10.2 : Bases des semi-conducteurs

Il existe des variations dans la conductivité électrique des matériaux (métaux, semi-conducteurs et isolants) qui sont présentées à l'aide des diagrammes de bandes d'énergie.

Les métaux tels que le cuivre (Cu), le zinc (Zn) ou le plomb (Pb) ont une faible résistivité et présentent des bandes de conduction qui ne sont pas entièrement occupées ou qui chevauchent la bande de valence, rendant la bande interdite inexistante. Cela permet aux électrons situés dans les niveaux d'énergie les plus élevés de la bande de valence de passer facilement à la bande de conduction après avoir obtenu une énergie cinétique minimale provenant d'un champ électrique appliqué. En conséquence, avec de nombreux états disponibles proches de ceux remplis, les métaux facilitent la circulation du courant électrique.

Les semi-conducteurs ont une bande de valence remplie et une bande de conduction vide séparées par une petite bande interdite, de l'ordre de 1 eV, permettant à certains électrons de valence d'être excités thermiquement vers la bande de conduction à température ambiante. Il en résulte un nombre modéré de porteurs de charge, ce qui rend les semi-conducteurs plus conducteurs que les isolants mais moins que les métaux. L'énergie de la bande interdite varie pour les semi-conducteurs, comme 1,12 eV pour le silicium (Si) et 1,42 eV pour l'arséniure de gallium (GaAs).

Dans les isolants comme SiO_2, la bande de valence est remplie d’électrons et la bande de conduction est vide. Les isolants ont une large bande interdite, ce qui rend difficile l’excitation des électrons de valence par la bande de conduction à température ambiante. En effet, les électrons de valence des isolants sont impliqués dans des liaisons covalentes fortes et nécessitent une énergie importante pour se rompre. Un grand espace énergétique sépare les bandes de valence remplies et les bandes de conduction vides, et l'énergie thermique à température ambiante est insuffisante pour exciter les électrons à travers cet espace. En conséquence, très peu d’électrons sont disponibles pour la conduction et le matériau ne peut pas conduire efficacement le courant électrique.