sa couche de valence. Et nous pouvons nous rappeler que dans de nombreux cas, mais pas tous, pour qu’un atome soit chimiquement stable, c’est-à-dire qu’il soit peu probable de perdre des électrons dans son environnement ou de retirer des électrons de l’environnement, il est préférable que cette couche la plus externe soit peuplée de huit électrons. C’est ce qu’on appelle souvent une couche de valence complète.

Le silicium, on le voit, avec quatre électrons de valence n’est ni très proche d’en avoir huit, ni de se débarrasser entièrement de ce niveau d’énergie en perdant tous ces électrons. Tout cela pour dire que si nous considérions les atomes de silicium isolés séparément, ils ne constitueraient pas de très bons semi-conducteurs. Mais en réalité, nous ne travaillons pas avec des atomes individuels, mais plutôt avec beaucoup d’atomes disposés dans ce qu’on appelle un réseau atomique.

Pour aborder cela, admettons que l’atome de silicium que nous envisageons est entouré de huit autres atomes. Soit dit en passant, une des raisons pour lesquelles nous utilisons le mot réseau est pour décrire à quel point cet arrangement d’atomes est ordonné. Ce que nous avons dessiné ici n’est qu’une toute petite partie de ce qui serait un réseau atomique global. Mais néanmoins, cela nous aidera à commencer à comprendre la dynamique plus large qui se déroule dans le réseau global.

Maintenant, pour le moment, nous n’avons dessiné que les électrons de valence de notre atome de silicium central. Mais bien sûr, chacun de ces atomes a ses propres électrons de valence. Et ce qui finit par se produire lorsque les atomes sont disposés dans cette structure de réseau est que ce qu’on appelle des liaisons covalentes se développent entre eux. Cela signifie qu’une paire d’électrons est partagée entre deux atomes dans une liaison commune. Pour montrer cela sur notre croquis, nous allons déplacer les électrons de valence aux endroits où ces niveaux d’énergie de valence se chevauchent.

Ainsi, par exemple, pour ces deux atomes de silicium, au lieu de posséder séparément ces deux électrons de valence ici, ils les partageraient via une liaison covalente. Et nous pouvons le montrer en déplaçant les électrons dans les chevauchements entre ces états d’énergie. Alors maintenant, nous voyons que cet électron ici et celui-ci ici sont partagés, on peut dire, entre ces deux atomes de silicium. Ce partage, c’est-à-dire ces liaisons covalentes, se développe entre tous les atomes de silicium adjacents dans ce réseau. Et nous pouvons esquisser cela comme ceci.

Maintenant, nous pouvons dire que tout électron partagé, disons celui-ci, est également possédé par cet atome de silicium et par celui-ci. Il peut être considéré comme l’un des électrons de valence pour ces deux atomes. Sachant cela, revenons à notre atome de silicium d’origine, celui qui est maintenant au centre, et comptons le nombre d’électrons de valence qu’il possède maintenant. En les regardant, on compte un, deux, trois, quatre, cinq, six, sept, huit électrons, ce qui signifie que maintenant que cet atome est entouré d’autres atomes de silicium identiques, au lieu de ne compter que quatre électrons dans sa couche de valence, il en a huit, un set complet.

Il est important de noter que tout au long de ce processus de partage, la charge électrique globale de chacun de ces atomes n’a pas changé. Si nous supposons que chacun a commencé électriquement neutre, alors jusqu’à présent ils conservent cette neutralité. Donc, revenons à notre atome de silicium central dans notre croquis, cet atome est électriquement neutre et il a une couche de valence complète. C’est, nous pourrions dire, le point de départ où le réseau commence à se comporter globalement comme un semi-conducteur.

Nous avons mentionné précédemment que tout réseau réaliste à semi-conducteurs serait beaucoup plus grand que celui que nous avons dessiné ici. Lorsque cela est vrai, quand il y a beaucoup plus d’atomes composant ce réseau, il y a beaucoup d’autres atomes de silicium que nous pouvons considérer comme étant internes au réseau, c’est-à-dire complètement entourés d’autres atomes de silicium. Dans ce cas, la majorité des atomes du réseau sont comme celui-ci que nous voyons au centre. Il partage quatre électrons avec les atomes environnants et possède lui-même une couche de valence complète.

Maintenant, si la température de notre réseau était de zéro kelvin, c’est-à-dire le zéro absolu, alors le croquis que nous avons dessiné serait exact pour tous les temps. Cela ne changerait pas avec le temps. Mais dès que la température de notre réseau augmente au-dessus de ce minimum, cela signifie que de l’énergie thermique est disponible à être insérée dans le réseau. Et cette énergie, lorsqu’elle est absorbée, peut entraîner la libération de certains des électrons liés depuis leurs liaisons. Ainsi, en considérant les huit électrons autour de notre atome de silicium central, admettons que, grâce à l’énergie ajoutée à notre système, cet électron se soit libéré de sa liaison. Un électron libéré comme celui-ci s’appelle un électron libre, et il laisse derrière lui un espace appelé trou.

Maintenant, c’est là que la charge électrique globale de cet atome de silicium entre en jeu. Nous avons dit plus tôt que cet atome est neutre, il a donc le même nombre de charges positives que de charges négatives. Mais c’était avant qu’il ne libère cet électron maintenant libre. Cet atome de silicium central a pratiquement alors une charge positive globale après avoir perdu une charge négative. Plus précisément, nous pouvons dire que la charge d’un trou d’électron, c’est-à-dire un endroit où se trouvait un électron avant de se libérer, est pratiquement positive. Comme nous l’avons mentionné, c’est parce qu’il a récemment perdu une charge négative et, par conséquent, il a une charge positive.

Maintenant, chose intéressante, dans le cas des semi-conducteurs, même si cet atome de silicium central a maintenant une charge globalement positive, il est typique de ne pas appeler cet atome un ion, c’est-à-dire une particule chargée. La raison en est la suivante. Rappelons que nous avons dit que dans tout réseau atomique réel, il y a beaucoup, beaucoup d’atomes de silicium internes, beaucoup plus que celui que nous avons montré ici. Eh bien, comme l’énergie thermique est ajoutée au réseau global, tous ces atomes internes sont des candidats à la perte d’un électron. Chacun pourrait potentiellement perdre un électron dans le reste du réseau, ce qui laisserait alors un trou d’électron chargé positivement. Cela signifie que dans la pratique, à un moment donné, il n’y a pas seulement un électron libre et un trou d’électron, mais plusieurs.

Donc, compte tenu du trou d’électron que nous pouvons voir ici, il est probable qu’un électron libre libéré d’un autre endroit du réseau le trouve, pour ainsi dire, et l’occupe. Et de même, cet électron libre est susceptible de se retrouver ici dans un espace, un trou créé dans un autre atome de silicium du réseau. Pour un réseau de silicium donc, ou tout autre matériau semi-conducteur pur, lorsque le semi-conducteur est à température ambiante, de nombreuses liaisons maintenant les électrons en place dans les niveaux d’énergie sont rompues, libérant des électrons libres dans le réseau, qui se déplacent d’atome en atome tout au long du réseau, remplissant des trous, puis peut-être même étant libérés à nouveau.

La chose importante à voir ici est que puisque chaque électron libre laisse un espace ou un trou derrière lui, à un moment donné, le nombre d’électrons libres dans le réseau atomique sera égal au nombre de trous dans ce réseau. Ils vont toujours ensemble, un électron libre avec un espace ou un trou. Et plus la température de notre semi-conducteur est élevée, plus il y a d’électrons libres générés par unité de temps et donc plus de trous créés puis remplis par d’autres électrons libres. Sachant tout cela sur le silicium en tant que matériau semi-conducteur pur, nous allons nous entraîner avec ces concepts à travers un exemple.

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

D’accord, on nous dit que sur ce schéma, tous les atomes représentés sont des atomes de silicium. Et nous pouvons penser à ces cercles rouges comme les noyaux de ces atomes de silicium. Et puis les plus petits points bleus autour d’eux représentent les électrons de valence. C’est-à-dire que ce sont des électrons dans les couches les plus externes des atomes respectifs. Notre question demande, combien de ces électrons dans la couche la plus externe, c’est-à-dire ces électrons de valence, d’un atome qui est dans l’objet forment des liaisons covalentes avec des atomes adjacents ? Pour répondre à cette question, il y a quelque chose d’important que nous devons savoir sur le silicium.

Lorsque nous avons un atome de silicium neutre, disons que celui-ci est le noyau de cet atome, cet atome de silicium possède quatre électrons dans sa couche la plus externe. Et nous pourrions représenter cela comme ça. C’est l’état naturel d’un atome de silicium neutre quand il est tout seul. Nous voyons dans notre croquis que nous avons de nombreux atomes de silicium représentés ici. Ils sont tous disposés dans cette formation ordonnée appelée réseau. Nous pouvons voir ce réseau dans les lignes et les colonnes paires de tous ces atomes de silicium.

Quand ils sont disposés de cette façon, les atomes de silicium adjacents, c’est-à-dire les atomes qui sont juste à côté l’un de l’autre dans le réseau, sont en fait capables de partager des électrons entre eux. Ainsi, par exemple, si nous avions ici un deuxième atome de silicium qui avait également ses quatre propres électrons de valence, les deux électrons de ce niveau d’énergie externe ici et ici, juste entre les atomes adjacents, pourraient être partagés par une liaison appelée liaison covalente. À travers ce partage, nous pourrions dire que ces deux atomes de silicium possèdent ces deux électrons. Et cela signifierait que pour chacun de ces atomes individuellement, alors qu’il avait précédemment quatre électrons dans sa couche la plus externe, il en a maintenant cinq.

Si nous prenons cette idée de partage d’électrons et l’appliquons aux atomes de silicium de notre objet, en particulier pour les atomes de silicium internes, c’est-à-dire ceux de l’objet, comme par exemple celui-ci, nous pouvons voir que davantage de partages d’électrons ont lieu. En effet, cet atome de silicium particulier est adjacent à cet atome et à cet atome et à celui-ci et à celui-ci. Il partage un côté, pourrait-on dire, avec quatre autres atomes de silicium identiques. Et donc, plutôt qu’un exemple de partage d’électrons, comme nous l’avons vu ici avec nos deux atomes adjacents, il y a maintenant quatre possibilités pour que cela se produise pour notre atome de silicium interne. Et nous voyons le résultat de cela pour cet atome interne mis en évidence ici.

Notez qu’il a un, deux, trois, quatre, cinq, six, sept, huit électrons dans sa couche la plus externe. Cela s’est produit, nous pouvons dire, parce que les quatre électrons originaux de la couche la plus externe de cet atome de silicium ont maintenant quatre autres électrons ajoutés à leur total, un chacun, grâce au partage entre cet atome de silicium et les quatre adjacents. C’est-à-dire que cet atome partage ici un électron avec cet atome de silicium, tout comme cet atome ici, tout comme celui-ci et celui-ci. C’est à travers le processus de partage qu’un atome de silicium interne, tel que celui-ci, est capable de remplir entièrement la couche externe avec huit électrons.

Alors, nous avons pris les quatre électrons de valence originaux, et à travers la formation de liaisons covalentes, nous leur avons ajouté quatre autres. Cela est vrai pour tous les atomes internes de cet objet, c’est-à-dire en son intérieur.

Prenons un instant pour résumer ce que nous avons appris sur les semi-conducteurs purs. Dans cette leçon, nous avons vu que les semi-conducteurs sont une classe de matériau qui existe entre les isolants électriques et les conducteurs électriques. Fondamentalement, les semi-conducteurs ne conduisent ni n’isolent très fortement d’électricité. Nous avons vu de plus que le silicium est le matériau semi-conducteur le plus utilisé et qu’un atome neutre de silicium a quatre électrons de valence ou quatre électrons dans sa couche la plus externe.

Cela signifie que lorsque de nombreux atomes de silicium sont disposés ensemble selon un modèle ordonné appelé réseau atomique, le partage d’électrons se produit par la formation de ce qu’on appelle des liaisons covalentes entre des atomes de silicium adjacents. De cette façon, les atomes internes se retrouvent avec une couche de valence entièrement remplie. Mais alors, lorsque la température de ce réseau atomique augmente, de l’énergie est fournie aux électrons de ces liaisons covalentes pour rompre ces liaisons et se libérer, créant ainsi une paire d’objets. Un objet est l’électron libre, l’électron libéré de l’atome de silicium, et l’autre est l’espace, également appelée trou d’électron, qui reste.

Nous avons vu que si la charge d’un électron est moins un, la charge d’un trou d’électron est plus un. Et enfin, lors du fonctionnement normal à température ambiante d’un matériau semi-conducteur, nous avons vu que de nombreux électrons libres et donc les trous d’électrons correspondants sont créés de manière continue. Un trou est susceptible d’être rempli par un électron libre venu d’un autre endroit du réseau, alors que l’électron libre qui a créé ce trou est susceptible de trouver un trou à remplir ailleurs. De cette façon, il y a toujours le même nombre d’électrons libres et de trous dans un matériau semi-conducteur.

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