Semi-conducteur

Unsemi-conducteurest unmatériauqui a les caractéristiques électriques d'unisolant, mais pour lequel la probabilité qu'unélectronpuisse contribuer à uncourant électrique, quoique faible, est suffisamment importante. En d'autres termes, laconductivité électriqued'un semi-conducteur est intermédiaire entre celle desmétauxet celle des isolants.
Le comportement électrique des semi-conducteurs est généralement modélisé, enphysique de l'état solide, à l'aide de lathéorie des bandesd'énergie. Selon celle-ci, un matériau semi-conducteur possède une bande interdite suffisamment petite pour que des électrons de la bande de valence puissent facilement rejoindre labande de conduction. Si unpotentiel électriqueest appliqué à ses bornes, un faiblecourant électriqueapparaît, provoqué à la fois par le déplacement des électrons et par celui des «trous» qu'ils laissent dans la bande de valence.
La conductivité électrique des semi-conducteurs peut être contrôlée pardopage, en introduisant une petite quantité d'impuretés dans le matériau afin de produire un excès d'électrons ou un déficit. Des semi-conducteurs dopés différemment peuvent être mis en contact afin de créer desjonctions, permettant de contrôler la direction et la quantité de courant qui traverse l'ensemble. Cette propriété est à la base du fonctionnement des composants de l'électroniquemoderne :diodes,transistors,etc.
Lesiliciumest le matériau semi-conducteur le plus utilisé commercialement, du fait de ses bonnes propriétés et de son abondance naturelle même s'il existe également des dizaines d'autres semi-conducteurs utilisés, comme legermanium, l'arséniure de galliumou lecarbure de silicium.
Le comportement des semi-conducteurs, comme celui des métaux et des isolants est décrit via lathéorie des bandes. Ce modèle dispose qu'un électron dans un solide ne peut que prendre des valeurs d'énergie comprises dans certains intervalles que l'on nomme « bandes », plus spécifiquementbandes permises, lesquelles sont séparées par d'autres « bandes » appeléesbandes d'énergie interditesoubandes interdites.
Deux bandes d'énergie permises jouent un rôle particulier :
La bande de valence est riche en électrons mais ne participe pas aux phénomènes de conduction (pour les électrons). La bande de conduction, quant à elle, est soit vide (comme aux températures proches duzéro absoludans un semi-conducteur) soit semi-remplie (comme dans le cas des métaux) d'électrons. Cependant c'est elle qui permet aux électrons de circuler dans le solide.
Dans les conducteurs (métaux), la bande de conduction et la bande de valence se chevauchent. Les électrons peuvent donc passer directement de la bande de valence à la bande de conduction et circuler dans tout le solide.
Dans un semi-conducteur, comme dans un isolant, ces deux bandes sont séparées par unebande interdite, appelée couramment par son équivalent anglais plus court «gap». L'unique différence entre un semi-conducteur et un isolant est la largeur de cette bande interdite, largeur qui donne à chacun ses propriétés respectives.
Dans un isolant, cette valeur est si grande (aux alentours de6eVpour le diamant par exemple) que les électrons ne peuvent pas passer de la bande de valence à la bande de conduction : les électrons ne circulent pas dans le solide.
Dans les semi-conducteurs, cette valeur est plus petite (1,12eVpour lesilicium,0,66eVpour legermanium,2,26eVpour lephosphure de gallium). Si l'on apporte cette énergie (ou plus) aux électrons, par exemple en chauffant le matériau, ou en lui appliquant un champ électromagnétique, ou encore dans certains cas en l'illuminant, les électrons sont alors capables de passer de la bande de valence à la bande de conduction, et de circuler dans le matériau.
La famille des matériaux semi-conducteurs, isolant à bande interdite de l'ordre de1eV, peut être divisée en deux groupes : les matériaux àgapdirect, comme la plupart des composés issus descolonnes IIIet V dutableau périodique des élémentschimiques, et les matériaux àgapindirect, comme le silicium (colonne IV).
La notion degapdirect et indirect est liée à la représentation de la dispersion énergétique d'un semi-conducteur : le diagrammeE(énergie) -k(nombre d'onde). Ce diagramme permet de définir spatialement les extrema des bandes de conduction et de valence. Ces extrema représentent, dans un semi-conducteur à l'équilibre, des domaines énergétiques où la densité de porteurs typeppour la bande de valence et typenpour la bande de conduction sont importantes.
On parle de semi-conducteur àgapdirect lorsque le maximum de la bande de valence et le minimum de la bande de conduction se situent à des valeurs du nombre d'ondekproches sur le diagrammeE(k).
Inversement, on parle de semi-conducteur àgapindirect lorsque le minimum de bande de conduction et le maximum de la bande de valence se situent à des valeurs distinctes du nombre d'ondeksur le diagrammeE(k).
Dans le cadre des applications enémetteur de lumière(interaction lumière/matière), on privilégie les matériaux àgapdirect. En effet, les extrema de bandes étant situés à des valeurs deksemblables, la probabilité de recombinaison radiative des porteurs (rendement quantique interne) est supérieure grâce à la conservation de laquantité de mouvement(même nombre d'ondek).
Dans le domaine de l'opto-électronique, un paramètre essentiel à la compréhension des phénomènes de générations / recombinaisons de porteurs, est la notion de coefficient d'absorption. Celui-ci a deux caractères communs à l'ensemble des semi-conducteurs àgapdirect. Il présente tout d'abord un comportement assimilable en première approximation à une marche d'escalier. Ainsi, pour une énergie incidente inférieure à l'énergie de bande interdite, le matériau est « transparent » au rayonnement incident, et le coefficient d'absorption est très faible. À partir d'une valeur proche de l'énergie de bande interdite, ce coefficient présente une valeur constante aux alentours deα≈ 10cm.
On parle ainsi de seuil d'absorption optique.
Un semi-conducteur est dit intrinsèque lorsqu'il est pur : il ne comporte aucune impureté et son comportement électrique ne dépend que de la structure du matériau. Ce comportement correspond à un semi-conducteur parfait, c'est-à-dire sans défaut structurel ou impureté chimique. Un semi-conducteur réel n'est jamais parfaitement intrinsèque mais peut parfois en être proche comme lesiliciummonocristallin pur.
Dans un semi-conducteur intrinsèque, lesporteurs de chargene sont créés que par des défauts cristallins et par excitation thermique. Le nombre d'électrons dans la bande de conduction est égal au nombre de trous dans la bande de valence.
Ces semi-conducteurs ne conduisent pas, ou très peu, le courant, excepté si on les porte à haute température.
La formation des bandes interdites étant due à la régularité de la structure cristalline, toute perturbation de celle-ci tend à créer des états accessibles à l'intérieur de ces bandes interdites, rendant le gap plus « perméable ». Ledopageconsiste à implanter des atomes correctement sélectionnés (nommés « impuretés ») à l'intérieur d'un semi-conducteur intrinsèque afin d'en contrôler les propriétés électriques.
La technique du dopage augmente la densité des porteurs à l'intérieur du matériau semi-conducteur. Si elle augmente la densité d'électrons, il s'agit d'un dopage de typeN. Si elle augmente celle des trous, il s'agit d'un dopage de typeP. Les matériaux ainsi dopés sont appelés semi-conducteurs extrinsèques.
Le dopage de typeNconsiste à augmenter la densité en électrons dans le semi-conducteur. Pour ce faire, on inclut un certain nombre d'atomes riches en électrons dans le semi-conducteur.
Par exemple, dans un cristal desilicium(Si), chaque atome de silicium a quatre électrons de valence ; chacun de ces électrons formant uneliaison covalenteavec un électron de valence d'un des quatre atomes voisins. Pour doper ce cristal de silicium enN, on y insère un atome ayant cinq électrons de valence, comme ceux de lacolonne V(VA) de latable périodique: lephosphore(P), l'arsenic(As) ou l'antimoine(Sb).
Cet atome incorporé dans le réseau cristallin présentera quatre liaisons covalentes et un électron libre. Ce cinquième électron, qui n'est pas un électron de liaison, n'est que faiblement lié à l'atome et peut être facilement excité vers labande de conduction. Aux températures ordinaires, quasiment tous ces électrons le sont. Comme l'excitation de ces électrons ne conduit pas à la formation de trous dans ce genre de matériau, le nombre d'électrons dépasse de loin le nombre de trous. Les électrons sont desporteurs majoritaireset les trous desporteurs minoritaires. Et parce que les atomes à cinq électrons ont un électron supplémentaire à « donner », ils sont appelés atomes donneurs.
Le dopage de typePconsiste à augmenter la densité en trous dans le semi-conducteur. Pour le faire, on inclut un certain nombre d'atomes pauvres en électrons dans le semi-conducteur afin de créer un excès de trous.
Dans l'exemple du silicium, on inclura un atome trivalent (colonne IIIdu tableau périodique), généralement un atome debore. Cet atome n'ayant que trois électrons de valence, il ne peut créer que trois liaisons covalentes avec ses quatre voisins créant ainsi un trou dans la structure, trou qui pourra être rempli par un électron donné par un atome de silicium voisin, déplaçant ainsi le trou. Quand le dopage est suffisant, le nombre de trous dépasse de loin le nombre d'électrons. Les trous sont alors desporteurs majoritaireset les électrons desporteurs minoritaires.
Une jonctionP-Nest créée par la mise en contact d'un semi-conducteur dopéNet d'un semi-conducteur dopéP. La jonction entraîne l'égalisation desniveaux de Fermipar décalage des bandes.
Si l'on applique une tension positive du côté de la régionP, les porteurs majoritaires positifs (les trous) sont repoussés vers la jonction. Dans le même temps, les porteurs majoritaires négatifs du côtéN(les électrons) sont attirés vers la jonction. Arrivés à la jonction, soit les porteurs se recombinent (un électron tombe dans un trou) en émettant un photon éventuellement visible (DEL), soit ces porteurs continuent leur course au travers de l'autre semi-conducteur jusqu'à atteindre l'électrode opposée : le courant circule, son intensité varie en exponentielle de la tension.
Si la différence de potentiel est inversée, les porteurs majoritaires des deux côtés s'éloignent de la jonction, bloquant ainsi le passage du courant à son niveau. Ce comportement asymétrique est utilisé notamment pour redresser lecourant alternatif.
La jonctionP-Nest à la base du composant électronique nommé «diode», qui ne permet le passage du courant électrique que dans un seul sens. De manière similaire, une troisième région peut être dopée pour former des doubles jonctionsN-P-NouP-N-Pqui forment lestransistors bipolaires. Dans ce cas-là, les deux semi-conducteurs de même type sont appelés « émetteur » et « collecteur ». Le semi-conducteur situé entre l'émetteur et le collecteur est appelé « base » ; il a une épaisseur de l'ordre du micromètre. Lorsqu'on polarise la jonction émetteur-base en direct, celle-ci est passante alors que la jonction base-collecteur est bloquée. Cependant la base est assez fine pour permettre aux nombreux porteurs majoritaires injectés depuis l'émetteur (fortement dopé) de la traverser avant d'avoir le temps de se recombiner. Ils se retrouvent ainsi dans le collecteur, produisant un courant contrôlé par ce courant de base.
En septembre2009, l'Union européennea lancé son programme IMPROVE(pourImplementing Manufacturing Science Solutions to Increase Equipment Productivity and Fab Performance). Premier projet de recherche européen visant une meilleure efficacité dans l'industrie des semi-conducteurs, il était doté de37,7 millionsd'euros. Cepartenariat public-privéassociait des producteurs européens de semi-conducteurs à de grands instituts de recherche, universités et producteurs de logiciels (trente-cinq partenaires en tout en 2009).
Le programme était en place pour durer pendant36 mois(finalement ouvert pendant3,5 ans), avec trois thèmes principaux:
Le marché des semi-conducteurs s'accroît au début duXXIsièclede façon quasi-continue. Au premier trimestre 2021, il est de101 milliardsd'euros.
En 2020, les entreprises américaines représentent 48 % des ventes mondiales de puces, mais les 70 usines situées aux États-Unis ne représentent que 12 % de la fabrication mondiale de semi-conducteurs, contre 37 % en 1990. Le marché américain étant à cette date de208 milliardsde dollars pour 250 000 emplois directs.
En 2021, 75 % de la fabrication mondiale de puces est concentrée enAsie de l'Est. La Chine qui en 1990 part de quasiment rien arrive en 2019 à 12 % de la production mondiale et devrait avoir la plus grande part de la production de puces au monde d'ici 2030 avec 24 % en raison de subventions gouvernementales estimées à cent milliards de dollars.
Fin août 2022,Joe Bidensigne le Chips Act, un plan d'investissement de 52 milliards de dollars dans l'industrie américaine des microprocesseurs avec pour objectif d'encourager la production des puces électroniques sur le sol américain.
En 2024, Taïwan produit à elle seule plus de 60 % des semi-conducteurs dans le monde.
NB* : en octobre 2008, AMD annonce s'orienter vers lefabless, et se sépare de sa fonderie en 2009 qui devientGlobalFoundries.
La crise de la Covid-19 a mis en lumière la dépendance de l'industrie européenne aux semi-conducteurs fabriqués en Asie. En effet, la pénurie qui en a suivi a freiné grandement la production des pays membres de l'Union européenne.
Le 8 février 2022, la Commission européenne a proposé de débloquer43 milliardsd'euros pour réduire sa dépendance envers l'Asie.« Nous nous sommes fixé l’objectif d’avoir 20 % du marché mondial en 2030 »avait déclaré à l'occasion, la présidenteUrsula von der Leyen.
Le 1er février 2023, le groupe américain Wolfspeed et l'équipementier allemand ZF annoncent la construction à Endsdorf dans la Sarre de« la plus grande usine au monde »pour produire des puces en carbure de silicium. Après les projets d'Infineon àDresdeet d'Intel àMagdebourg, c'est le troisième projet d'usine de semi-conducteurs en Allemagne.
Les principales entreprises de production de composants en semi-conducteurs présentes enFrancesont:
et peut-être lesnanotubes de carbone