Qu'est-ce que 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.

Nom japonais: バンドギャップ

« Bande interdite (bandgap) » apparaît dans 68 questions d'entraînement réparties sur 16 thèmes, dont Physique des semi-conducteurs, Semi-conducteurs composés, Jonction PN et diodes.

Domaine: Physique des semi-conducteurs

Ce que détermine la bande interdite

La bande interdite Eg détermine la lumière qu'un semi-conducteur absorbe ou émet, selon λ (nm) ≈ 1240 / Eg (eV) : le silicium, à environ 1,12 eV, absorbe jusqu'à environ 1,1 µm, le germanium, à environ 0,66 eV, jusqu'à environ 1,9 µm, et le GaAs, à 1,42 eV, émet vers 870 nm. Elle fixe aussi la densité de porteurs intrinsèques, ni ∝ T^(3/2)·exp(−Eg/2kT), d'environ 1×10^10 cm^-3 pour le silicium à température ambiante, contre environ 2×10^13 pour le germanium et 2×10^6 pour le GaAs. Une faible valeur de ni limite le courant de fuite des jonctions et permet de contrôler la conductivité par un dopage léger. La bande interdite elle-même diminue légèrement avec la température, d'environ 0,3 meV/K dans le silicium.

Bande interdite directe ou indirecte

Dans un semi-conducteur à gap direct comme le GaAs ou l'InGaN, le minimum de la bande de conduction et le maximum de la bande de valence se situent à la même quantité de mouvement cristalline : un électron et un trou peuvent donc se recombiner en émettant efficacement un photon. Le silicium a un gap indirect : la recombinaison radiative nécessite en plus un phonon et reste faible ; la recombinaison passe alors principalement par des pièges à niveaux profonds (recombinaison Shockley-Read-Hall). C'est pourquoi les LED et les lasers utilisent des semi-conducteurs composés : l'InGaN pour le bleu et, avec davantage d'indium, le vert ; l'AlGaInP pour le rouge, vers 1,9 à 2,0 eV ; l'AlGaN pour l'ultraviolet profond.

Matériaux à large bande interdite pour la puissance

Les semi-conducteurs à large bande interdite, à partir d'environ 3 eV, supportent des champs et des températures élevés, car peu de porteurs sont excités thermiquement. Le 4H-SiC (environ 3,26 eV) et le GaN (environ 3,4 eV) ont des champs de claquage proches de dix fois celui du silicium : pour une même tension, une couche de dérive en SiC peut être environ dix fois plus mince et environ 100 fois plus dopée, ce qui réduit fortement la résistance à l'état passant. Les matériaux à très large bande interdite, comme le Ga2O3 (environ 4,5 à 4,9 eV) et le diamant (environ 5,5 eV), vont encore plus loin. Les isolants se situent encore au-dessus : environ 9 eV pour le SiO2 et environ 5,8 eV pour le HfO2.

Ingénierie de la bande interdite

Les alliages permettent d'ajuster Eg de façon continue : l'AlGaAs part de 1,42 eV tout en restant en accord de maille avec le GaAs, l'In0.53Ga0.47As sur InP donne environ 0,75 eV pour les photodétecteurs à 1,55 µm, et le HgCdTe couvre presque de 0 à 1,5 eV pour les détecteurs infrarouges. Les hétérojonctions, comme la base en SiGe à faible gap d'un HBT, exploitent les différences de bande interdite. Un dopage très élevé rétrécit la bande interdite apparente, tandis que le confinement quantique dans des ailettes ou des nanofeuillets de quelques nanomètres d'épaisseur l'élargit. La bande interdite fixe aussi la limite de Shockley-Queisser, d'environ 33 %, des cellules solaires à simple jonction, et un circuit de référence de tension à bande interdite (bandgap reference) délivre environ 1,2 V, valeur proche de la bande interdite du silicium extrapolée à 0 K.

S'entraîner : questions sur Bande interdite (bandgap)

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.

Quelle position dans la bande interdite du niveau donneur créé par le phosphore dans le silicium est correcte ?

  1. ATrès près du bas de la bande de conduction (environ 0,045 eV en dessous)
  2. BTrès près du sommet de la bande de valence
  3. CPresque au milieu de la bande interdite
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Réponse : A. Très près du bas de la bande de conduction (environ 0,045 eV en dessous)

Le niveau donneur du phosphore est très peu profond, à environ 0,045 eV sous le bas de la bande de conduction : même l'énergie thermique ambiante (environ 0,026 eV) suffit à l'ioniser presque entièrement et à fournir des électrons. L'arsenic se situe à environ 0,054 eV, et le niveau accepteur du bore à environ 0,045 eV au-dessus de la bande de valence. Les niveaux peu profonds, dont la liaison est affaiblie par la permittivité du matériau hôte, s'estiment avec le modèle de l'atome d'hydrogène. Les niveaux profonds proches du milieu de la bande interdite proviennent d'impuretés comme l'or et agissent comme centres de recombinaison.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que la bande interdite, en termes simples ?

C'est l'énergie minimale nécessaire pour libérer un électron d'une liaison afin qu'il puisse conduire ; elle est égale à l'écart d'énergie entre le haut de la bande de valence et le bas de la bande de conduction. Les métaux n'ont pas de bande interdite au niveau de Fermi, les semi-conducteurs en ont une modérée et les isolants une très grande.

Comment convertir une bande interdite en longueur d'onde ?

Utilisez λ (nm) ≈ 1240 / Eg (eV). Pour les 1,12 eV du silicium, on obtient environ 1,1 µm, la plus grande longueur d'onde que le silicium absorbe efficacement.

Quelle est la différence entre une bande interdite directe et indirecte ?

Dans un gap direct, les bords de bande sont alignés en quantité de mouvement cristalline : électrons et trous se recombinent donc efficacement en émettant de la lumière, comme dans le GaAs. Dans un gap indirect, comme celui du silicium, un phonon est également nécessaire, si bien que l'émission de lumière est faible.

« Bande interdite (bandgap) » dans les explications

Questions mentionnant « Bande interdite (bandgap) » (68)

  1. Quelle valeur est la plus proche de la bande interdite du silicium (Si) à température ambiante ?
  2. Quelle position dans la bande interdite du niveau donneur créé par le phosphore dans le silicium est correcte ?
  3. Quelle valeur est la plus proche de la bande interdite du germanium (Ge) à température ambiante ?
  4. Parmi les matériaux suivants, lequel a la plus grande bande interdite ?
  5. Comment appelle-t-on le processus de recombinaison d'électrons et de trous par l'intermédiaire de niveaux profonds (pièges) dans la bande interdite ?
  6. Comment évolue la bande interdite du silicium lorsque la température augmente ?
  7. Pourquoi le niveau de Fermi intrinsèque du silicium s'écarte-t-il légèrement du milieu exact de la bande interdite ?
  8. Comment désigne-t-on collectivement les semi-conducteurs dont la bande interdite est plus grande que celle du silicium, comme le SiC et le GaN ?
  9. Quelle est la longueur d'onde approximative de la lumière émise par le GaAs, de bande interdite d'environ 1,42 eV ?
  10. Quel matériau, dont la bande interdite est ajustable par la composition, a été utilisé pour les détecteurs infrarouges hautes performances de l'infrarouge moyen à l'infrarouge lointain ?
  11. Comment évolue la densité de porteurs intrinsèques lorsque la température d'un semi-conducteur intrinsèque augmente ?
  12. Quelle position du niveau de Fermi d'un semi-conducteur de type n est correcte ?
  13. Quelle dépendance en température de la résistivité d'un semi-conducteur intrinsèque est correcte ?
  14. Quel est un facteur typique qui raccourcit la durée de vie des porteurs minoritaires dans le silicium ?
  15. Quelle signification du niveau de Fermi est correcte ?

Termes associés

GaN (nitrure de gallium) Absorption (perte de chiffres) GaAs (arséniure de gallium) Mobilité SiC (carbure de silicium) Niveau de Fermi HBT (transistor bipolaire à hétérojonction) SiGe (silicium-germanium) InP (phosphure d'indium) Courant d'obscurité

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