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Au cœur de la matière et de ses propriétés est l’atome. On attribue la notion d’atome aux philosophes de la Grèce antique, qui se représentaient un monde composé d’éléments microscopiques et indivisible. Cela ne procédait nullement d’observations scientifiques, mais plutôt d’une approche intuitive de la nature et d’une esthétique de l’univers.
Durant les siècles qui suivent, l’approche conceptuelle cède la place à une démarche plus pragmatique dont le but est l’ingénierie de certains matériaux et en particulier des métaux. Ainsi émergent les pratiques de l’alchimie et de la chimie. Les scientifiques découvrent de nouveaux éléments et la liste semble s’allonger indéfiniment, ainsi que celles de leurs propriétés chimiques et électriques… Il devient urgent de mettre de l’ordre.
En 1869, un scientifique Russe commence à classer les éléments selon leurs propriétés de masse et de réactivité. Son nom, Mandeleïev, reste encore aujourd’hui associé à cette table périodique des éléments. Ce travail confirme que la matière est composée d’atomes, et que la structure de ces atomes commande leurs propriétés physiques et chimiques. Dès la fin du 19ème siècle, il est établi que l’atome est constitué d’un noyau de charge électrique positive, enveloppé d’un nuage d’électrons de charge négative. Au début du 20ème siècle, la découverte du neutron et les développements de la mécanique quantique permettent d’expliquer les propriétés des atomes.
Un atome est formé d’un noyau composé de protons (qui définissent l’élément) et de neutrons qui déterminent ensemble la masse et les propriétés nucléaires (telles que la radioactivité). Ce cœur est entouré d’un nuage électronique qui détermine les propriétés chimiques et électriques. La mécanique quantique impose aux propriétés physiques des électrons de ne pouvoir prendre que quelques valeurs discrètes. Ces derniers s’organisent donc dans des couches électroniques (ou énergétiques) et du remplissage de chacune découle les propriétés électriques de l’atome.
Les électrons de l’atome commencent par remplir les couches d’énergie les plus basses (les plus proches du noyau, donc plus stables) jusqu’aux couches les plus éloignés. La couche la plus éloignée est appelée couche de valence et c’est principalement ici que tout se joue. En particulier, un électron peut s’échapper de la couche de valence et se déplacer (et potentiellement la lacune de charge qu’il laisse derrière) participant ainsi à la conduction. Lorsque les atomes s’associent pour former un matériau macroscopique, leurs interactions et les périodicités de leur arrangement transforme la distribution des états possibles pour les électrons. Les états d’énergie discrets deviennent ainsi des zones énergétiques quasi-continues, que l’on appelle bandes d’énergie.
Ces bandes sont séparées par des bandes interdites (des états d’énergie dans lesquels les électrons ne peuvent se trouver). Deux bandes en particulier vont nous intéresser : la bande de conduction et la bande de valence. Lorsqu’un électron se trouve dans la bande de conduction, il peut se déplacer librement et ainsi participer au courant électrique. Lorsqu’il se trouve dans la bande de valence, il demeure dans la proximité de l’atome. Lorsque ces deux bandes sont proches (ou se recouvrent), les électrons passent aisément d’une bande à l’autre: le matériau est conducteur (c’est le cas des métaux). Si ces bandes interdites sont larges, il faut fournir une grande quantité d’énergie pour permettre aux électrons de rejoindre la bande de conduction (par exemple l’air et la foudre).
Les semi-conducteurs se caractérisent par des atomes à quatre électrons de valence (tels que le silicium, le germanium ou le carbone) et des alliages ayant en moyenne quatre électrons de valence (tel que InP, AsGa, GaN). Ce ne sont ni de bons conducteurs, ni de bons isolants. Mais ils ont un pouvoir secret qui leur permet de grimper le mont Ventoux en moins de 60 minutes: le dopage. En effet, si l’on introduit une quantité infinitésimale d’impureté dans un semiconducteur, l’on modifie sensiblement ses propriétés – par exemple en apportant des impuretés plus riches en électrons (dopage n), plus pauvres en électrons (dopage p), ou dont la structure de bande est différente (ainsi, ajouter du carbone dans un cristal de silicium élargit la bande interdite de ce nouveau matériau, permettant de plus hautes tensions d’alimentation pour les batteries et moteurs de nos voitures électriques).
Ainsi, en ajoutant une pincée de matériaux, un recuit par-là, un potentiel électrique par-ci, il est possible de réaliser une véritable ingénierie des bandes et ainsi de contrôler les propriétés électriques des matériaux semiconducteurs. Le contrôle local de ces propriétés, à toute petite échelle, permet de réaliser les circuits intégrés et autres composants.
La microélectronique, pierre angulaire de notre monde digital, c’est finalement de la cuisine.
Sources : webphysique.fr, Introduction aux semi-conducteurs (goulet.ca), optique-ingenieur.org