Conducteur vs semi-conducteur vs isolant : bande interdite, résistivité, température

Ce qui distingue un conducteur, un semi-conducteur et un isolant, c’est la quantité d’électrons capables de transporter le courant, et la structure de bandes l’explique. Dans un métal, la bande de conduction est partiellement remplie d’électrons : il possède d’emblée de nombreux électrons libres. Un isolant a une large bande interdite, si bien qu’à température ambiante presque aucun électron ne peut monter dans la bande de conduction. Le semi-conducteur se situe entre les deux : sa bande interdite, modérée et de l’ordre de 1 eV, permet de faire varier fortement sa conductivité avec la température, la lumière ou l’ajout d’impuretés (dopage).

CritèreConducteur (métal)Semi-conducteurIsolant
Structure de bandesBande de conduction partiellement remplie d’électrons (ou bandes de valence et de conduction qui se chevauchent)Bande de valence pleine, séparée de la bande de conduction par une bande interdite modéréeBande de valence pleine, séparée de la bande de conduction par une large bande interdite
Bande interdite (ordre de grandeur)AucuneSouvent de l’ordre de 1 eV (Si : environ 1,12 eV, Ge : environ 0,66 eV, GaAs : environ 1,42 eV). Il existe aussi des semi-conducteurs à large bande interdite dépassant 3 eV, comme le SiC et le GaNGrande (SiO2 : environ 9 eV)
Résistivité à température ambiante (ordre de grandeur)Très faible (cuivre : environ 1,7 × 10⁻⁶ Ω·cm)Intermédiaire, et varie de plusieurs ordres de grandeur selon la quantité d’impuretés (silicium pur : de l’ordre de 10⁵ Ω·cm)Très élevée (10¹⁴ Ω·cm ou plus pour le SiO2, par exemple)
Porteurs de chargeÉlectrons libres : 10²² par cm³ ou plus (cuivre : environ 8,5 × 10²²)Deux types : les électrons de la bande de conduction et les trous de la bande de valence. Leur densité peut être fortement modifiée par dopagePresque aucun
Quand la température augmenteLa résistance augmente (davantage de diffusion par les vibrations du réseau)Dans un semi-conducteur pur, la résistance chute fortement (les porteurs générés thermiquement augmentent brusquement)La résistance reste très élevée, mais diminue légèrement à haute température
Quand on ajoute des impuretésLa conductivité ne change presque pas (la résistance augmente légèrement)Une quantité infime change la conductivité de plusieurs ordres de grandeur et permet d’obtenir au choix le type n ou le type pIl doit rester isolant : impuretés et défauts sont source de courants de fuite
Sous éclairagePresque aucun changementUne lumière d’énergie supérieure à la bande interdite crée des porteurs et le courant augmente (photoconductivité)Presque aucun changement en lumière visible (le SiO2 laisse passer la lumière visible)
Matériaux typiquesCuivre, aluminium, or, tungstèneSilicium, germanium, GaAs, SiC, GaNSiO2, nitrure de silicium (Si3N4), alumine (Al2O3), résines
Rôle dans les composants à semi-conducteursInterconnexions, électrodes, contacts, fils de bondingLes parties qui contrôlent le courant, comme les transistors et les diodesIsolant de grille, diélectrique intermétallique entre les interconnexions, isolation des composants, couches de protection

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Conducteur (métal)
Pour transporter l’électricité avec peu de pertes : interconnexions et électrodes à l’intérieur de la puce, fils et broches du boîtier.
Semi-conducteur
Pour commuter ou amplifier un courant, ou convertir la lumière en électricité et inversement. C’est le cœur des transistors, diodes, capteurs d’image et cellules solaires.
Isolant
Pour séparer les zones où le courant ne doit pas passer : isolant de grille des MOSFET, diélectrique intermétallique qui remplit l’espace entre les interconnexions, isolation entre transistors voisins.

Questions fréquentes

Pourquoi parle-t-on de « semi-conducteur » ?

Parce que sa résistivité se situe entre celle des conducteurs (métaux) et celle des isolants. Mais l’essentiel n’est pas cette valeur : c’est que l’on peut faire varier fortement sa conductivité par dopage, par la température, la lumière ou un champ électrique. C’est cette propriété qui est à la base du fonctionnement des transistors et des diodes.

Pourquoi la résistance varie-t-elle en sens inverse avec la température dans un métal et dans un semi-conducteur ?

Dans un métal, le nombre d’électrons libres est presque constant ; quand la température monte, la diffusion par les vibrations du réseau augmente, donc la résistance aussi. Dans un semi-conducteur pur, la hausse de température fait croître exponentiellement le nombre de porteurs excités au-dessus de la bande interdite, ce qui l’emporte sur l’augmentation de la diffusion : la résistance diminue.

À partir de combien d’eV de bande interdite parle-t-on d’isolant ?

Il n’existe pas de frontière nette. On appelle souvent isolant un matériau à large bande interdite qui n’a presque pas de porteurs à température ambiante. Mais des matériaux que l’on peut rendre conducteurs par dopage, comme le diamant (environ 5,5 eV) ou le Ga2O3 (environ 4,5 à 4,9 eV), sont traités comme des semi-conducteurs (semi-conducteurs à ultra-large bande interdite).

Le silicium est-il un conducteur ou un isolant ?

C’est un semi-conducteur. La résistivité du silicium pur est assez élevée à température ambiante, de l’ordre de 10⁵ Ω·cm, mais il suffit d’ajouter un peu de phosphore ou de bore pour la faire baisser de plusieurs ordres de grandeur. Par exemple, du silicium de type n avec une densité d’électrons de 1 × 10¹⁶ cm⁻³ a une résistivité d’environ 0,5 Ω·cm.

Vérifier vos connaissances

Quelle valeur est la plus proche de la bande interdite du silicium (Si) à température ambiante ?

  1. AEnviron 0,66 eV
  2. BEnviron 1,12 eV
  3. CEnviron 3,4 eV
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Réponse : B. Environ 1,12 eV

La bande interdite du silicium vaut environ 1,12 eV à température ambiante, ce qui fixe la limite supérieure des longueurs d'onde absorbables à environ 1,1 µm (1240 ÷ 1,12). Environ 0,66 eV correspond au germanium, dont la faible bande interdite favorise l'augmentation du courant de fuite à haute température ; environ 3,4 eV correspond au GaN, semi-conducteur à large bande interdite adapté à la haute tension, au fonctionnement à haute température et aux LED bleues. Le silicium, intermédiaire, est devenu le matériau principal des LSI, d'autant qu'il permet de former un oxyde thermique (SiO2) de bonne qualité.

Parmi les matériaux suivants, lequel a la plus grande bande interdite ?

  1. ASilicium (Si)
  2. BGermanium (Ge)
  3. CDioxyde de silicium (SiO2)
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Réponse : C. Dioxyde de silicium (SiO2)

La bande interdite du SiO2, d'environ 9 eV, est très grande : c'est un bon isolant, sans commune mesure avec le silicium (environ 1,12 eV) et le germanium (environ 0,66 eV). Outre cette grande bande interdite, le décalage de bande de conduction avec le silicium (environ 3,1 eV) est important, ce qui empêche les électrons de franchir l'isolant de grille. Les matériaux High-k (HfO2 : environ 5,8 eV) ont une permittivité élevée mais une bande interdite plus faible, et sont choisis selon un compromis avec le courant de fuite.

Quelle dépendance en température de la résistivité d'un semi-conducteur intrinsèque est correcte ?

  1. ALa résistivité diminue quand la température augmente
  2. BLa résistivité augmente quand la température augmente
  3. CLa résistivité est constante quelle que soit la température
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Réponse : A. La résistivité diminue quand la température augmente

Dans un semi-conducteur intrinsèque, le nombre de porteurs excités à travers la bande interdite croît exponentiellement avec la température, d'où une baisse de la résistivité (coefficient de température négatif). Dans un métal, le nombre de porteurs est presque constant et la diffusion par les vibrations du réseau augmente, d'où une hausse de la résistivité. La thermistance (NTC) exploite cette propriété. Toutefois, dans le silicium dopé, le nombre de porteurs étant presque constant au voisinage de la température ambiante, il existe une plage où la résistance augmente plutôt, par baisse de la mobilité.

  1. Comment évolue la densité de porteurs intrinsèques lorsque la température d'un semi-conducteur intrinsèque augmente ?
  2. Combien d'électrons de valence (électrons de la couche externe) possède un atome de silicium ?
  3. Quelle valeur est la plus proche de la bande interdite du germanium (Ge) à température ambiante ?

Questions d'entraînement sur Physique des semi-conducteurs

Termes clés expliqués

Bande interdite (bandgap)
Différence d'énergie entre le haut de la bande de valence et le bas de la bande de conduction. Environ 1,12 eV pour le silicium à température ambiante. Plus elle est grande, meilleure est la tenue aux hautes températures et aux hautes tensions.
Concentration intrinsèque de porteurs
Densité d'électrons et de trous générés thermiquement dans un semi-conducteur sans impuretés (notée ni). Environ 1×10¹⁰ cm⁻³ dans le silicium à température ambiante, elle croît rapidement avec la température. À l'équilibre thermique, n × p = ni².
Mobilité
Facilité avec laquelle les porteurs se déplacent sous l'effet d'un champ électrique. Dans le silicium, la mobilité des électrons est supérieure à celle des trous.
Niveau de Fermi
Énergie pour laquelle la probabilité d'occupation par un électron vaut exactement 1/2. Il se rapproche de la bande de conduction dans le type n et de la bande de valence dans le type p.

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