Chimie du solide: 1.3.5-1

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La théorie des bandes d'énergie

Les semi-conducteurs appartiennent à la classe plus générale des matériaux électroniques. La conductivité électrique des semi-conducteurs est comprise entre celle des métaux conducteurs et celle des céramiques isolantes, soit approximativement entre 10^-6et 10³ S/cm. La majorité des semi-conducteurs est à base de silicium et de germanium. C'est ces matériaux qui sont à l'origine de l'âge du numérique et de l'informatique, et donc des nombreuses technologies qui aujourd'hui font partie intégrale de notre vie quotidienne.
A côté des éléments purs Si et Ge, les semi-conducteurs peuvent être aussi des composés :
- CdS, CdSe, CdTe ... (appelés semi-conducteurs II-VI car formés d'éléments du groupe 2B et du groupe 6B)
- GaN, GaAs, AlAs, AlP, InP .... (appelés semi-conducteurs III-V car formés d'éléments du groupe 3B et du groupe 5B)

Les propriétés électriques particulières de ces matériaux solides, mais aussi des autres matériaux électroniques, sont expliquées actuellement par le théorie des bandes d'énergie.

Dans un atome isolé, les électrons occupent des niveaux d'énergie particuliers et distincts. Quand des atomes se rapprochent pour former un solide, le principe d'exclusion de Pauli indique que pas plus de deux électrons dans le solide peuvent avoir la même énergie. Quand deux atomes se réunissent pour former une liaison covalente, le même principe de Pauli serait violé si les niveaux énergétiques des deux électrons de la liaison étaient les mêmes. Par conséquent les niveaux énergétiques de ces électrons se divisent en deux niveaux d'énergie différents.
Si le nombre d'atomes augmente, ces deux niveaux se subdivisent eux mêmes en d'autres niveaux d'énergie très voisins ce qui donne finalement des bandes d'énergie(figure ci-dessous).

Élargissement des niveaux énergétiques des électrons de valence lorsque le nombre d'atomes rassemblés augmente (schéma simplifié)

• Pour les conducteurs, la bande de valence et la bande de conduction se chevauchent. Les électrons peuvent donc passer directement dans la bande de conduction et circuler dans tout le solide. La conductivité est bonne.
• Pour les isolants, la bande de valence et la bande de conduction sont séparées par un gap (bande interdite) de l'ordre de 6 eV. Cette valeur est trop élevée pour que les électrons passent dans la bande de conduction.
• Pour les semi-conducteurs, la bande de valence et la bande de conduction sont séparées par un gap plus faible, compris entre 5 et 4 eV, mais le plus souvent voisin de 1 eV. Si on apporte cette énergie aux électrons, certains pourront passer dans la bande de conduction et circuler dans le matériau. L'apport d'énergie peut se faire par chauffage, par application d'un champ électromagnétique ou par illumination. A température ambiante la conduction est faible, elle augmente rapidement avec la température.

Les bandes d'énergie correspondent donc aux niveaux d'énergie qui sont permis, ou interdits, aux électrons des éléments ou des composés formant le matériau solide. La dernière bande remplie est appelée bande de valence, la bande immédiatement supérieure bande de conduction. La bande d'énergie comprise entre ces deux bandes est appelée bande interdite ou plus simplement "gap".
C'est la valeur de l'énergie de cette bande qui va fixer les propriétés électriques du matériau (figure ci-dessous) :

Les bandes d'énergie correspondent donc aux niveaux d'énergie qui sont permis, ou interdits, aux électrons des éléments ou des composés formant le matériau solide. La dernière bande remplie est appelée bande de valence, la bande immédiatement supérieure bande de conduction. La bande d'énergie comprise entre ces deux bandes est appelée bande interdite ou plus simplement "gap".
C'est la valeur de l'énergie de cette bande qui va fixer les propriétés électriques du matériau (figure ci-dessous) :

Position des bandes d'énergie pour un métal, un semi-conducteur et un isolant(schéma simplifié)