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).
| Critère | Conducteur (métal) | Semi-conducteur | Isolant |
|---|---|---|---|
| Structure de bandes | Bande 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 modérée | Bande de valence pleine, séparée de la bande de conduction par une large bande interdite |
| Bande interdite (ordre de grandeur) | Aucune | Souvent 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 GaN | Grande (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 charge | Électrons 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 dopage | Presque aucun |
| Quand la température augmente | La 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 impuretés | La 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 p | Il doit rester isolant : impuretés et défauts sont source de courants de fuite |
| Sous éclairage | Presque aucun changement | Une 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 typiques | Cuivre, aluminium, or, tungstène | Silicium, germanium, GaAs, SiC, GaN | SiO2, nitrure de silicium (Si3N4), alumine (Al2O3), résines |
| Rôle dans les composants à semi-conducteurs | Interconnexions, électrodes, contacts, fils de bonding | Les parties qui contrôlent le courant, comme les transistors et les diodes | Isolant 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.