SEMICONDUCTEURS

SEMICONDUCTEURS

Les semiconducteurs sont des corps solides dont la conductivité électrique se situe entre celle des métaux et celle des isolants. La conductivité électrique est une propriété qui varie énormément d’un corps à l’autre et, pour un solide donné, est fonction de la température et de la pureté chimique; un certain effort de classification s’impose donc.

L’étude des corps purs et bien cristallisés montre que les cristaux se séparent en deux grandes familles au voisinage du zéro absolu (face=F0019 漣 273 ⁰C): les métaux conducteurs de l’électricité et les isolants. Certains isolants deviennent conducteurs à plus haute température, en particulier s’ils contiennent des impuretés, des défauts cristallins ou des défauts de stœchiométrie (écart par rapport à la composition chimique nominale); ce sont par définition les semiconducteurs. Un semiconducteur est donc un cristal qui est isolant s’il est pur et au zéro absolu, et dont la conductivité électrique est due à l’agitation thermique, à des impuretés ou à différents types de défauts. Pour fixer les idées, les métaux ont une résistivité de l’ordre de 10^-6 行.cm, les isolants de 10¹⁴ à 10²² 行.cm, les semiconducteurs typiques, à température ambiante, de 10^-3 à 10⁹ 行.cm.

Les principaux semiconducteurs sont le germanium (Ge), le silicium (Si), le sélénium (Se), les composés binaires: arséniure de gallium (GaAs), antimoniure d’indium (InSb), phosphure de gallium (GaP) et phosphure d’indium, ainsi que les composés ternaires et quaternaires.

L’importance des semiconducteurs est due à la découverte de l’effet transistor dans ces corps, et à une meilleure connaissance de leur structure qui a révolutionné l’industrie des composants électroniques. Les principales qualités de ces composants sont leur fiabilité (leur durée de vie est pratiquement infinie) et leur faible consommation, qui permettent l’intégration de nombreux composants dans de petits volumes. La technologie des semiconducteurs permet aussi une fabrication très reproductible et en très grande série. Le semiconducteur le plus utilisé dans l’industrie est le silicium.

1. Structure électronique des cristaux parfaits et des semiconducteurs

Cristaux parfaits

La description actuelle de la structure de la matière repose sur l’hypothèse atomique ^{[cf. ATOME]}. Dans un cristal, les noyaux atomiques sont disposés aux nœuds d’un réseau géométrique régulier; c’est le même motif élémentaire qui est répété de façon périodique dans l’espace (un peu à la manière d’un papier peint mural). Cela est bien vérifié expérimentalement par diffraction des rayons X; la distance entre noyaux est typiquement de l’ordre de 0,1 nm. La cohésion de cet édifice est assurée par l’ensemble des électrons. Dans l’atome isolé, ceux-ci se répartissent en niveaux d’énergie discrets; dans le cristal, à cause de l’interaction entre atomes, ces niveaux s’élargissent en bandes d’énergie permises séparées par des bandes interdites (fig. 1). La répartition des électrons entre ces différents niveaux permis est régie par la mécanique statistique et dépend donc de la température. À basse température, les niveaux occupés sont les plus bas en énergie. Mais les électrons obéissent à la statistique de Fermi-Dirac , c’est-à-dire qu’un état quantique donné ne peut être occupé que par un seul électron (principe d’exclusion de Pauli). Selon le nombre d’électrons de chaque atome, les différentes bandes se remplissent donc à partir du bas. Une couche électronique pleine de l’atome donne naissance à une bande pleine, alors que les couches non saturées forment des bandes partiellement remplies. Dans les cristaux ioniques et covalents, les liaisons entre atomes sont assurées respectivement par échange et par mise en commun d’électrons de valence afin de saturer des orbitales atomiques; les bandes correspondantes seront donc en général pleines et la bande immédiatement supérieure sera vide. Dans les métaux, au contraire, les électrons de valence ne remplissent pas complètement la bande, et celle-ci, dite bande de conduction, sera partiellement remplie. Ce fait explique le caractère isolant des cristaux covalents et ioniques et le caractère conducteur des métaux.

Semiconducteurs

Semiconducteurs purs

Les semiconducteurs les plus classiques sont des cristaux covalents comme le germanium ou le silicium, éléments qui possèdent quatre électrons de valence. Par mise en commun d’électrons, on obtient autour de chaque atome une couche saturée à huit électrons (fig. 2 a). La bande de valence est entièrement pleine; la bande supérieure, dite bande de conduction, est vide. Si l’on chauffe le cristal, un petit nombre (n ) d’électrons peut être excité et passe dans la bande de conduction, laissant des places vides (en nombre p ) ou trous (ou lacunes) dans la bande de valence. D’après le mécanisme de création de ces électrons et de ces trous, on a évidemment n = p = n ⁱ , appelée concentration intrinsèque . La variation de cette quantité est donnée par la loi de Maxwell-Boltzmann :

où E^G est la largeur de la bande interdite séparant la bande de valence de la bande de conduction, où T est la température absolue, k la constante de Boltzmann et n ⁰ une constante caractéristique du semiconducteur. À température ambiante (T = 300 K) n ⁱ = 10¹⁰ paires électron-trou par centimètre cube pour le silicium, 10¹³ par centimètre cube pour le germanium. Ces valeurs sont remarquablement petites; en effet, un cristal de germanium renferme environ 10²² atomes par centimètre cube: il y a donc un électron intrinsèque (ou excité) pour un milliard (10⁹) d’atomes!

Rôle des impuretés

La faible valeur de n ⁱ explique que le nombre d’électrons dans la bande de conduction sera très sensible aux perturbations extérieures. Parmi celles-ci, certaines impuretés chimiques jouent un rôle très important: ce sont les éléments ayant un électron de valence de plus ou de moins que l’atome de semiconducteur, c’est-à-dire les éléments pentavalents ou trivalents. Examinons, par exemple, le cas d’un atome d’arsenic substitué à un atome de germanium dans le cristal (fig. 2 b). L’arsenic a cinq électrons de valence; quatre d’entre eux assurent les liaisons covalentes avec les atomes de germanium voisins, mais le cinquième est disponible et peut être excité moyennant une faible énergie dans la bande de conduction du cristal. Un tel atome d’impureté est appelé donneur . À température ambiante, toutes ces impuretés sont ionisées, et la concentration d’électrons dans la bande de conduction est augmentée de ^D, concentration en donneurs. Dans le germanium et le silicium, les donneurs le plus fréquemment utilisés sont le phosphore, l’arsenic et l’antimoine; un tel semiconducteur est dit de type n .

Considérons maintenant un atome trivalent, comme le bore, substitué à un atome de germanium dans le cristal (fig. 2 c). Le bore possède trois électrons de valence qui assurent les liaisons avec trois atomes voisins, mais la quatrième liaison est pendante. Un électron de valence voisin est aisément piégé pour assurer cette liaison, laissant un trou dans la bande de valence. Ce trou se déplace facilement de proche en proche à travers le cristal. Un tel atome d’impureté est appelé accepteur . À température ambiante, tous ces atomes d’accepteurs sont ionisés, et la concentration en trous dans la bande de valence est augmentée de ^A, concentration en accepteurs. Dans le germanium et le silicium, les accepteurs les plus utilisés sont le bore, l’indium, le gallium. Un tel semiconducteur est dit de type p.

2. Propriétés physiques

Conductivité électrique

Les propriétés électriques des solides sont maintenant bien comprises grâce à la propriété fondamentale suivante: les électrons d’une bande d’énergie pleine ne peuvent pas être animés d’un déplacement collectif, donc ne peuvent pas engendrer un courant électrique. Cette propriété est une conséquence directe de la mécanique quantique et du principe de Pauli. Une comparaison simple permet de comprendre l’origine de cette propriété. Considérons un garage à voitures: les places de parking sont quantifiées, et l’on ne peut mettre plus d’une voiture par place (principe de Pauli). Lorsque toutes les places sont occupées, l’ensemble est figé, et les voitures ne peuvent pas se déplacer. S’il n’y a que quelques voitures, elles se déplacent facilement; s’il y a quelques places vides (trous), on peut également faire bouger l’ensemble; il est plus simple dans ce cas de décrire la situation en considérant le déplacement du trou. Dans les solides, les trous correspondent à l’absence d’un électron de valence, donc à une charge positive locale. Les cristaux covalents et ioniques purs sont donc isolants à basse température; en revanche, les semiconducteurs dopés ou chauffés et les métaux sont conducteurs de l’électricité. Dans les semiconducteurs, le courant électrique correspond à un écoulement des électrons négatifs de la bande de conduction ou des trous positifs de la bande de valence. Ce courant est mesuré par le débit de particules multiplié par leur charge électrique. Le débit par unité de surface d’un flux de particules est simplement donné par la densité n de ces particules multipliée par leur vitesse d’écoulement v, la densité de courant électrique étant alors donnée par la formule suivante:

où e est la valeur absolue de la charge électronique (e = 1,6 憐 10^-19 C), où vⁿ et v^p sont, respectivement, les vitesses d’écoulement des électrons et des trous. Les vitesses vⁿ et v^p sont communiquées par l’application d’un champ électrique E. Tant que ce champ électrique est faible, le solide suit la loi d’Ohm, c’est-à-dire que le courant est proportionnel au champ E:

la constante 靖 étant la conductivité électrique. Le seul paramètre dépendant du champ électrique est la vitesse des porteurs, et l’on peut écrire:

猪ⁿ et 猪^p étant les mobilités des électrons et des trous. La conductivité d’un matériau est alors donnée par la formule:

Pour chaque type de porteurs, la conductivité est essentiellement le produit de deux paramètres: la concentration et la mobilité. La variation de la conductivité avec la température et le dopage en impuretés est régie par ces deux paramètres. Soit un semiconducteur de type n dopé avec une concentration ^D = 10¹⁴ cm^-3 en donneurs. À basse température, n est pratiquement nul; en chauffant, les donneurs s’ionisent, et l’on tend vers n = ^D. Cette concentration reste constante tant que la concentration intrinsèque n ⁱ reste petite devant ^D; à plus haute température, n varie comme n ⁱ . La concentration n peut donc varier d’un facteur compris entre 10¹⁴ et 10¹⁶. On peut faire le même raisonnement pour la concentration en trous dans un semiconducteur de type p . La mobilité, elle, varie également avec la température, mais dans des proportions beaucoup plus faibles, comme le montre le tableau 1.

Propriétés optiques, photoconductivité, lumière de recombinaison

La mécanique quantique nous apprend qu’un photon de fréquence 益 est absorbé par la matière si un électron peut faire un saut en énergie E tel que E = h 益, où h est la constante de Planck. L’existence d’une bande d’énergie interdite de largeur E^G entraîne l’existence d’un seuil d’absorption 益⁰ de la lumière, tel que h 益⁰ = E^G. Pour des photons de fréquence 益 麗 益⁰, le semiconducteur est transparent; pour 益 礪 益⁰, le semiconducteur devient absorbant. Le tableau 2 donne le seuil d’absorption pour certains semiconducteurs usuels.

Lorsqu’un photon de fréquence 益 礪 益⁰ est absorbé, un électron est envoyé de la bande de valence vers la bande de conduction; n et p augmentent donc avec le flux incident, ainsi que la conductivité du semiconducteur: ce phénomène est appelé la photoconductivité (cf. effet PHOTOÉLECTRIQUE). Il est utilisé pour la mesure des flux lumineux, comme dans les cellules photoélectriques d’appareils photographiques. Le matériau le plus utilisé pour cette application est le sulfure de cadmium (CdS).

Si, inversement, on crée au sein du semiconducteur des paires électron-trou en excès, les électrons de la bande de conduction vont avoir tendance à se recombiner avec des trous de la bande de valence. L’énergie correspondante peut être émise sous forme de photon: le semiconducteur joue alors le rôle d’un émetteur de lumière. Cette lumière est émise sous forme d’une bande assez large de fréquence voisine de 益⁰. Ainsi, l’arséniure de gallium émet dans le proche infrarouge, et le phosphure de gallium dans le visible. On peut même avoir inversion de population entre les deux bandes, phénomène analogue à ce qui se passe entre deux niveaux atomiques. Dans ces conditions, on peut obtenir l’effet d’amplification de la lumière (laser), et des lasers à semiconducteurs ont effectivement été réalisés ^{[cf. LASERS]}.

3. Dispositifs à semiconducteurs

La jonction n-p

La jonction n-p est un dispositif semiconducteur constitué d’un cristal dont une partie a été dopée n et l’autre dopée p , les deux parties étant séparées par un plan dit de jonction (fig. 3). Examinons le fonctionnement d’un tel dispositif. Imaginons que l’on sépare la jonction en deux parties et qu’on relie la région n au pôle négatif d’un générateur et la région p au pôle positif (polarisation directe ). Les électrons libres de la région n , ainsi que les trous libres de la région p , vont vers la jonction, vu le sens de polarisation. Si les deux parties sont en contact, un courant passe. Les électrons sont injectés dans la région p et les trous dans la région n . On dit qu’il y a injection de porteurs minoritaires. Si l’on polarise la jonction en sens inverse, les électrons allant vers le pôle + et les trous vers le pôle 漣, ils s’éloignent de la jonction, laissant au voisinage de celle-ci des charges dues aux impuretés ionisées. Mais ces impuretés sont des atomes rigidement liés au réseau cristallin, qui ne peuvent se déplacer. Si l’on met les deux parties en contact, on a au voisinage une région isolante, et la résistance du dispositif en polarisation inverse sera donc très élevée. La jonction n-p joue donc le rôle d’un redresseur laissant passer le courant électrique en polarisation directe et présentant une très forte résistance en polarisation inverse. Si la polarisation est directe, il y a injection de porteurs minoritaires, par exemple des électrons dans la région p ; ces électrons ont tendance à se recombiner avec les trous présents en grand nombre dans cette région p ; ils le font au bout d’un temps 精 appelé durée de vie des porteurs minoritaires. Cette durée de vie est l’un des paramètres fondamentaux qui détermine la qualité de la jonction. Plus 精 est grand, plus l’effet redresseur est marqué. Le silicium est à ce sujet le meilleur semiconducteur connu ( 精 peut atteindre la valeur de 1 milliseconde, alors qu’il est de l’ordre de la microseconde pour la plupart des autres semiconducteurs). Un autre paramètre important est la longueur de diffusion : l’électron injecté dans la région p diffuse sur une certaine distance L avant de disparaître au bout du temps 精; c’est cette longueur moyenne parcourue par les électrons dans la région p qui est appelée longueur de diffusion. Elle est de l’ordre de plusieurs micromètres pour le silicium.

Le transistor

Le transistor est l’élément actif (amplificateur) qui est à la base de toute l’électronique à l’état solide. Il fut découvert en 1948 par John Bardeen, Walter Brattain et William B. Shockley. Il est simplement constitué de deux jonctions en série selon deux possibilités: structure n-p-n ou p-n-p . Examinons la première (fig. 4). La jonction n-p polarisée en direct est dite émettrice ; elle injecte des électrons dans la région p dite base . Si l’épaisseur de la base est plus petite que la longueur de diffusion des porteurs minoritaires, ces électrons atteignent la jonction p-n polarisée en inverse; ils sont fortement accélérés dans cette jonction dite collectrice et recueillis dans la région n . Ce dispositif est amplificateur: il faut très peu d’énergie pour injecter les électrons dans la base, puisque la jonction émettrice présente une très faible résistance, et l’on recueille une grande énergie dans la jonction collectrice. L’énergie fournie à l’électron dans l’émetteur est e V^b (fig. 4), l’énergie recueillie dans le collecteur est e V^c ; le gain en énergie est donc g = V^c /V^b , qui est de l’ordre de 100.

Le transistor a remplacé pratiquement tous les anciens dispositifs amplificateurs à tubes ^{[cf. TRANSISTORS ET THYRISTORS]}.

Transistor à effet de champ

Le transistor à effet de champ fonctionne sur un principe totalement différent de celui du transistor à jonction. On utilise le fait qu’une tension inverse appliquée à une jonction crée une barrière isolante dont la largeur augmente avec la tension appliquée. Si cette barrière s’étend dans un canal conducteur, on peut ainsi moduler la section du canal et donc sa résistance. On obtient un dispositif amplificateur, car la puissance de commande est très faible, la jonction de commande étant polarisée en inverse et ne débitant pas. On voit la différence fondamentale avec le transistor à jonction; dans ce dernier, la commande se fait à fort courant et à tension très faible, tandis que, dans le transistor à effet de champ, la commande se fait à forte tension mais à débit pratiquement nul. Ce dernier dispositif ressemble beaucoup plus au tube triode, où la commande se fait sur une grille à débit nul. Dans ce dispositif, le courant est transporté par les porteurs majoritaires (il n’y a pas injection), et les notions de durée de vie et de longueur de diffusion n’interviennent pas. La commande se faisant à travers une barrière isolante, on peut utiliser pour celle-ci une couche d’oxyde de silicium (SiO²) au lieu d’une jonction polarisée en inverse. Ce système existe et s’appelle MOS (metal-oxide-semiconductor ). Les transistors à effet de champ sont utilisés dans des applications où l’on a besoin de faible consommation et de grande rapidité.

Dispositifs optoélectroniques

Dans les dispositifs optoélectroniques, les électrons interagissent avec la lumière. Ces systèmes sont de deux types: émetteurs et détecteurs de lumière.

Émetteurs

Les systèmes émetteurs sont fondés sur le phénomène de recombinaison radiative d’une paire électron-trou. Le problème principal pour la réalisation de ces dispositifs est de trouver une méthode simple et économique de création de ces paires. Ce problème est résolu par l’utilisation de jonctions n-p polarisées en direct permettant d’injecter des porteurs minoritaires et d’obtenir ensuite une recombinaison radiative. Des dispositifs émettant dans le visible, à base de phosphure d’indium et d’alliages d’arséniure d’aluminium et d’arséniure de gallium, ont supplanté les lampes miniatures à incandescence pour l’affichage sur les appareils électroniques.

À fort taux d’injection, on peut obtenir l’effet laser. Des lasers à semiconducteurs ont été réalisés avec l’arséniure de gallium, ils émettent depuis le domaine visible jusqu’à l’infrarouge lointain, certains sont utilisés pour la fabrication des lecteurs de disques compacts.

Détecteurs

Le phénomène de photoconductivité sert à mesurer un flux lumineux incident: c’est le principe des cellules à sulfure de cadmium. Les détecteurs les plus intéressants sont constitués de jonctions n-p . En effet, si un photon crée une paire électron-trou dans la barrière, le champ électrique qui y règne entraîne l’électron et le trou dans des directions opposées (loin de la jonction), et, si les régions n et p sont connectées par un circuit extérieur, le courant électrique pourra se refermer. On a donc un dispositif qui produit un courant dans un circuit extérieur, c’est-à-dire une véritable pile électrique, l’énergie étant fournie par les photons incidents. Ces photopiles sont couramment utilisées dans les satellites pour convertir l’énergie lumineuse provenant du Soleil en énergie électrique servant à alimenter les appareils de bord ^{[cf. PHOTOPILES SOLAIRES]}. Le semiconducteur utilisé pour cette application est le silicium. On peut envisager d’utiliser les mêmes photodiodes pour produire de l’électricité à terre à partir de l’énergie solaire. Leur prix de revient élevé a freiné, un moment, le développement de ces sources d’énergie.

Autres applications

Parmi les autres applications importantes des semiconducteurs, et sans prétendre être exhaustif, citons les détecteurs de particules nucléaires et les générateurs d’hyperfréquences.

Détecteurs nucléaires

Le passage d’une particule ou d’un photon de grande énergie (rayonnements 見, 廓, 塚 par exemple) crée également des paires électron-trou par ionisation au sein d’un semiconducteur. Ces charges peuvent être collectées par une jonction n-p . Ce dispositif est tout à fait analogue aux photopiles et est couramment utilisé. Le silicium convient parfaitement pour la détection du rayonnement 見. Pour les rayons 塚, il faut des atomes plus lourds, et l’on utilise le germanium ou l’antimoniure d’indium.

Générateurs d’hyperfréquences

Lorsqu’on soumet un semiconducteur à un champ électrique très élevé, divers phénomènes d’instabilité apparaissent, qui peuvent donner naissance à des oscillations de courant à très haute fréquence dans la gamme de 10 à 100 GHz. Ces dispositifs sont alors utilisés comme générateurs d’hyperfréquences, pour des radars par exemple. Deux types sont commercialisés:

– les diodes à effet Gunn, qui utilisent un phénomène observé par John Battiscombe Gunn en 1963, c’est-à-dire l’apparition d’une oscillation de très haute fréquence dans un monocristal d’arséniure de gallium soumis à un champ électrique supérieur à 3 000 V/cm;

– les diodes à avalanche, qui utilisent les oscillations qui apparaissent dans une jonction n-p polarisée en inverse à l’avalanche, c’est-à-dire dans des conditions telles qu’on crée une véritable décharge électrique dans la barrière isolante; ces oscillations sont analogues à celles que l’on observe dans les plasmas gazeux.

4. Technologie

Le succès industriel des dispositifs à semiconducteurs est dû en grande partie aux technologies avancées qui ont été mises au point pour leur élaboration. On décrira ici la technologie du silicium, semiconducteur de loin le plus utilisé.

Le premier stade du processus est l’obtention de monocristaux de grande perfection cristalline et de pureté très élevée. On sait actuellement fabriquer industriellement des cristaux contenant moins de un atome d’impureté par milliard d’atomes de silicium.

Le cristal est ensuite découpé en plaquettes, et l’on réalise de nombreux dispositifs électroniques sur la même plaquette. Actuellement, on dépasse 100 000 dispositifs par centimètre carré (fig. 5). Cela est possible grâce aux techniques de photogravure ^{[cf. PHOTOGRAPHIE]} et de diffusion des impuretés. Les régions n et p sont fabriquées par diffusion d’atomes de donneurs (P, As) ou d’accepteurs (B) à partir de la surface, en chauffant la plaquette de silicium en présence d’une atmosphère contenant les impuretés désirées. Afin de ne diffuser que dans des régions bien déterminées, on utilise le processus suivant:

– La plaquette de silicium est oxydée, de façon à former une mince couche de silice.

– L’étape suivante, la photogravure, est la phase essentielle; elle permet de créer un dessin avec une très bonne résolution (de l’ordre du micromètre). Comme dans la photolithographie, la plaquette est recouverte d’une résine photosensible. Un masque, au dessin très précis, est placé entre la source lumineuse et la plaquette. Dans les régions non exposées, la résine est dissoute dans un solvant, et la silice, qui se trouve en dessous, attaquée par l’acide fluorhydrique. L’oxyde est protégé dans les régions non éclairées. On a ainsi créé des ouvertures dans la couche d’oxyde.

– La diffusion d’impuretés se fait ensuite uniquement par les ouvertures dans l’oxyde.

– Ce processus d’oxydation, d’ouverture de fenêtres, puis de diffusion peut être recommencé plusieurs fois afin d’obtenir des structures très complexes.

– Le processus se termine par des dépôts métalliques pour prises de contact.

La figure 6 montre un circuit de mémoire pour ordinateur fabriqué par cette technique d’intégration à grande échelle (large-scale integration , ou LSI).

Encyclopédie Universelle. 2012.