Le Coin Tech : dessine-moi un semi-conducteur (1/3)

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Cette semaine dans Le Coin Tech, la  première partie du dossier consacré au  semi-conducteurs, la pierre angulaire de la micro électronique moderne. Exemple de semi-conducteur intrinsèque avec le silicium.

Le Coin Tech

Zahnräder 2

Ce dossier comprendra trois parties, nous commençons aujourd’hui par :

1ère partie : Les semi-conducteurs intrinsèques : l’exemple du silicium

Vous en avez sans doute déjà tous entendu parler de ces fameux semi-conducteurs, base de toute la microélectronique moderne, un élément tout à fait essentiel de nos processeurs. Mais qu’est-ce donc que cette bébête ?

 Sans titre

Eh bien comme son nom l’indique ce n’est ni un isolant ni un conducteur (j’me présente captain obvious) c’est juste entre les deux, ça ne conduit pas assez bien pour être un conducteur, mais ça conduit quand même assez pour ne pas être un isolant. Expliquons cela plus en détail.

silicium

(cliquer pour agrandir)

La matière est constituée d’atomes eux-mêmes constitués d’un noyau chargé positivement et d’électrons chargés négativement. Ce qui différencie un conducteur d’un isolant ce sont le nombre de charges libres, les fameux électrons libres, un conducteur en a beaucoup, un isolant très peu, et un semi-conducteur bah un peu. Il en résulte une résistivité (une résistance multipliée par une unité de longueur) très forte pour les isolants de l’ordre de 1012Ω.m pour le diamant, très faible pour les conducteurs de l’ordre de 1.7* 10-8Ω.m pour le cuivre, et une bah entre les deux pour les semi-conducteurs par exemple 2400Ω.m pour le Silicium.

silicon3-208d3

Faisons un peu de dessin (et de chimie, mais le dessin, ça fait moins peur) pour mieux comprendre pourquoi le Silicium, qui est le semi-conducteur le plus utilisé, n’est ni un bon conducteur ni un bon isolant. Pour commencer un atome de silicium, c’est un atome qui possède 4 électrons de valence, c’est-à-dire 4 électrons sur les couches les plus « lointaines » de son noyau et qui lui permettent de se lier à l’état solide à d’autres atomes de silicium un peu comme un bras.

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Notre atome de silicium a donc 4 bras et peut se lier à d’autres atomes de Silicium et former une liaison dite covalente et quand ils sont pleins à être liés entre eux ils forment tout ensemble un cristal de Silicium. Donc, dessinons nos atomes qui se « lient » avec leurs petits bras musclés :

Représentation schématique des liaisons entre atomes de Silicium dans un Silicium monocristallin (uniquement constitué de Si) au zéro absolu (-273.15°C) image: http://liege.mine.nu/

 

La mise en commun de ces électrons en périphérie assure la cohésion du cristal, les électrons ne sont ici pas mobiles. Le silicium est alors isolant. Cependant lorsque la température augmente ça devient la teuf chez les particules qui vont se mettre à s’agiter, quelques liaisons de covalence vont donc « se casser » et on voit apparaître dans les cristaux des porteurs libres (électrons qui ont quitté l’atome, car ils ont reçu assez d’énergies par la chaleur extérieure) et des trous libres.

Tous deux permettant alors la circulation d’un courant électrique, la conduction par porteurs libres étant meilleure que celle par trous. Le Silicium devient donc un mauvais isolant. Mais cette casse des liaisons est rare et ne concerne que 3 atomes sur 1013 atomes à 25 °C. Un semi-conducteur dont le caractère semi-conducteur est dû à la structure sont dits intrinsèques si en plus on ajoute des impuretés pour améliorer ce caractère semi-conducteur on parle de semi-conducteur extrinsèque (cf III les semi-conducteurs extrinsèques et le dopage).

Maintenant que nous savons ce qu’est un semi-conducteur, citons en quelques exemples : le silicium très utilisé donc, le germanium, l’arsenure de gallium… etc. qui ont tous une structure qui se ressemble. Mais comment fabrique-t-on industriellement ce silicium et quel traitement va-t-il subir le pauvre.

La réponse dans quinze jours dans le prochain Coin Tech : 2ème partie la fabrication des wafers de Silicium

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