Des bandes d'énergie pour classer les matériaux

Les solides cristallins possèdent des niveaux d'énergie regroupés en bandes : la bande de valence, remplie par les électrons de liaison, et la bande de conduction, vide ou partiellement remplie. L'écart entre ces deux bandes, appelé gap, détermine le comportement électrique : faible pour un conducteur, très grand pour un isolant, et intermédiaire (de 0,1 à 3 eV) pour un semi-conducteur. À température ambiante, l'agitation thermique permet à quelques électrons du silicium (gap de 1,1 eV) de franchir le gap, laissant derrière eux des trous. On obtient ainsi une conduction intrinsèque, très sensible à la température et à la lumière.

📢 Rappel

Dans un métal, les électrons de conduction se déplacent librement ; dans un isolant, le gap est trop grand (> 5 eV) pour être franchi.

📖 Définition

Gap d'énergie : intervalle interdit entre la bande de valence (électrons liés) et la bande de conduction (électrons libres).

💡 À retenir : Un semi-conducteur possède un gap d'énergie intermédiaire (≈ 1 eV) qui permet de contrôler la conduction.

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Dopage N et P

Créer des porteurs de charge majoritaires

Pour rendre un semi-conducteur utile, on le dope : on remplace une infime proportion d'atomes de silicium par des atomes d'impuretés. Un dopage avec un élément de la colonne 15 (phosphore, arsenic) apporte un électron supplémentaire faiblement lié : le cristal devient de type N, où les électrons sont majoritaires. Un dopage avec un élément de la colonne 13 (bore, gallium) crée un déficit d'électron, appelé trou, qui se comporte comme une charge positive mobile : le cristal devient de type P. Ces porteurs majoritaires, électrons ou trous, augmentent fortement la conductivité du matériau.

📖 Définition

Dopage : introduction volontaire d'impuretés dans le cristal semi-conducteur pour augmenter sa conductivité.

🔍 Exemple

Le silicium dopé au phosphore (colonne 15) possède un électron de plus par atome dopant : semi-conducteur de type N.

⭐ À retenir

Type N : électrons majoritaires ; Type P : trous majoritaires.

💡 À retenir : Doper un semi-conducteur, c'est remplacer quelques atomes (1 sur 10^6) pour imposer des électrons ou des trous majoritaires.

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La jonction PN

La diode : un sens passant, un sens bloqué

Lorsqu'on met en contact un semi-conducteur de type P et un de type N, les électrons de la zone N diffusent vers la zone P et les trous vers la zone N. Cette diffusion crée une zone de déplétion vide de porteurs libres, où subsistent des ions fixes qui engendrent une barrière de potentiel d'environ 0,6 à 0,7 V pour le silicium. En polarisation directe (P relié au +, N au −), la barrière diminue dès que la tension dépasse la tension de seuil, et un courant important circule. En polarisation inverse, la barrière augmente et le courant reste quasi nul : la diode se comporte comme une valve à courant.

📢 Rappel

Le courant électrique est un déplacement ordonné de porteurs de charge ; dans les semi-conducteurs, électrons et trous se déplacent en sens opposés.

📖 Définition

Zone de déplétion : région de la jonction vidée de porteurs libres, où règne un champ électrique interne.

⭐ À retenir

Polarisation directe : P au +, N au − ; la diode conduit si V > V_seuil. Polarisation inverse : courant quasi nul.

💡 À retenir : Une diode ne laisse passer le courant que si la tension appliquée dépasse la tension de seuil (≈ 0,6 V pour le silicium).

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LED, photovoltaïque et transistors

Des semi-conducteurs dans notre quotidien

Les jonctions PN sont présentes dans de nombreux dispositifs : les diodes électroluminescentes (LED), les cellules photovoltaïques et les transistors. Dans une LED polarisée en direct, la recombinaison d'un électron de la bande de conduction avec un trou de la bande de valence libère un photon dont l'énergie dépend du gap : E = hc/λ. Une cellule photovoltaïque fonctionne en sens inverse : un photon absorbé crée une paire électron-trou que le champ interne de la jonction sépare, générant un courant électrique. Les transistors, assemblages de trois couches semi-conductrices, servent d'interrupteurs commandés ou d'amplificateurs dans tous les circuits intégrés.

⭐ À retenir

Une LED convertit l'électricité en lumière ; une cellule photovoltaïque convertit la lumière en électricité.

💡 À retenir : La jonction PN est au cœur de la conversion lumière ↔ électricité (LED, panneaux solaires) et de la logique électronique (transistors).

Fiche de révision Exercices

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