Dispositif semi-conducteur, composant de circuit électronique fabriqué à partir d'un matériau qui n'est ni un bon conducteur ni un bon isolant (donc semi-conducteur). De tels dispositifs ont trouvé de larges applications en raison de leur compacité, de leur fiabilité et de leur faible coût. En tant que composants discrets, ils ont trouvé une utilisation dans les dispositifs d'alimentation, les capteurs optiques et les émetteurs de lumière, y compris les lasers à semi-conducteurs. Ils ont un large éventail de capacités de gestion du courant et de la tension, avec des intensités nominales de quelques nanoampères (10 -9ampères) à plus de 5 000 ampères et des tensions nominales s'étendant au-dessus de 100 000 volts. Plus important encore, les dispositifs à semi-conducteurs se prêtent à l'intégration dans des circuits microélectroniques complexes mais faciles à fabriquer. Ils sont, et seront dans un avenir prévisible, les éléments clés de la majorité des systèmes électroniques, y compris les équipements de communication, de consommation, de traitement des données et de contrôle industriel.
Semiconducteurs et principes de jonction
Matériaux semi-conducteurs
Les matériaux à l'état solide sont généralement regroupés en trois classes: isolateurs, semi-conducteurs et conducteurs. (À basses températures, certains conducteurs, semi-conducteurs et isolants peuvent devenir supraconducteurs.) La figure 1 montre les conductivités σ (et les résistivités correspondantes ρ = 1 / σ) associées à certains matériaux importants dans chacune des trois classes. Les isolants, tels que le quartz fondu et le verre, ont des conductivités très faibles, de l'ordre de 10 -18 à 10 -10 siemens par centimètre; et les conducteurs, tels que l'aluminium, ont des conductivités élevées, typiquement de 10 4 à 10 6 siemens par centimètre. Les conductivités des semi-conducteurs se situent entre ces extrêmes.
La conductivité d'un semi-conducteur est généralement sensible à la température, à l'éclairage, aux champs magnétiques et aux quantités infimes d'atomes d'impuretés. Par exemple, l'ajout de moins de 0,01% d'un type d'impureté particulier peut augmenter la conductivité électrique d'un semi-conducteur de quatre ordres de grandeur ou plus (c'est-à-dire 10 000 fois). Les plages de conductivité des semi-conducteurs dues aux atomes d'impuretés pour cinq semi-conducteurs communs sont données dans la figure 1.
L'étude des matériaux semi-conducteurs a commencé au début du 19e siècle. Au fil des ans, de nombreux semi-conducteurs ont été étudiés. Le tableau montre une partie du tableau périodique relatif aux semi-conducteurs. Les semi-conducteurs élémentaires sont ceux composés d'espèces d'atomes uniques, tels que le silicium (Si), le germanium (Ge) et l'étain gris (Sn) dans la colonne IV et le sélénium (Se) et le tellure (Te) dans la colonne VI. Il existe cependant de nombreux semi-conducteurs composés composés de deux éléments ou plus. L'arséniure de gallium (GaAs), par exemple, est un composé binaire III-V, qui est une combinaison de gallium (Ga) de la colonne III et d'arsenic (As) de la colonne V.
Partie du tableau périodique des éléments liés aux semi-conducteurs
| période | colonne | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| II | III | IV | V | VI | |
| 2 | bore
B |
carbone
C |
azote
N |
||
| 3 | magnésium
Mg |
aluminium
Al |
silicium
Si |
phosphore
P |
soufre
S |
| 4 | zinc
Zn |
gallium
Ga |
germanium
Ge |
l'arsenic
As |
sélénium
Se |
| 5 | cadmium
Cd |
indium
In |
étain
Sn |
antimony
Sb |
tellure
Te |
| 6 | mercure
Hg |
plomb
Pb |
|||
Les composés ternaires peuvent être formés par des éléments de trois colonnes différentes, comme, par exemple, le tellurure d'indium et de mercure (HgIn 2 Te 4), un composé II-III-VI. Ils peuvent également être formés par des éléments de deux colonnes, tels que l'arséniure d'aluminium et de gallium (Al x Ga 1 - x As), qui est un composé ternaire III-V, où Al et Ga proviennent de la colonne III et l'indice x est lié à la composition des deux éléments de 100% Al (x = 1) à 100% Ga (x = 0). Le silicium pur est le matériau le plus important pour l'application de circuits intégrés, et les composés binaires et ternaires III-V sont les plus importants pour l'émission de lumière.
Avant l'invention du transistor bipolaire en 1947, les semi-conducteurs n'étaient utilisés que comme dispositifs à deux bornes, tels que des redresseurs et des photodiodes. Au début des années 1950, le germanium était le principal matériau semi-conducteur. Cependant, il s'est avéré inadapté à de nombreuses applications, car les dispositifs en matériau présentaient des courants de fuite élevés à des températures modérément élevées. Depuis le début des années 60, le silicium est devenu un substitut pratique, supplantant pratiquement le germanium comme matériau pour la fabrication de semi-conducteurs. Les raisons principales en sont doubles: (1) les dispositifs en silicium présentent des courants de fuite beaucoup plus faibles et (2) du dioxyde de silicium de haute qualité (SiO 2), qui est un isolant, est facile à produire. La technologie du silicium est désormais de loin la plus avancée de toutes les technologies de semi-conducteurs, et les dispositifs à base de silicium représentent plus de 95% de tout le matériel semi-conducteur vendu dans le monde.
De nombreux semi-conducteurs composés ont des propriétés électriques et optiques absentes du silicium. Ces semi-conducteurs, en particulier l'arséniure de gallium, sont principalement utilisés pour des applications à grande vitesse et optoélectroniques.
