SEMI-CONDUCTEURS 2

Les semi-conducteurs utilisés pour la fabrication des dispositifs de même nom ne sont quasiment jamais du type intrinsèque. Au semi-conducteur intrinsèque est généralement ajouter une certaine quantité de substances étrangères qui se répandent dans tout le cristal et modifient l'état électrique du réticule cristallin. Pour cette raison, nous allons examiner les conséquences de la présence d'atomes étrangers, dans le réseau cristallin de semi-conducteurs intrinsèques.

1. - SEMI-CONDUCTEURS N ET P

Supposons qu'il soit possible d'intervenir directement dans la structure d'un minuscule cristal de germanium très pur et parfait, à l'intérieur duquel il y a un nombre bien défini d'électrons libres et un nombre égal de trous.

Dans ce cristal et à tout moment, une partie des électrons libres revient à la bande de valence, à la suite de pertes d'énergie dues aux chocs, mais en même temps, d'autres électrons passent de la bande de valence à celle de conduction. Si la température du cristal reste constante, le nombre des électrons libres et des trous restent lui aussi constant.

Imaginons maintenant que dans l'espace du réticule cristallin, il y ait seulement deux électrons libres et deux trous. En intervenant dans la structure du cristal, on remplace trois atomes de germanium par autant d'atomes d'antimoine (figure 1).

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Il s'agit là bien sûr d'un exemple dont le seul but est de faciliter la compréhension. En pratique, il n'arrive jamais qu'un cristal placé à la température ambiante normale, n'ait que deux électrons libres et deux trous et encore moins un nombre d'atomes d'antimoine proche de celui des électrons libres. En réalité, les électrons libres et les trous contenus dans un centimètre cube (cm3) de cristal sont plusieurs milliers de milliards et les atomes d'antimoine se trouvent à peu près dans un rapport de 1 sur 1 000 000 d'atomes de germanium.

L'introduction d'impuretés (ici de l'antimoine) dans un semi-conducteur est appelé dopage. Ce semi-conducteur est alors dopé.

L'antimoine est un élément qui appartient au groupe V de la classification de MENDELEYEV (voir la leçon semi-conducteur précédente). La couche externe de son atome comporte en effet cinq électrons. Quatre de ces derniers contribuerons à rétablir les liens covalents avec les atomes de germanium proches, tandis que le cinquième, ne trouvant pas de place dans les liens covalents, restera lié à son propre atome.

Le lien entre le cinquième électron périphérique de l'antimoine et l'atome correspondant n'est toutefois pas aussi fort que les liens covalents. Il se cassera donc facilement et le cinquième électron entrera très rapidement dans la bande de conduction pour se rendre dans les électrons libres du cristal.

Revenons à l'exemple donné précédemment qui consistait à substituer trois atomes de germanium par trois atomes d'antimoine. Par cette opération, on introduit dans le réticule du cristal, trois nouveaux électrons libres qui, ajoutés aux deux premiers, portent le nombre des électrons libres à cinq.

On pourrait penser que le réticule comprend ainsi cinq électrons libres et deux trous. En réalité, un certain temps après la substitution du germanium par l'antimoine (et ceci lorsque la température reste constante), il ne peut y avoir dans le cristal que quatre électrons libres et un seul trou (figure 2).

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On explique ce phénomène par le fait qu'un certain nombre d'électrons libres occupent un nombre égal de trous, ce qui entraîne forcément la disparition de ces derniers.

En définitive, l'opération de substitution d'atomes de germanium par des atomes d'antimoine entraîne bien une augmentation du nombre d'électrons libres qui ne correspond plus, à un moment donné, à la somme des électrons libres amenés par l'antimoine et ceux existants déjà. Il y a recombinaison d'une partie des électrons libres et des trous pour former des électrons de valence.

Compte tenu de ce qui vient d'être dit, nous pouvons déjà tirer la règle suivante :

Pour toute augmentation des électrons libres dans un cristal semi-conducteur à température constante, on a une diminution de nombre de trous, de manière à ce que le produit du nombre d'électrons libres par le nombre de trous reste constant.

Dans l'exemple de la figure 1, nous avons vu au départ deux électrons libres et deux trous.

Le produit est donc de 2 x 2 = 4

Après substitution des trois atomes de germanium par trois atomes d'antimoine, le nombre des électrons libres augmente, passant de 2 à 4, tandis que le nombre de trous diminue, passant de 2 à 1.

Le produit reste inchangé, c'est-à-dire 4 x 1 = 4.

On obtient une situation analogue en remplaçant les trois atomes de germanium par trois atomes d'indium (figure 3).

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L'indium est un élément qui appartient au groupe III de la classification de MENDELEYEV (voir la leçon semi-conducteur précédente). La couche externe de son atome comporte en effet trois électrons, c'est-à-dire un en moins par rapport aux quatre demandés pour compléter les liens covalents avec les atomes de germanium voisins. Après substitution des trois atomes de germanium par trois atomes d'indium, nous avons à l'intérieur du réticule cristallin, trois liens covalents affaiblis par l'absence d'un électron, donc formation des trois nouveaux trous.

Les liens affaiblis sont représentés figure 3 et 4, par les lignes en pointillé, allant des atomes d'indium à l'un des quatre atomes de germanium environnants.

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Les trous qui apparaissent avec les liens affaiblis sont représentés par des petits ronds blancs, comme ceux qui se sont formés dans les liens covalents, à la suite de la libération d'un électron de valence. 

Si l'on ajoute les trois trous introduits avec les atomes d'indium aux deux autres trous existant dans le germanium intrinsèque, nous devrions avoir cinq trous et deux électrons libres. En réalité et toujours à une température constante, on ne peut avoir, après substitution du germanium par l'indium, que quatre trous et un seul électron libre (figure 4).

Là encore, on explique ce phénomène par le fait qu'une partie des électrons libres tombe dans les trous et y demeure.

En définitive, l'opération de substitution d'atomes de germanium par des atomes d'indium entraîne bien une augmentation du nombre de trous qui ne correspond plus, à un moment donné, à la somme des trous amenés par l'indium et ceux existants déjà. Il y a recombinaison d'une partie des trous et des électrons libres pour former les liaisons covalentes.

Nous pouvons ici encore en tirer la conclusion suivante :

Pour toute augmentation de trous dans un semi-conducteur à température constante, on a une diminution d'électrons libres, de manière à ce que le produit du nombre des trous par les électrons libres reste constant.

Dans l'exemple des figures 3 et 4, comme dans celui des figures 1 et 2, le produit initial des trous par les électrons libres est égal à 4.

Après substitution des trois atomes de germanium par les trois atomes d'indium, le nombre des trous augmente, passant de 2 à 4, tandis que celui des électrons libres diminue, passant de 2 à 1.

Le produit reste bien inchangé : 4 x 1 = 4.

Compte tenu de ce qui vient d'être dit, on peut déjà départager les semi-conducteurs en trois catégories distinctes.

- Les semi-conducteurs intrinsèques possédant un nombre d'électrons libres égal à celui des trous (figure 5-a).

- Les semi-conducteurs N, obtenus en introduisant dans un cristal semi-conducteur des atomes d'éléments appartenant au groupe V du tableau de MENDELEYEV. Ici, le nombre des électrons libres est bien supérieur à celui des trous (figure 5-b).

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- Les semi-conducteurs P, obtenus en introduisant dans un cristal semi-conducteur des atomes d'éléments appartenant au groupe III du tableau de MENDELEYEV. Ici, le nombre des trous est bien supérieur à celui des électrons libres (figure 5-c).

Les éléments du groupe V du tableau MENDELEYEV utilisés pour former les semi-conducteurs N sont l'antimoine, l'arsenic et le phosphore ; on les appelle donneurs.

Les éléments du groupe III utilisés pour former les semi-conducteurs P sont l'indium, le bore, le gallium et l'aluminium ; on les appelle accepteurs ou receveurs.

Voyons maintenant comment s'effectue la conduction électrique dans les trois types de semi-conducteurs énumérés ci-dessus.

La figure 5-a représente un petit bloc de germanium intrinsèque traversé par le courant que produit une pile. On remarque à l'intérieur du semi-conducteur, la naissance de deux flux de charges électriques.

Le premier est constitué d'électrons libres qui vont de l'extrémité B (côté négatif de la pile) à l'extrémité A (côté positif de la pile). Le second flux est constitué de trous qui en se déplaçant d'un atome à l'autre à l'intérieur du réticule cristallin, vont dans le sens opposé au précédent, c'est-à-dire de l'extrémité A vers l'extrémité B. Les deux flux sont constitués de quantités égales de charges électriques, puisque dans les semi-conducteurs intrinsèques, le nombre des électrons libres est égal à celui des trous.

Les liaisons placées entre l'extrémité du semi-conducteur et la pile sont au contraire traversées par un seul flux constitué uniquement par des électrons.

Signalons que le courant produit par une pile est continu et que son intensité est invariable dans chaque section et en tout point du conducteur. Cela signifie qu'à tout instant, la même quantité d'électrons entre dans le fil conducteur par l'extrémité A et sort par l'extrémité B. La même quantité d'électrons sort et entre également par les extrémités du petit bloc (figure 5-a).

Pour simplifier tout cela, imaginons qu'à l'intérieur du semi-conducteur et à tout instant, un électron sort par l'extrémité A et qu'un autre électron entre par l'extrémité B. Nous constatons donc que le nombre des électrons entrant est toujours égal à celui des électrons sortant.

L'électron sortant appartient à la bande de conduction, c'est-à-dire qu'il s'agit d'un électron libre. Ainsi, n'ayant pas de liens avec le réticule cristallin, il peut librement quitter le semi-conducteur et se diriger vers le positif de la pile.

A l'autre extrémité, l'électron entrant rencontre les trous qui peuvent se déplacer dans le réticule et se concentrer dans l'extrémité reliée au négatif de la pile, mais ne peuvent toutefois pas quitter le réticule. Ces trous sont en effet constitués essentiellement de places vides dans la bande de valence des atomes du semi-conducteur.

Lorsque l'électron provenant du négatif de la pile rencontre les trous, il occupe une place vide dans la bande de valence, faisant ainsi disparaître un trou.

En résumant ce qui vient d'être dit, nous pouvons tirer la conclusion suivante :

Lorsqu'un électron sort et qu'un autre entre, on a en permanence dans le semi-conducteur la perte d'un électron libre et la disparition d'un trou.

Si ce processus se répétait autant de fois qu'il y a d'électrons libres ou de trous, on pourrait s'attendre à un certain moment que le semi-conducteur reste sans électrons libres et sans trous. En réalité, le nombre d'électrons libres et de trous présents dans le réticule dépend exclusivement de la température du matériau. En effet, si la température du bloc semi-conducteur reste constante, pour chaque couple électron-trou disparu, il se forme en un point du semi-conducteur un autre électron libre et un autre trou.

Ainsi, les deux flux, celui des électrons libres (qui va de l'extrémité B à l'extrémité A) et celui des trous (qui dans le même semi-conducteur circule en sens inverse) sont alimentés en continuité, tant que dure la production de courant par la pile.  

Dans un bloc de semi-conducteur N traversé par le courant délivré par une pile (figure 5-b), les phénomènes de la conduction électrique diffèrent de ceux qui viennent d'être décrits étant donné que le nombre d'électrons libres est supérieur au nombre de trous. Dans ce cas, il se forme à l'intérieur du semi-conducteur deux flux de charges électriques, l'un étant plus fort que l'autre. Les électrons libres qui constituent le flux supérieur sont appelés porteurs majoritaires, tandis que les trous qui constituent le flux inférieur sont appelés porteurs minoritaires. Il y a en effet, dans le semi-conducteur N, beaucoup plus d'électrons libres que de trous.

On peut donc facilement comprendre qu'une grande partie des électrons provenant de l'extrémité B, traverse facilement le bloc semi-conducteur, en restant toujours dans la bande de conduction.

Dans le semi-conducteur P (figure 5-c), il se forme également deux flux, mais cette fois, le flux le plus fort est constitué de trous (porteurs majoritaires) et le flux le plus faible, d'électrons libres (porteurs minoritaires). Il est donc peu probable qu'un électron libre puisse traverser tout le bloc de l'extrémité B à celle de A.

Les électrons libres qui sortent du semi-conducteur et les trous qui vont d'une extrémité à l'autre de ce même semi-conducteur prennent naissance en général à proximité de la face A. A partir de ce point, les deux charges opposées se séparent. L'électron se dirige vers le pôle positif de la pile à travers la liaison et le trou se dirige vers l'extrémité B du bloc, où il disparaîtra dès que sa place sera occupée par un électron provenant du négatif de la pile.

 

2. - EFFET HALL

L'explication sur la circulation du courant dans un semi-conducteur du type P peut sembler complexe, du fait qu'elle suppose une conduction due à des charges positives. Cependant, le phénomène est justifié par les mesures relatives à l'effet Hall qui mettent en évidence le déplacement de charges positives (trous) dans un semi-conducteur du type P.

L'effet HALL (du nom du savant qui le découvrît), peut être mis en valeur par l'expérience montrée schématiquement figure 6.

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Supposons d'abord qu'une tension continue soit appliquée à un bloc conducteur en matière ordinaire à l'aide de deux plaques AA' et BB'. Dans ce cas, le courant traversant ce bloc est formé d'électrons circulant de BB' vers AA'.

Plaçons ensuite le bloc dans un champ magnétique uniforme, créé par un aimant, de façon que les lignes de flux soient perpendiculaires au bloc.

Les électrons circulant dans le bloc sont influencés par le champ magnétique et tendent à se déplacer dans une direction perpendiculaire à celle de leur propre mouvement et des lignes du champ magnétique.

Dans le cas illustré figure 6 où les électrons se dirigent de BB' vers AA' alors que les lignes de force vont du haut (pôle nord) vers le bas (pôle sud), les charges tendent à se déplacer sur la droite de leur mouvement initial. Il en résulte que ces charges (électrons) ne sont plus uniformément réparties dans le bloc, mais se concentrent sur le côté A'B'.

Cette accumulation des électrons produit un effet qui peut être mis en évidence par un voltmètre très sensible. En effet, en branchant l'appareil comme indiqué figure 6, on mesure une différence de potentiel électrique : le côté A'B' est négatif par rapport au côté AB. Cette différence de potentiel provient évidemment de la concentration des électrons du côté A'B'.

L'effet HALL consiste précisément en cette déformation des lignes de courant (flux d'électrons), dans une plaque conductrice sous l'effet d'un champ magnétique perpendiculaire à cette plaque. Cet effet se vérifie encore dans le cas d'un bloc semi-conducteur N, du fait que ce sont les électrons qui forment le flux de courant le plus important.

Par contre, avec un bloc semi-conducteur du type P (figure 7), la tension indiquée par le voltmètre est de polarité opposée à celle que l'on avait avec le bloc conducteur ordinaire ou le semi-conducteur N.

Ce résultat ne peut être expliqué que si l'on admet que les charges mobiles sont positives dans le cas du semi-conducteur du type P.

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Elles seront décalées, sous l'action du champ magnétique, vers la gauche du sens de leur défilement qui est contraire à celui des électrons de la figure 6. Cette concentration de trous sur la face A'B' entraîne, elle aussi, une polarité inverse de celle qui était présente dans le cas d'un conducteur ordinaire ou d'un semi-conducteur. Ainsi, on confirme expérimentalement que les trous (charges positives) forment le courant circulant dans les semi-conducteurs du type P.

A l'aide de l'effet HALL, on a également pu mesurer la mobilité des charges dans les deux types de semi-conducteur.

La mobilité exprime, en centimètre par seconde (cm / s), la vitesse des charges qui se déplacent dans un cube de semi-conducteur de 1 cm d'arête lorsque la tension appliquée sur deux faces opposées est de 1 volt.

Cette mesure a permis de déterminer que les électrons ont une mobilité supérieure à celle des trous (encore appelés cavité ou lacune).

La moyenne de vie des trous et des électrons libres est un paramètre important à ne pas négliger ; elle correspond à l'intervalle de temps qui s'écoule entre le moment où dans le semi-conducteur la concentration des trous et des électrons libres subit une variation, et celui où elle revient à la conduction d'équilibre (recombinaison des charges).

3. - LA PRÉPARATION DES SEMI-CONDUCTEURS POUR USAGE ÉLECTRONIQUE

Le germanium et le silicium sont les semi-conducteurs les plus largement utilisés dans la fabrication des composants électroniques.

On trouve le germanium sous forme de sel minéral dans certains types de roche : la houille (ou charbon fossile), les minerais de zinc et de cadmium.

Une grande partie du germanium destinée aux usages électroniques est extraite des sous-produits des transformations industrielles de la blende (minerai de zinc) et du carbone fossile (la houille).

En soumettant à des traitements opportuns les suies du carbone et les scories du minerai de zinc, on obtient un composé du germanium appelé bi-oxyde de germanium. Le bi-oxyde ainsi extrait est loin de posséder la pureté demandée. Il contient en effet de nombreuses traces d'éléments étrangers qu'il convient d'éliminer par des moyens chimiques avant d'extraire le germanium. Le bi-oxyde de germanium purifié est placé dans un creuset qui passe dans un four à atmosphère d'hydrogène et en sortie, on obtient du germanium (figure 8).

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Celui-ci a un aspect blanc-argenté, brillant ; il est déjà relativement pur, mais pas assez pour l'utilisation dans l'industrie électronique. Pour obtenir la pureté voulue, on met le germanium dans un creuset de graphite, qui passe lentement dans un four tubulaire spécial, illustré schématiquement figure 9-a.

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Le four est constitué d'un long tube de quartz, sur lequel se trouvent des bobines parcourues par un courant très intense de haute fréquence. Ce courant produit à l'intérieur du four un champ magnétique variable particulièrement puissant sous chaque bobine. Ainsi, dans le germanium qui se trouve sous les bobines, il se produit un fort échauffement et une fusion rapide. La fusion du germanium reste limitée aux zones placées sous les bobines. Par conséquent, tandis que le creuset avance lentement d'une extrémité à l'autre du four, les zones en fusion se déplacent dans le germanium dans le sens opposé à celui du creuset.

Le front de solidification qui avance de gauche à droite (figue 9-b) en suivant la zone en fusion, peut se comparer à un filtre poreux qui laisse passer le germanium, et maintient les impuretés dissoutes dans la zone fondue.

L'opération se répète sous chaque bobine, et à la sortie du four on obtient un germanium d'un haut degré de pureté.

Comme le germanium, le silicium destiné à des usages électroniques doit être très pur. Normalement, le silicium est extrait du bi-oxyde de silicium en portant un mélange sable-charbon à une température de 3 000°C.

Le silicium que l'on obtient par ce procédé contient 2 à 3 % d'impuretés, alors que pour l'utilisation en électronique cette valeur doit être inférieur à 0,05 %.

On peut obtenir un certain degré de pureté en traitant chimiquement le silicium avec différents acides.

Depuis quelques temps, on obtient cependant de meilleurs résultats à partir du traitement chimique d'un sel de silicium au lieu du sable.

Pour le raffinage physique des cristaux de silicium, on utilise une variante de la méthode illustrée figure 9-a.

La barrette de silicium est placée dans la position vertical au centre d'un four tubulaire HF.

Le long de la paroi externe du four, on fait descendre une spire parcourue par un courant HF intense. En correspondance avec cette spire, on forme dans le silicium une zone fondue qui se déplace dans la barrette d'une extrémité à l'autre. L'action filtrante s'exerce ainsi de la même façon que celle décrite pour le germanium (figure 9-b).

Le procédé est répété plusieurs fois afin d'obtenir le degré de pureté nécessaire.

4. - CULTURE ET DOPAGE DES MONOCRISTAUX

Après le raffinage, le semi-conducteur se présente sous forme d'un agrégat solide, constitué par d'innombrables cristaux, très petits et disposés dans tous les sens.

Le semi-conducteur ainsi formé, bien qu'étant très pur, n'est pas encore utilisable pour la réalisation des diodes et des transistors. Pour ces composants, il faut transformer l'agrégat en monocristal, c'est-à-dire en un unique et grand cristal. La figure 10 illustre deux méthodes de formation des monocristaux de germanium.

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La première méthode (figure 10-a) constitue une nouvelle application du four HF (Haute Fréquence) et de la zone mobile en fusion.

La barrette de germanium obtenue à la fin du raffinage est placée dans un creuset de quartz avec un monocristal de germanium appelé semence et une couche de graphite. Le creuset avance lentement dans le four de façon à ce que la zone en fusion se déplace régulièrement d'un bout à l'autre de la barrette.

La partie fondue se solidifie sous forme d'un unique cristal orienté selon le réticule cristallin de la semence.

Pendant la formation du monocristal, on introduit des quantités rigoureusement dosées de substances étrangères, afin de transformer le semi-conducteur intrinsèque en semi-conducteur de type P ou N.

Les substances les plus fréquemment utilisées pour former les semi-conducteurs de type P sont l'indium, l'aluminium et le gallium. Pour les semi-conducteurs de type N, on utilise l'arsenic, le phosphore et l'antimoine.

Pour la formation du monocristal, on peut également procéder selon la méthode illustrée figure 10-b. L'installation comprend essentiellement un réchauffeur, un creuset et un arbre de soulèvement.

Dans le creuset, on fait fondre le germanium et les matériaux d'impureté nécessaires à la réalisation des types P ou N. Initialement, la semence est placée à la partie inférieure de l'arbre de soulèvement, et adhère ainsi par la suite à la surface du germanium en fusion contenu dans le creuset.

En réglant la température, on peut obtenir que le germanium commence à se cristalliser au point de contact avec la semence. A ce moment, l'arbre de soulèvement remonte très lentement de façon à ce que le cristal en formation continue à croître.

En général à la fin de cette étape, le monocristal se présente sous forme de lingot cylindrique. Celui-ci, après quelques contrôles concernant la parfaite distribution des impuretés, est taillé en lamelles très fines appelées pastilles (figure 11-a). Ces pastilles sont aplanies sur les deux faces, polies avec des solvants, puis découpées en plaquettes (figure 11-b).

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Une autre méthode d'accroissement d'un cristal largement diffusée est celui de la croissance épitaxiale (figure 12).

Cette technique permet de déposer à la surface d'un produit cristallin un autre produit qui lui est apporté sous forme de vapeur. La couche déposée à la surface du produit dite, couche épitaxiale, a le même dopage que le produit vaporisé.

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La croissance cristalline épit axiale permet d'obtenir la formation de très fines couches mono cristallines d'une épaisseur de l'ordre du micron (millième de millimètre).

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