Quels sont les différents types de matériaux semi-conducteurs?
Les semi-conducteurs sont des composants essentiels des appareils électroniques modernes et sont donc l'un des éléments fondamentaux de la technologie moderne. Pour être appropriée en tant que matériau semi-conducteur, une substance doit avoir une conductivité électrique comprise entre celle des isolateurs qui conduisent très peu d'électricité et des conducteurs qui permettent à l'électricité de circuler très facilement. La plupart des matériaux semi-conducteurs sont des solides inorganiques cristallins, bien qu'il existe également des semi-conducteurs constitués de solides et de liquides amorphes. Les matériaux semi-conducteurs courants comprennent le silicium, l'arséniure de gallium et le nitrure de gallium, bien qu'il en existe d'autres. Outre ces matériaux primaires, les semi-conducteurs contiennent souvent aussi de petites quantités d'autres substances, appelées dopants.
La conductivité d'un matériau semi-conducteur peut être augmentée en le soumettant à de l'énergie électrique, des champs magnétiques ou d'autres stimuli qui augmentent les niveaux d'énergie des électrons du matériau, entraînant le passage de certains d'entre eux de la bande de valence à basse énergie groupe de conduction encombré. Cela permet aux électrons sous tension de se déplacer plus librement dans le matériau tout en créant des espaces chargés positivement dans la bande de valence, appelés trous d'électrons. Cela permet à l'électricité de circuler à travers le semi-conducteur. En manipulant la conductivité d'un semi-conducteur, celui-ci peut être utilisé comme commutateur. Les semi-conducteurs sont également utilisés pour la production d'énergie solaire et les capteurs de détection de lumière, car ils peuvent produire un flux de courant électrique lorsqu'ils sont correctement alimentés par des photons de lumière entrants.
Le matériau semi-conducteur le plus couramment utilisé est le silicium, le 14ème élément du tableau périodique des éléments et l'un des éléments les plus courants de la croûte terrestre. La plupart des semi-conducteurs en silicium ont une structure cristalline régulière dans laquelle leurs atomes sont disposés, mais du silicium non cristallin ou amorphe peut également être utilisé. Les semi-conducteurs en silicium amorphe ont des performances inférieures à celles du silicium cristallin, mais le silicium amorphe peut être déposé en couches beaucoup plus minces, ce qui peut réduire le coût du matériau.
Le deuxième matériau semi-conducteur le plus utilisé est l’arséniure de gallium (GaAs). L'arséniure de gallium est supérieur au silicium à plusieurs égards, comme une commutation plus rapide et une plus grande résistance à la chaleur. Cependant, il est également plus coûteux et plus difficile à traiter et n'est donc généralement utilisé que pour des applications dans lesquelles le silicium est insuffisant. Il souffre également d'une consommation d'énergie plus élevée. L'arséniure de gallium est couramment utilisé à des fins telles que l'électronique à grande vitesse et les cellules photovoltaïques à haut rendement.
Un autre composé du gallium utilisé pour les semi-conducteurs est le nitrure de gallium (GaN), qui peut fonctionner à des températures et des tensions très élevées et est donc souvent utilisé pour des applications impliquant des micro-ondes. Le nitrure de gallium est également utilisé dans les diodes électroluminescentes (DEL) et les diodes laser à haute fréquence, ainsi que dans certains radars militaires. Il peut également être associé à un autre matériau semi-conducteur, le nitrure d’indium (InN), pour produire un mélange appelé nitrure d’indium et de gallium. Le nitrure de gallium d'indium est couramment utilisé dans les LED et peut également être un matériau extrêmement efficace pour les cellules solaires.
Les semi-conducteurs contiennent souvent de petites quantités de dopants pour modifier leurs propriétés conductrices en fonction de leur fonction. Les dopants courants dans le silicium comprennent les éléments bore, phosphore et arsenic. L'arséniure de gallium et le nitrure de gallium dopés avec des métaux tels que le manganèse ont à la fois des propriétés semi-conductrices et ferromagnétiques.