Comme on l'a vu dans le post consacré aux électrons d'un atome, ceux-ci ne peuvent occuper que des niveaux d'énergie bien définis. Lorsque les atomes sont regroupés dans un solide, on pourrait s'attendre à retrouver exactement la même situation. C'est compter sans le principe d'exclusion de Pauli. Si les électrons de deux atomes voisins avaient le même niveau d'énergie, il pourrait exister une superposition de deux états de niveau d'énergie identique s'étendant sur ces deux atomes et que pourraient occuper simultanément deux électrons. Or la physique quantique l'interdit. Pour contourner l'interdiction, il se produit une démultiplication des états d'énergie possibles. La démultiplication des états à partir d'un même niveau d'énergie initial conduit à la formation d'une bande d'énergie. Et comme le nombre d'atomes d'un solide est astronomique, la densité d'états électroniques au sein d'une bande est telle qu'on peut pratiquement considérer que tous les niveaux d'énergie sont permis au sein de celle-ci. La répartition de ces bandes dépend de la nature du solide considéré : toutes les configurations sont possibles. Deux bandes successives peuvent se chevaucher ou être séparées. L'écart entre deux bandes est appelé le gap. Ce gap peut être relativement faible ou élevé.

Deux bandes jouent un rôle particulier :

• La dernière bande entièrement occupée par des électrons est appelé bande de valence. Les électrons de cette bande participent à la cohésion du solide. Ils sont plus ou moins piégés dans des puits de potentiel.
• La bande d'énergie immédiatement supérieure peut être vide ou partiellement occupée. On l'appelle bande de conduction car ce sont les électrons qui l'occupent qui permettent (le cas échéant) la conduction électrique.

On caractérise cette situation avec une grandeur qui est une propriété du solide considéré : le niveau de Fermi. Le niveau de Fermi est le niveau d'énergie le plus élevé occupé par un électron si on fait l'hypothèse que le solide est au zéro absolu. La position du niveau de Fermi par rapport aux bandes détermine les propriétés électriques d'un solide :

• Premier cas : la bande de conduction est vide et séparée par un gap important de la bande de valence (6 eV et plus). Les électrons restent piégés. Le solide est isolant.
• Deuxième cas : la bande de conduction est partiellement occupée (ou la bande de valence et la bande de conduction se chevauchent). Un champ électrique de faible intensité peut faire passer un électron à un niveau d'énergie qui lui permet de circuler dans le solide. Celui-ci est conducteur.
• Troisième cas : la bande de conduction est vide mais le gap est relativement faible (moins de 2,5 eV). Le solide est donc isolant à température nulle, mais le passage des électrons de la bande de valence à la bande de conduction est possible (en chauffant le solide ou par un autre biais comme on le verra un peu plus loin). Le solide est un semi-conducteur.
  

Remarque : en toute rigueur, on devrait préciser que ceci n'est valable qu'au zéro absolu car l'agitation thermique conduit à exciter les électrons qui peuvent, le cas échéant, changer de bande.

Semi-conducteurs

Dans un semi-conducteur, comme on l'a vu plus haut, la largeur de la bande interdite entre bande de valence et bande de conduction est faible (1,12 eV pour le silicium, 0,66 eV pour le germanium). Dès lors qu'on apporte cette énergie aux électrons, ceux-ci peuvent passer de la bande de valence à la bande de conduction et circuler dans le matériau.

Cette énergie peut être apportée en chauffant le solide mais ça ne présente en pratique pas grand intérêt... Une autre manière consiste à illuminer le solide : les applications sont beaucoup plus nombreuses. Les composants que l'on utilise de cette façon sont appelés composants optoélectroniques ou, de façon plus condensée, optroniques.

Il existe une troisième façon de permettre la circulation, sous certaines conditions, de courant dans les semi-conducteurs, c'est le dopage. Le dopage d'un semi-conducteur consiste à remplacer certains atomes du réseau cristallin par d'autres atomes ayant un nombre d'électrons de valence différents.

Prenons le cas du silicium qui est le matériau le plus utilisé pour réaliser des composants électroniques. Il possède 4 électrons de valence, tous quatre engagés dans une liaison covalente avec ses voisins. Si on remplace un certains nombre d'atomes de silicium du réseau cristallin par des atomes de phosphore, on introduit dans ce réseau des atomes ayant 5 électrons dans leur couche externe. Ce cinquième électron, qui n'est engagé dans aucune liaison covalente, peut être facilement excité et passer dans la bande de conduction où il se comportera comme un électron libre. Ce type de dopage est appelé dopage N.

Si au lieu d'introduire dans le silicium des atomes pentavalents on y insère des atomes trivalents (comme le bore) on va se retrouver dans une situation où il y a des « trous » dans la structure électronique du réseau. Ce trou peut être comblé par un électron en provenance d'un atome voisin, donc se déplacer. Dans ce type de semi-conducteur, ce ne sont plus les électrons mais les trous qui sont susceptibles de conduire le courant. On parle dans ce cas de dopage P.

Remarque : pour une présentation plus imagée des semi-conducteurs, on pourra se reporter au post dédié à la cellulte photovoltaïque.

Jonction PN.

Une jonction PN est réalisée en dopant de manière différente deux zones adjacentes du semi-conducteur. La jonction est constituée par l'interface entre ces deux zones. Si on applique une différence de potentiel positive entre la zone P et la zone N, trous et électrons sont attirés vers la jonction. Dans un premier temps, électrons et trous se recombinent, formant ainsi une micro-zone chargée électriquement autour de la jonction (on parle de capacité de jonction). Puis un courant s'établit, les électrons circulant dans la bande de conduction vers le pôle positif et les trous se déplaçant dans la zone de valence vers le pôle négatif. Si on applique une différence de potentiel de signe opposé, trous et électrons s'éloignent de la jonction et aucun courant électrique ne peut circuler au travers de la jonction. Ce type de composant qui n'est passant que dans un seul sens est ce que l'on appelle une diode.

Remarque : lorsque la recombinaison électron-trou se traduit par l'émission d'un photon en lumière visible, cette diode est appelée électroluminescente (LED).

Pour illustrer l'effet de la polarisation sur une diode, on utilise la notion de barrière de potentiel. Le gap entre bande de conduction et bande de valence établit une barrière de potentiel qui entrave la mobilité des électrons (ou les trous). En appliquant une polarisation positive aux bornes de la diode, on établit un champ électrique dans le semi-conducteur qui donne aux électrons libres et aux trous l'énergie potentielle nécessaire pour se déplacer dans tout le semi-conducteur. On dit de cette polarisation qu'elle permet d'abaisser la barrière de potentiel. A l'inverse, si on applique une polarisation négative, celle-ci va renforcer la barrière de potentiel puisqu'elle augmente l'énergie qui serait nécessaire pour que es électrons ou les trous franchissent la jonction.

Transistor bipolaire

Un transistor bipolaire est constitué d'un empilage de deux jonctions : NPN ou PNP. Prenons le cas d'un transistor NPN. Les deux zones N sont appelées respectivement collecteur et émetteur. La zone P est la base. L'épaisseur de la base est faible : de l'ordre d'un micron, voire moins. Supposons que l'on applique une différence de potentiel de plusieurs volts (voire plusieurs dizaines ou plusieurs centaines de volts) entre le collecteur et l'émetteur (oui, je sais, ça paraît bizarre d'appeler collecteur la zone reliée au pôle positif et émetteur celle reliée au pôle négatif, mais on se place du côté des électrons). Supposons maintenant que l'on applique une tension positive (0,6 V) sur la base. A priori, la jonction base-émetteur est passante et la jonction collecteur-base est bloquée. Mais l'épaisseur de la base est très fine. Dès lors que la capacité de jonction est chargée, les électrons injectés par l'émetteur dans la base la traversent sans se recombiner et pénètrent dans le collecteur. Une fois dans le collecteur, ces électrons se retrouvent dans la bande de conduction de celui-ci et se comportent comme des électrons libres. (Pour reprendre l'image de la barrière de potentiel, on peut dire que la polarisation de la jonction base-émetteur donne aux électrons le potentiel nécessaire pour franchir la jonction collecteur-émetteur bien que celle-ci soit polarisée en inverse.) Le transistor est donc passant. L'intensité du courant qui le traverse est contrôlée par celle du courant de base.

L'effet transistor a été découvert en 1947 par John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain. Cette découverte est à la base d'une révolution qui a changé le cours de notre civilisation : la révolution électronique !

Nota : on a, depuis, imaginé d'autres configurations permettant de réalises des transistors : transistors à effet de champ (FET et JFET), transistor de type métal-oxyde-semi-conducteur (MOS et CMOS). Mais ça, c'est une autre histoire...

Différentes technologies de semi-conducteurs

Le silicium n'est pas le seul matériau semi-conducteur connu. Les propriétés particulières de la galène (sulfure de plomb PbS) étaient connues avant qu'on ne comprenne leur origine. Il existe bien d'autres matérieux inorganiques semi-conducteurs, tout d'abord le germanium et le sélénium, qui apartiennent à la même colonne que le silicium dans le tableau de classification périodique des éléments. Viennent ensuite les matériaux bi-éléments dont les composants encadrent cette colonne, comme l'arséniure de gallium (AsGa), le phosphore d'aluminium (PAl) ou encore l'antimoniure d'indium (SbIn). On les appelle des matériaux III-V : l'un des composants a une valence égale à 3, l'autre à 5. Le tellurure de cadmium (CdTe) est quant à lui un composé II-VI. Les CIGS forment une autre catégorie de semi-conducteurs. Ils sont composés de cuivre, d'indium, de gallium et de sélénium.

On a découvert récemment que l'on pouvait réaliser des semi-conducteurs avec des matériaux organiques, à l'exemple du polythiophène. Le polythiophène est un polymère du thiophène C₄H₄S, un hétérocycle à 5 atomes dont un de soufre. L'addition d'halogène (iode, brome) ou d'un acide organique permet de doper positivement le polythiophène. Il apparaît, du fait de l'oxydation de la chaîne polymère, des doublets de charges positives qui peuvent sauter de triplet -[(C₄H₂S)₃]- en triplet -[(C₄H₂S)₃]-. La conduction est permise par le recouvrement des liaisons pi qui sont proches les unes des autres. Pour être efficace, le dopage doit être beaucoup plus intense (~30%) que dans le cas d'un semi-conducteur inorganique (<1%).

Les semiconducteurs organiques sont principalement utilisés pour faire des diodes électroluminescentes appelées OLED (organique LED). Ces diodes sont composées d'un matériau organique électroluinescent placé entre deux électrodes.

Les fullerènes ou le graphène peuvent également présenter des propriétés semi-conductrices.

La star des semi-conducteurs dans le domaine des cellules photovoltaïques est le Pb(CH₃NH₃)I₃, un matériau hybride (organique/inorganique) qui présente une structure cristalline de type pérovskite. Les cellules photovoltaïques utilisant cette technologie ont un rendement proche de celles à base de silicium.