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.
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.