Le semi-conducteur est un type de matériau essentiel dans le domaine de l’électronique moderne. Comme son nom le laisse deviner, il se situe entre les conducteurs et les isolants en termes de conductivité électrique, ce qui signifie qu’il peut conduire l’électricité dans certaines conditions et mais aussi l’isoler dans d’autres. Cette polyvalence fait que les semi-conducteurs jouent un rôle central dans de nombreuses applications, depuis la fabrication de composants électroniques jusqu’à l’énergie solaire.
Comment rend-on un semi-conducteur conducteur ?
Les semi-conducteurs sont non conducteurs à l’état naturel. Il s’agit généralement de matériaux cristallins composés d’atomes disposés de manière régulière dans une structure en réseau. Les atomes dans un cristal de semi-conducteur partagent des électrons pour former des liaisons covalentes, créant ainsi une structure stable.
Dans l’objectif de modifier les propriétés électriques des semi-conducteurs, on peut les soumettre à un traitement spécifique appelé le dopage. Cette approche consiste à incorporer délibérément des impuretés dans la structure cristalline du semi-conducteur. Le dopage peut être de deux types : dopage de type N (pour négatif) et dopage de type P (pour positif).
Dans le dopage de type N, des impuretés contenant des électrons supplémentaires sont ajoutées, ce qui augmente la densité d’électrons dans la bande de conduction. Dans le dopage de type P, des impuretés ayant des lacunes d’électrons sont ajoutées, ce qui crée des trous dans la bande de valence. Ces deux approches ont pour effet d’augmenter la conductivité des semi-conducteurs. Ce type de traitement est par exemple utilisé dans le cas du silicium, le semi-conducteur qui est aujourd’hui à la base des cellules photovoltaïques qui constituent les panneaux solaires.
Quels sont les meilleurs matériaux semi-conducteurs ?
Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus largement utilisé. Il est le principal composant des puces électroniques, des transistors et des circuits intégrés, mais également essentiel dans le fonctionnement des cellules photovoltaïques et la fabrication des panneaux solaires. Le silicium est abondant dans la nature et présente des propriétés électriques et thermiques bien adaptées à de nombreuses applications électroniques.
On peut également citer quelques autres semi-conducteurs :
- le germanium, qui a été d’un des premiers semi-conducteurs utilisé dans l’électronique avant d’être supplanté par le silicium ;
- l’arséniure de gallium, un semi-conducteur composé de gallium et d’arsenic. Il est couramment utilisé dans les applications de haute fréquence ;
- le nitrure de gallium, utilisé dans les dispositifs à haute puissance et à haute fréquence. Il est couramment utilisé dans les transistors à effet de champ (FET) et les diodes électroluminescentes (DEL) à haute luminosité ;
- ou encore le séléniure de cuivre indium gallium (CIGS), un semi-conducteur utilisé dans la fabrication de cellules solaires photovoltaïques à couche mince. Il est apprécié pour son efficacité énergétique et sa flexibilité.
Le carbure de silicium, le tellurure de cadmium ou encore le sélénium amorphe font aussi partie des matériaux semi-conducteurs. Chacun de ces matériaux présente des propriétés spécifiques qui le rendent adapté à des applications particulières en fonction de ses caractéristiques électriques, thermiques et optiques. Par conséquent, le choix de tel ou tel semi-conducteur dépend des exigences de chaque application et des performances souhaitées.
Conducteurs, isolants et semi-conducteurs, quelle différence ?
C’est le déplacement électrique qui s’opère au sein d’un matériau qui détermine s’il est conducteur, isolant ou semi-conducteur. Autrement dit, il s’agit de savoir comment les électrons s’y déplacent.
À quelles conditions les électrons peuvent-ils être mobiles dans un matériau ?
Placés autour de l’atome, les électrons sont caractérisés par leur appartenance à des plages d’énergies appelées bandes. On distingue les bandes de « valence » et de « conduction ».
La première correspond aux électrons situés en périphérie de l’atome. Ils sont nombreux mais peu mobiles car ils interagissent avec les atomes voisins pour assurer la cohésion locale du matériau. La seconde correspond à des électrons d’énergie importante, libres dans le matériau mais en nombre réduit.
- Si ces 2 plages d’énergie se recouvrent, les électrons de valence peuvent passer dans la bande de conduction : le matériau est alors conducteur. C’est le cas des métaux (cuivre, argent, aluminium, or, mercure,…).
- Si le « gap » d’énergie entre les bandes de valence et de conduction est important, le matériau est isolant (verre, céramique, carton, pierre, par exemple).
- Les semi-conducteurs comme le silicium ont un faible gap qui peut être franchi par les électrons de valence si on leur apporte un supplément d’énergie thermique, lumineuse, électrique ou magnétique. Ils passent alors d’un état isolant à un état conducteur.
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Utilisation des semi-conducteurs
Les semi-conducteurs, en ouvrant la possibilité de piloter un basculement entre deux états au sein de la matière, ont largement contribué au développement de l’électronique numérique, base de nombreux systèmes en particulier informatiques.
Par exemple, la mémoire des ordinateurs est constituée de cellules indépendantes implantées sur un substrat de silicium, l’un des matériaux semi-conducteurs les plus utilisés.
De nombreux autres systèmes utilisent les semi-conducteurs. Par exemple, les capteurs d’images ou les cellules photovoltaïques présentes sur les panneaux solaires. En effet, les semi-conducteurs jouent un rôle fondamental dans la conversion de l’énergie solaire en électricité, un processus essentiel pour l’industrie photovoltaïque.
Le rôle des semi-conducteurs dans la photoémission
Les cellules solaires, qui sont les composants de base des panneaux solaires photovoltaïques, exploitent les propriétés de photoémission des semi-conducteurs pour produire de l’électricité à partir de la lumière solaire, grâce à l’émission d’électrons sous l’impact des photons d’un rayonnement lumineux.
Les étapes
- Lorsque la lumière du soleil frappe la surface d’une cellule solaire, les photons de lumière sont absorbés par le matériau semi-conducteur.
- Lorsqu’un photon est absorbé, il fournit suffisamment d’énergie pour qu’un électron de la bande de valence du semi-conducteur passe à la bande de conduction. Ils deviennent des porteurs de charge qui peuvent se déplacer librement dans le semi-conducteur.
- Les électrons sont maintenant mobiles. Ils se déplacent à travers la structure du semi-conducteur sous l’influence d’un champ électrique interne, créé par la différence de potentiel entre les côtés positif et négatif de la cellule solaire. Cette migration des porteurs de charge crée un courant électrique à l’intérieur de la cellule.
- Pour que l’électricité produite soit utilisable, elle doit être collectée à la surface de la cellule solaire. Pour cela, des électrodes métalliques sont connectées à un circuit électrique externe.
- Les électrons sont dirigés à travers un circuit électrique externe, créant ainsi un courant électrique.
