Le Semi-conducteurscomme le germanium, le silicium, le carbone, le sélénium, etc. sont les matériaux qui ne sont ni conducteurs ni isolants. La conductivité de ces matériaux se situe entre ou au milieu de la conductivité des conducteurs et des isolateurs. Les semi-conducteurs ont des propriétés utiles et sont largement utilisés pour la préparation de dispositifs à l’état solide comme la diode, le transistor, etc.
Bien que la bande de valence de ces substances soit presque remplie et que la bande de conduction soit presque vide comme dans le cas des isolateurs, mais l’écart d’énergie interdite entre la bande de valence et la bande de conduction est très petite (près de 1 volt électronique) comme indiqué sur la figure ci-dessous:
Par conséquent, un champ électrique, plus petit que les isolateurs et plus élevé que les conducteurs est nécessaire pour pousser les électrons de valence vers la bande de conduction. Peu d’électrons traversent la bande de conduction même à température ambiante car une partie de l’énergie thermique est transmise aux électrons de valence.
À mesure que la température augmente, de plus en plus de nombre d’électrons de valence traversent la bande de conduction et la conductivité du matériau augmente. Ainsi, ces matériaux ont un coefficient de température négatif de résistance.
Matériaux semi-conducteurs couramment utilisés
Il y a un grand nombre de Tétravalent Matériaux disponibles tels que le carbone dans la statistique du diamant, le silicium, le germanium et l’étain gris. L’énergie minimale requise pour briser la liaison covalente dans ces matériaux est respectivement de 7, 1,12, 0,75 et 0,1 et 0,1 volt.
Le carbone dans l’état de diamant se comporte comme un isolant ayant une lacune énergétique interdite de 7 eV. L’étain gris ayant un écart énergétique interdit de 0,1 eV se comporte comme un conducteur. Par conséquent, le germanium et le silicium ont un écart énergétique de 0,75 et 1,12 eV respectivement, sont considérés comme les plus adaptés aux matériaux semi-conducteurs.
Les deux matériaux semi-conducteurs sont discutés ci-dessous:
Germanium
Germanium a été découvert en 1886. C’est un élément de la Terre récupéré des cendres de certains coaks ou de la poussière de combustion des fonderies de zinc. Le germanium récupéré est sous la forme d’une poudre de dioxyde de germanium. Il est ensuite converti en germanium pur.
Le structure atomique du germanium est illustré ci-dessous:
Son nombre atomique est de 32. Il a 32 protons dans le noyau et 32 électrons distribués dans les quatre orbites autour du noyau. Le nombre d’électrons en première, deuxième, troisième et quatrième orbite est respectivement de 2, 8, 18 et 4. Il est clair que le germanium a quatre électrons de valence. Les différents atomes de germanium sont maintenus ensemble à travers des liaisons covalentes comme indiqué dans la figure ci-dessous.
Le diagramme de bande d’énergie du germanium est illustré ci-dessous.
L’écart énergétique interdit (c’est-à-dire l’écart entre la bande de valence et la bande de conduction) dans ce matériau est très faible. Par conséquent, une très petite énergie est suffisante pour soulever les électrons de la bande de valence à la bande de conduction.
Silicium
Le silicium est l’élément disponible dans la plupart des roches communes. En fait, le sable est du dioxyde de silicium. Il est traité chimiquement et réduit en silicium pur, qui peut être utilisé pour la préparation de dispositifs électroniques.
La figure ci-dessous montre la structure atomique du silicium.
Son nombre atomique est de 14. Par conséquent, il a 14 protons dans le noyau et 14 électrons distribués dans les trois orbites autour du noyau. Le nombre d’électrons dans la première, la deuxième et la troisième orbite est respectivement de 2, 8 et 4. Les différents atomes de silicium sont maintenus ensemble par des liaisons covalentes comme indiqué dans la figure ci-dessous.
Le diagramme de bande d’énergie du matériau en silicium est illustré ci-dessous.
L’écart énergétique interdit dans ce matériau est assez faible. Il a également besoin d’une petite énergie pour soulever les électrons de la bande de valence à la bande de conduction.
Par conséquent, même à température ambiante, une quantité minute d’électrons de valence est soulevée dans la bande de conduction et constitue une conduction actuelle si un champ électrique élevé est appliqué. Cependant, à température ambiante, le nombre d’électrons soulevés dans la bande de conduction dans le cas du silicium est assez inférieur à la germanium.
C’est la raison pour laquelle les appareils semi-conducteurs en silicium sont préférés aux appareils germanium.