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un cpu sur un wafer en silicium
Cet article fait partie d’un ensemble de trois articles :

Quel que soit l’appareil avec lequel vous lisez ces lignes, il fonctionne grâce aux matériaux semi-conducteurs.
Dans cet article et dans ceux qui vont suivre, on va voir pourquoi les semi-conducteurs sont à la base de toute l’informatique moderne et comment fonctionnent nos appareils informatiques.

Dans cet article : c’est quoi, un semi-conducteur ?

Un semi-conducteur

Un semi-conducteur, comme le silicium, c’est un matériau qui n’est ni tout à fait un conducteur d’électricité, ni tout à fait un isolant. Il peut être soit l’un, soit l’autre selon diverses conditions.

Le caractère conducteur ou isolant prend sa source dans la structure même des atomes : chaque élément du tableau périodique possède un certain nombre d’électrons qui sont agencés autour d’un noyau. C’est cet agencement sous la forme de couches d’électrons, différent selon les éléments, qui est responsable de la conductivité électrique.

Les électrons d’un atomes peuvent avoir plusieurs rôles au sein d’une structure d’atomes :

  • électrons de cœur : ceux-ci sont proche du noyau et n’interagissent pas vraiment avec les autres atomes ;
  • électrons de valence : ceux-ci sont sur les couches externes de l’atome et permettent de créer des liaisons interatomiques et de former les molécules ;
  • électrons de conduction : ceux-ci sont responsables de la circulation du courant électrique.

On peut schématiser l’ensemble sous la forme de couches. Sur le schéma suivant, on a représenté les couches d’électrons de valence et d’électrons de conduction :

theorie des bandes
(source)

On voit que dans un métal, certains électrons sont à la fois dans la bande de valence et dans la bande de conduction. Cela signifie qu’un métal peut conduire le courant sans autre forme de traitement physico-chimique.
Dans un isolant, par contre, les deux bandes sont séparées par un espace appelé « bande interdite » : cela signifie que les électrons ne peuvent pas s’y trouver. Dans le cas des isolants, les électrons externes sont tous dans la bande de valence et aucun ne se trouve dans la bande de conduction : ces matériaux ne peuvent donc pas conduire l’électricité.

Enfin, dans le cas des semi-conducteurs, au milieu, il existe une bande interdite aussi, mais cette dernière est très fine. Il suffit d’un petit quelque chose pour que les électrons de valence puissent passer dans la bande de conduction et ainsi rendre le semi-conducteur… conducteur. On parvient à faire ça en donnant de l’énergie aux électrons, en les excitant.

Un semi-conducteur est donc un isolant mais qui peut devenir un conducteur très facilement en excitant les électrons de valence : on fait ça en chauffant le matériau, ou en l’éclairant, ou en le soumettant à une tension électrique bien définie.
Par exemple, si on éclaire une plaque photovoltaïque, la plaque devient conductrice et on crée un courant électrique : c’est l’effet photoélectrique.

On dispose donc ici d’une fonction bien intéressante : c’est un isolant qui devient conducteur quand on l’éclaire.
Dans un processeur d’ordinateur, c’est une tension électrique minimale qui permet de rendre le semi-conducteur isolant en dessous et conducteur au dessus.

Croyez-le ou non, c’est ce principe très simple qui est à la base de toute l’informatique.

Le dopage

On a vu qu’il existe une bande interdite dans la structure des semi-conducteurs et des isolants. Un semi-conducteur possède une petite bande interdite que les électrons peuvent franchir si on leur donne l’énergie nécessaire. Plus cette bande est faible, plus l’énergie nécessaire est petite. Ceci est intéressant pour la consommation électrique de nos appareils, mais aussi d’un point de vu plus technique.

Dans un cristal de silicium (le plus commun des semi-conducteurs à ce jour), il faut une énergie de $1,12\text{ eV}$ (soit $1,79\times 10^{-19}\text{ J}$) pour placer un électron de valence dans la bande de conduction.
C’est une énergie très faible, mais ça reste quand même beaucoup trop pour l’usage qu’on a actuellement des semi-conducteurs.

Le dopage, c’est une technique qui vise à modifier l’énergie nécessaire pour rendre le semi-conducteur plus ou moins conducteur. Il consiste à injecter dans les cristaux de silicium des atomes bien choisis pour le rendre soit un peu plus conducteurs, soit un peu moins.

Le silicium possède 4 électrons de valence (comme le carbone) : dans un cristal, il se lie donc de façon tétraédrique à 4 autres atomes de silicium :

maille élémentaire du silicium en 3D
Structure cristalline du silicium (source)

Il est possible de remplacer certains atomes de silicium par d’autres atomes, qui vont alors modifier la structure des bandes de conduction.

L’atome de silicium possédant 4 électrons de valence, on peut injecter un atome avec 5 électrons de valence : l’atome sera alors dans le cristal avec 4 liaisons mais possédera un électron supplémentaire. Pour ça, on utilise souvent du phosphore (symbole $P$).
Vu que ce type de modification apporte un électron en plus dans le cristal, la bande de conduction est alors globalement négative : on parle de dopage négatif, ou dopage N (le cristal dans son ensemble reste neutre, car le phosphore contient un proton en plus aussi ; c’est juste la bande de conduction qui est négative).

Une autre solution est d’utiliser un dopage au bore (symbole $B$), qui n’a que 3 électrons de valence : le bore sera là aussi bien pris dans un cristal avec 4 liaisons, mais une des liaisons manquera un électron : il sera donc comme « positif » (car il manque comme une charge négative), d’où le nom de dopage P :

i
Dopages N (avec l’électron en trop) et P (avec le déficit d’électron) — (sources 1 & 2)
  • Grâce au dopage N, le silicium devient un peu plus conducteur : en effet, l’introduction du phosphore a pour effet de déplacer la bande de conduction vers le bas : les électrons du silicium sont donc plus rapidement conducteurs.
  • Grâce au dopage P, le silicium devient également un peu plus conducteur : le bore apporte certes « un trou d’électrons », mais ce dernier peut recevoir un électron voisin qui laisse alors un trou derrière lui. Le trou s’est alors déplacé et ceci constitue bien un sorte de déplacement de charges (« virtuellement » positive) et augmente donc la conductivité du matériau également.

Ces deux façons de doper un semi-conducteur sont donc antagonistes : l’une apporte un électron en plus au cristal semi-conducteur et l’autre en retire un.

En combinant deux matériaux dopés de façon différente, on peut faire des composants électriques comme des diodes ou des transistors. Mais ça sera l’objet d’un prochain article !

Pour l’instant, retenez que le silicium est un semi-conducteur car il ne laisse passer le courant que si on excite ses électrons de valence. Il faut pour cela une tension électrique dépassant un seuil minimal propre au matériau.
On utilise le dopage N (négatif) ou P (positif) pour modifier légèrement le seuil de tension mais aussi pour modifier d’autres propriétés du semi-conducteur (qu’on verra dans les autres articles).

Enfin, juste pour la culture, sachez que le silicium n’est pas le seul semi-conducteur existant. Avant lui, les propriétés semi-conductrices du germanium (symbole $Ge$) étaient déjà utilisées dans les tout premiers transistors. Depuis, d’autres composés ont aussi été découvert. Les plus connus d’entre eux sont l’arséniure de gallium ($GaAs$) et le nitrure d'indium ($InN$), bien qu’il en existe beaucoup d’autres.

Le silicium est aujourd’hui massivement utilisé principalement parce qu’il est très abondant sur terre : il représente 25% de la croûte terrestre, et est simple à extraire et à utiliser.

illustration d’entête de Mark Sze

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Xavier a dit :

Bonjour Timo,

Article très intéressant comme toujours.
La vulgarisation comme on en fait plus depuis la fin de "C'est Pas Sorcier" sur un sujet qui concerne tout le monde.

Toutefois j'ai repéré une petite faute dans le deuxième paragraphe sous l'illustration de la "bande interdite" où la phrase suivante sera mieux

que les électrons de valence puissent passer

Xavier

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Karl3i a dit :

Les électrons de conduction sont-ils des électrons de valence qui se "promènent" ?

Merci pour cet article en tout cas très intéressant.

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Maxime a dit :

T'aurais pu m'éviter la lecture d'un bouquin si t'avais sorti cet article (et ceux qui vont suivre ?) il y a quelques mois :-D .

Tes explications sont souvent plus claires que celles des vieux profs de fac...

Merci Timo

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Le Hollandais Volant a dit :

@Karl3i :

Les électrons de conduction sont-ils des électrons de valence qui se "promènent" ?

En quelque sorte.

Dans un conducteur, les couches de valence et de conduction sont partiellement superposées : les électrons sont donc à la fois de valence et de conduction. Ici, ces électrons sont libres.
Dans le semi-conducteur, il faut donner un peu d’énergie aux électrons de valence pour les faire passer dans le couche de conduction (et donc les faire se promener).

Dans un isolant par contre, les électrons sont de valence, mais ne sont pas de conduction et ne le deviennent jamais : ils ne se promènent pas et l’isolant ne conduit donc pas le courant.


@Xavier : Merci !
J’ai corrigé la faute.
(À ce propos, merci à tout ceux qui me signalent des fautes ; bien que je ne publie pas les commentaires qui uniquement me signalent des fautes, ils m’aident beaucoup quand même !)


@Maxime : tu as lu quel livre ?
Les profs ont souvent leur méthode et leur façon propre d’expliquer les choses. Le truc c’est qu’ils ne reçoivent que très rarement des commentaires disant que ce n’est pas clair (ou alors ils s’en foutent) : combien de fois un étudiant dit-il ou donne-t-il une idée à son prof ? Du coup ils ne changent jamais rien, pensant que leur cours suffit… même 20 ans après.

De ce que j’ai pu constater, l’avantage des profs jeunes c’est qu’ils connaissent déjà un peu plus le programme actuel, ainsi que des analogies moins archaïques. Le cours tout entier en devient déjà plus "naturel".

Je pense aussi qu’il convient de séparer la physique (ce qui se passe qualitativement) des maths (ce qui se passe qualitativement). Mes articles sont là pour permettre de comprendre la physique, pas d’appliquer les maths.

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Romain a dit :

Bonjour,

La distinction entre électron de valence et électron de conduction n'a pas de sens tel que vous la définissez. La définition d'un électron de valence est clair, c'est effectivement les électrons qui participent aux liaisons intermoléculaire. De manière générale, on peut dire que ce sont les électrons les plus éloignés du noyau. Les électrons de conduction sont les électrons qui participent à la conduction, vraie, mais ce sont aussi des électrons de valence au sens où vous l'entendez dans cette article. Vous mélangez deux définitions, la définition que l'on utilise en physique atomique/moléculaire et celle que l'on utilise en matière condensée (physique des milieux solides/liquides essentiellement).

Ensuite, on arrive au gros problème de cette article pour moi : le mélange des niveaux de connaissances. Introduire le modèle des bandes, c'est intéressant, le donner sans avoir la moindre idée de ce qu'il représente et placer le niveau de Fermi sans rien en dire, c'est très dommage. Ou alors on suppose des connaissances de bases de la mécanique quantique (ce que l'on a déjà plus ou moins fait en parlant de liaison moléculaire), auquel cas on peut facilement discuter d'où vient le modèle et introduire rapidement la notion de densité d'état ainsi que l'évoquer le remplissage des bandes avec le principes de Fermi. Ou alors, on part de l'hypothèse que le publique ne connaît pas ces concepts. Dans le premier cas, la partie sur le dopage est à un niveau trop élémentaire puisqu'on peut très facilement en discuter dans le modèle des bandes. Dans le deuxième cas, c'est le modèle des bande qui est incompréhensible. Les lecteurs peuvent éventuellement avoir l'impression d'avoir compris les bandes mais si vous leur demander ce qu'elle représente, je pense que vous allez tomber sur un os.

Par ailleurs, un semiconducteur n'est pas un isolant qui peut devenir très facilement conducteur. Il n'y a pas de bonne définition du semiconducteur en réalité, le diamant est par exemple parfois ou pas considéré comme un semiconducteur en fonction de la hauteur du gap. Donc ici, où alors on en discute sérieusement ou alors on donne l'impression au lecteur d'avoir compris alors qu'en pratique il n'est pas vraiment plus avancé. Votre commentaire précédent sur le physique qualitative est dommageable, la physique se doit d'être quantitative (un simple ordre de grandeur suffit souvent) pour ne pas raconter n'importe quoi. Mettons des chiffres (ordre de grandeur) sur la physique sinon pourquoi pas discuter de satellite à quelques mètres d'altitude (exemple vu de réponse d'élève...). Vous allez me dire que vous donner le gap du semiconducteur mais comme il n'est comparé à rien, les lecteurs ne sont pas plus avancés.

La partie sur le dopage n'est pas inintéressant mais est de niveau élémentaire (les excellents "C'est pas sorcier" ont un reportage avec cette explication) par rapport à la première partie. Cette explication est malheureusement très dommageable dans la fin où vous parler des semiconducteurs constitués d’alliage (GaAs) qui ne peuvent être compris que dans la théorie des bandes. Si un lecteur tente d'aller plus loin, il va toute de suite tomber sur un truc qu'il ne peut pas comprendre.

À mon sens, il faut revoir la cible et ne pas chercher à mélanger les niveaux de lecture dans un même article. Si vous voulez un livres très bien pour un niveau post licence, il y a le Ashcroft (Physique des solides) ou le Kittel (Plus ou moins le même titre).

Par ailleurs désolé pour les fautes qui doivent être très nombreuses.

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Maxime a dit :

Un livre des années 90... :D il me semble que c'était Electronique analogique : circuits à composants discrets de Claudine Goursolle

En effet ce semestre j'ai une prof plus jeune, la trentaine ou moins et les explications sont plus claires !

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sebi a dit :

Merci pour cet article, je ne comprends que maintenant ce fonctionnement alors que je l'ai étudié (enfin j'ai essayé) à la fac :-(

Juste une question : combien d'eV gagne-t-on en "dopant" le silicium ?

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Le Hollandais Volant a dit :

@sebi : Cela dépend de la quantité de dopant, mais si on prend une valeur typique de 1 atome de dopant pour $10^{19}$ atomes de silicium, on gagne environ 5 à 10% sur l’énergie initiale. De 1,12 eV on passe soit à 1 eV, soit à 1,25 eV environ.

Le dopage modifie également la localisation des bandes sur l’échelle des énergies (par rapport au niveau de Fermi (dont je n’ai pas parlé)). Cela signifie que les bandes sont moins énergétiques et que la bande de conduction sera plus facilement atteinte quand même (même si le gap est le même).

@Romain :

Vous mélangez deux définitions, la définition que l'on utilise en physique atomique/moléculaire et celle que l'on utilise en matière condensée (physique des milieux solides/liquides essentiellement).

Le cristal de silicium se comporte comme une molécule : les atomes ne sont pas indépendants au sein de la structure : c’est justement pour ça qu’on observe des effets de conduction (électricité, chaleur…).

Introduire le modèle des bandes, c'est intéressant, le donner sans avoir la moindre idée de ce qu'il représente et placer le niveau de Fermi sans rien en dire, c'est très dommage

J’aurais dû retirer le niveau de Fermi de cette image, oui.
L’exemple des bandes d’électrons me semble suffisamment simple à comprendre même si on n’a pas de bases en quantique.

Certes, les électrons ne sont physiquement placés sur des bandes bien circulaires, mais si on veut vulgariser, même un minimum, on doit faire l’impasse sur certains trucs. Je n’ai pas parlé des orbitales atomiques non plus…

Vous allez me dire que vous donner le gap du semiconducteur mais comme il n'est comparé à rien, les lecteurs ne sont pas plus avancés.

J’ai mentionné que c’était très faible comme énergie : je pense que ça suffit, avec sa conversion en joule : on voit bien que « $10^{−19}$ » c’est très petit, sachant que dans la vie de tous les jours on parle plutôt de kJ (sur les boîtes de conserves, par exemple, à côté des kCal).

Le niveau nécessaire pour comprendre mes articles, je pense que c’est intermédiaire au collège (niveau brevet, commun à tous les jeunes) et au lycée (niveau bac, celui de ceux qui serait amenés à se poser des questions telles que dans le titre de mes articles). Je m’adresse aussi à ceux qui manifestent un minimum de motivation pour comprendre et qui ont un minimum de curiosité aussi.

vous parler des semiconducteurs constitués d’alliage (GaAs) qui ne peuvent être compris que dans la théorie des bandes

J’en parle simplement en guise d’ouverture, histoire que le lecteur ne limite pas le terme de "semi-conducteur" au silicium. S’il veut aller plus loin, comme tu dis, je pense qu’il devrait d’abord essayer de maîtriser le sujet des semi-conducteurs simples (silicium, silicium dopé) et ensuite voir des semi-conducteurs moléculaires.

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Romain a dit :
Le cristal de silicium se comporte comme une molécule : les atomes ne sont pas indépendants au sein de la structure : c’est justement pour ça qu’on observe des effets de conduction (électricité, chaleur…).

Non, même si le silicium par certain aspect (d'où un part de terme de semiconducteur...) est un cristal covalent, la notion de liaison métallique est aux coeur de la cohésion du silicium. On ne peut pas décrire un cristal de silicium comme un grosse molécule.

Dans la notion de molécule, il y a une notion de structure avec une localisation des atomes et des électrons formant les liaisons. C'est l'échange des électrons entre atomes au sein des liaisons qui créaient la cohésion, c'est le mécanisme de base et après il peut y avoir des résonances avec des délocalisations mais c'est des phénomènes en général secondaire. Dans un structure cristalline, la cohésion est assuré par la délocalisation totale des électrons de valence (au sens chimique par opposition au électron de coeur) au sein des états de Bloch. Ces états découlent de la structure périodique du cristal qui donne naissance à la structure de bande et aux phénomènes habituelles des métaux. Donc non, le silicium ne se comporte pas comme une grosse molécule et faire ce mélange entre la physique condensée et la physique atomique est fausse.

J’ai mentionné que c’était très faible comme énergie : je pense que ça suffit, avec sa conversion en joule : on voit bien que « 10−19 » c’est très petit, sachant que dans la vie de tous les jours on parle plutôt de kJ (sur les boîtes de conserves, par exemple, à côté des kCal).

Vous êtes simplement entrain de faire une erreur de l'ordre du nombre d'Avogadro, bravo. Cette comparaison n'a juste aucun sens puisque vous comparer une grandeur microscopique à une grandeur macroscopique absolument incomparable. Pour faire une comparaison pertinente, il faut la comparer à une autre grandeur microscopique comme l'énergie d'ionisation de l'atome d'hydrogène et on se rend compte que ce n'est absolument pas une énergie négligeable au niveau microscopique. C'est un gap très important devant l'énergie thermique (ordre de grandeur : 1/40 eV). Heureusement sinon on serait incapable d'utiliser les semiconducteurs.

Certes, les électrons ne sont physiquement placés sur des bandes bien circulaires, mais si on veut vulgariser, même un minimum, on doit faire l’impasse sur certains trucs. Je n’ai pas parlé des orbitales atomiques non plus…

On est d'accord que le principe de vulgariser est de proposer des éléments faux dans l'absolu qui marche dans le cas où on se limite, de manière générale c'est même l'ensemble de la physique qui travail uniquement avec des approximations. Je suis très peu amateur de l'idée de balancer une idée compliquée, comme la théorie des bandes, pour ne quasiment rien en dire et pour ensuite discuter un modèle beaucoup plus simple et qui apporte au moins autant d'éléments que la théorie des bandes tel que présentée. La théorie des bandes est généralement abordé en M1 et ce n'est pas vraiment sans raison puisque l'on ne peut pas en comprendre grand chose avant.



Pour l'effet du dopage, l'effet majoritaire à faible dopage est l’apparition d'électron (ou de trous...) dans la bande de conduction (bande de valence pour les trous) qui participent à la conduction en plus des excitations liées à l'énergie thermique. Un autre effet du dopage est une déplacement du niveau de Fermi qui modifie la répartition des excitations. Si on dope trop, le niveau de Fermi passe dans la bande de conduction et on obtient un conducteur (bien que pas très bon généralement).

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Le Hollandais Volant a dit :

@Romain :

Cette comparaison n'a juste aucun sens puisque vous comparer une grandeur microscopique à une grandeur macroscopique

Ça tombe bien, puisqu’il s’agit ici de relier un ordinateur (macro) à ce qui se passe au niveau moléculaire (micro).

Je suis très peu amateur de l'idée de balancer une idée compliquée, comme la théorie des bandes,

La théorie est compliquée, pas le concept, qui est quand même très simple.

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Gmelia a dit :

Article très intéressant qui m'a donné envie de pousser l'exploration de ces concepts. Et il est vrai que l'application industrielle massive qui en est faite rend très pertinent le choix du sujet, je me sens toujours un peu naze quand je vois que ne connais même pas les principes de base utilisés dans la majorité des technologies (au sens très large) de notre ère.
Merci @romain pour les précisions

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Eric a dit :

Et moi qui croyait que le semi-conducteur etait un conducteur debutant.Voilà un article très clair pour expliquer ce terme.Bravo

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Doudou94 a dit :

Bonjour !
Tout d'abord, merci pour ces articles très instructifs.
Suite à la lecture de celui-ci, je me demandais si un sémi-conducteur pouvait devenir conducteur parle simple fait d'avoir été dopé ?
Merci !!

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Le Hollandais Volant a dit :

@Doudou94 : Il faudrait le doper beaucoup plus que ce que l’on fait. Avec le dopage normal, on remplace un atome sur cent mille à dix milliard.
Si on le dope de façon avoir un atome sur deux qui est du dopant, alors on n’a plus un semi-conducteur dopé mais un alliage. Et effectivement, ce dernier peut alors être conducteur.

Dans le cas où on reste dans des concentrations de dopants faibles, il restera (à ma connaissance) toujours une tension de seuil en dessous de laquelle le matériaux sera isolant, et donc sera un semi-conducteur.

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Souaddhe a dit :
Le dopage, c’est une technique qui vise à modifier l’énergie nécessaire pour rendre le conducteur un semi-conducteur. Il consiste à injecter dans les cristaux de silicium des atomes bien choisis pour le rendre soit un peu plus conducteurs, soit un peu moins.

Bonjour !
Tout d'abord, merci pour ces articles :)
J'ai pas vraiment compris cette partie, on dope le silicium avec du Bore(3 électrons: type p) ou avec phosphore(5électrons: type N) par exemple, qui est un semi-conducteur et pas un conducteur .
Merci d'avance :)
Bonne journée!

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Yoni a dit :

Tes articles sont top. Bravo

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Thib' a dit :

Merci pour ces articles qui permettent de mieux comprendre ces aspects de la vie quotidienne !
Quant aux critiques... Qu'ils ecrivent des articles de ce genre eux-même, on verra ce qui en sort !
Si certaines parties peuvent apparaître obscures, google reste notre ami ! :)
Merci encore


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