Semiconductor

Fotografia d'un transistor, exemple de compausat electronic fòrça important dins la societat modèrna qu'es fabricat a partir de semiconductors.

Un semiconductor es un materiau que condutz imperfectament l'electricitat. Presenta lei caracteristicas generalas d'un isolant mai sa resistivitat demenís se sa temperatura aumenta. Aquela caracteristica es fòrça importanta dins lo domeni de l'electronica.

Certanei compausats purs, dichs « semiconductors intrinsècs », son de semiconductors naturaus. Sensa apòrt d'energia, an una resistivitat importanta. Pasmens, quand la temperatura aumenta, l'agitacion termica vèn sufisenta per arrancar d'electrons perifericas ais atòms que lo compausan e engendrar un corrent electric. La preséncia d'impuretats e d'efiechs fisics, coma un camp electric ò un camp magnetic, pòdon favorizar mai la demenicion de la resistivitat e modular lei proprietats dau materiau. Segon la natura deis impuretats, se destrian :

• lei semiconductors de tipe N que contènon un excès d'electrons.
• lei semiconductors de tipe P que contènon un excès de lacunas electronicas.

La juxtaposicion de dos semiconductors de tipes diferents permet de realizar un materiau onte leis electrons presents en excès dins lo semiconductor de tipe N passan vèrs lo semiconductor de tipe P. Aqueu principi explica l'importància dei semiconductors dins la societat modèrna car permet la fabricacion dei diòdes e dei transistors.

Lo silici e lo germani son lei dos elements de basa que permèton la fabricacion de semiconductors. Leis impuretats integradas dedins son pus variadas mai d'elements coma l'arsenic, l'antimòni, lo galli ò l'indi son sovent utilizats.

Istòria

Lei trabalhs precursors

Retrach de Karl Ferdinand Braun, precursor major dei recèrcas sus lei semiconductors.

Lei trabalhs aguent permés la descubèrta e lo desvolopament dei semiconductors foguèron iniciats durant la premiera mitat dau sègle XIX. D'efiech, la premiera observacion coneguda d'un fenomèn causat per un semiconductor foguèt l'òbra dau fisician Thomas Johann Seebeck (1770-1831) en 1821. Puei, en 1833, lo Britanic Michael Faraday (1791-1867) mesurèt una demenicion de la resisténcia electrica dins de mòstras de sulfur d'argent somesas a una aumentacion de la temperatura. Un an pus tard, lo fisician francés Jean-Charles Peltier (1785-1845) descurbiguèt un autre efiech termoelectric en estudiant la joncion de dos conductors diferents. Enfin, en 1839, Edmond Becquerel (1820-1891) publiquèt de resultats d'experiéncias mostrant un liame entre lo passatge d'un corrent electric entre un solid e un electrolit liquid e la preséncia de lutz (efiech fotovoltaïc). Pasmens, aquelei descubèrtas demorèron de curiositats scientificas car lei sabers dau periòde èran insufisents per leis explicar.

Dins aquò, durant la segonda mitat dau sègle XIX, lei descubèrtas contunièron de se multiplicar. Per exemple, en 1873, Willoughby Smith (1828-1891) demostrèt que la resisténcia electrica de mòstras de selèni demenissiá en preséncia de lutz. L'an seguent, lo fisician alemand Karl Ferdinand Braun (1850-1918) estudièt lei proprietats de conduccion electrica de divèrsei sulfurs metallics semiconductors. De mai, observèt lo comportament de redreçaire d'aquelei materiaus. Un fenomèn similar foguèt depintat, totjorn en 1874, per Arthur Schuster (1851-1934) a partir de mesuras realizadas sus de fius de coire oxidats.

La descubèrta de l'electron en 1897 permetèt la formulacion dei premierei teorias modèrnas de la conduccion electrica. Durant leis ans 1910, aquelei modèls e lei resultats experimentaus menèron a la definicion de tres categorias de materiaus : lei conductors electrics, lei semiconductors e leis isolants. Utilizat dins una tèsi en 1910, lo mot « semiconductor » s'impausèt au detriment d'autrei tèrmes coma « conductor variable » prepausat per l'Alemand Johann Koenigsberger (1874-1946).

Lei premiers transistors

Fotografia de John Bardeen, William Shockley e de Walter Houser Brattain en 1948.

Article detalhat: Transistor.

Se lo premier aparelh foncionant amb de semiconductors foguèt concebut en 1874 per Karl Ferdinand Braun, la recèrca vertadiera d'aplicacions comencèt avans la Segonda Guèrra Mondiala (1939-1945). En particular, dins lo domeni militar, permetèron la fabricacion de sistèmas de deteccion de naviris, de sosmarins e d'avions e de sistèmas de comunicacion. Aquò favorizèt tanben lei recèrcas sus l'elaboracion dau silici.

Lo melhorament de la qualitat dau silici disponible foguèt un element fondamentau per lo desvolopament de l'electronica, domeni tecnic aparegut a partir deis ans 1920. Tre aquela epòca, lei detectors e lei redreçaires èran de compausants interessants mai lo concèpte d'amplificator pareissiá pus prometeire car permetiá de transformar un sinhau electric. Lo Sovietic Oleg Losev (1903-1942) foguèt probablament lo premier que construguèt un amplificator operacionau en 1922 mai foguèt tuat en 1942 durant lo sètge de Leningrad. Puei, una etapa importanta aguèt luòc entre 1939 e 1941 amb la concepcion e l'observacion de la premiera joncion P-N per lo fisician Russell Ohl (1898-1987).

Lei Laboratòris Bell foguèron un dei centres majors de la recèrca sus lei semiconductors durant aqueu periòde. Tre 1938, William Shockley (1910-1989) i estudièt lo foncionament d'amplificators solids. Pasmens, lo resultat pus important foguèt la concepcion dau premier transistor per una còla dirigida per Shockley, Walter Houser Brattain (1902-1987) e John Bardeen (1908-1991). Puei, en 1954, Morris Tanenbaum (1928-2023), un autre fisician dei Laboratòris, realizèt lo premier transistor de silici. A la fin deis ans 1950, l'ensemble d'aquelei descubèrtas e invencions menèt a la fondacion de l'industria modèrna dei semiconductors.

Lo desvolopament dei semiconductors de silici

Fotografia de Mohamed Atalla en 1963.

Article detalhat: Mohamed Atalla.

Se l'interès dau silici dins la fabricacion dei semiconductors èra estat identificat en 1906 per l'engenhaire estatsunidenc Greenleaf Whittier Pickard (1877-1956), leis ans 1950 veguèron la concentracion d'esfòrç importants per estudiar lei proprietats dau silici e dau germani. Inicialament, lo segond èra considerat coma lo materiau pus prometeire car permet de generar pus aisament un corrent electric que lo premier. De mai, de fenomèns quantics a la superficia dau silici limitèron sei performàncias fins ai trabalhs de l'Egipcian Mohamed M. Atalla (1924-2009) sus la passivacion dau jaç extèrne d'un materiau per tractament termic.

D'efiech, lei descubèrtas d'Atalla permetèron d'utilizar lei jaç d'oxids presents a la superficia dau silici per estabilizar lei proprietats de sa superficia. La factibilitat de sei teorias foguèt demostrada en 1958. Après aqueu succès, lo silici remplacèt pauc a pauc lo germani coma matèria premiera de basa dins la fabricacion dei semiconductors.

L'invencion dau MOSFET

Article detalhat: MOSFET.

A la fin deis ans 1950, Mohamed Atalla, amb l'ajuda de Dawon Kahng (1931-1992), poguèt esplechar la capitada de la mesa en òbra de sei descubèrtas sus lo tractament de superficia de silici per fabricar lo premier transistor de tipe MOSFET en 1959. Imaginat en 1920 per lo fisician austroongrés Julius Edgar Lilienfeld (1882-1963), aqueu dispositiu es vengut un element indispensable a la fabricacion de circuits integrats numerics. D'efiech, coma leis autrei transistors, permet de modular un corrent electric mai, per aquò, a pas besonh d'una alimentacion electrica. Pròva d'aquela importància, en 2008, mai de 90 % de la produccion de silici destinat a la fabricacion de semiconductors èra dirigida vèrs la produccion de transistors MOSFET. Autra chifra de remarca, entre 1960 e 2018, lo nombre de transistors d'aqueu tipe produchs dins lo mond es estimat a tretze mila miliards de miliards (13.10²¹).

Principis de foncionament

Materiaus

Fotografia d'un cristau de silici.

Plusors elements e compausats quimics an de proprietats semiconductritz :

• plusors elements de la colona 14 de la taula periodica. Lei dos pus importants son lo silici e lo germani que son utilizats comercialament per la fabricacion de semiconductors.
• de compausats binaris entre elements dei colonas 13 e 15, dei colonas 12 e 16, dei colonas 14 e 16 e entre dos elements de la colona 14.
• de compausats ternaris coma d'oxids e d'aliatges.
• de compausats organics.

Lei materiaus semiconductors son generalament de solids cristallins mai existís tanben de compausats semiconductors amòrfs e liquids.

Teoria

L'estructura de bendas e la conduccion electrica

Esquèma simplificat dei bendas de valéncia e de conduccion d'un conductor, d'un semiconductor e d'un isolant electric.

Article detalhat: Teoria dei bendas.

Lei semiconductors son caracterizats per son comportament de conductor electric intermediari entre un conductor electric vertadier e un isolant. Aqueu fenomèn es descrich per la teoria dei bendas. Segon aqueu modèl, un electron present dins un solid pòu unicament adoptar de valors d'energia situadas dins certaneis intervals que son dichs « bendas ». D'un biais pus precís, aquel electron pòu solament prendre lei valors compresas dins de bendas « permesas » que son separadas per de bendas « enebidas ». La mecanica quantica permet d'explicar l'existéncia de nivèus energetics enebits.

Doas bendas d'energia permesas tènon un ròtle particular :

• la darriera benda totalament emplida d'electrons qu'es dicha « benda de valéncia ».
• la benda d'energia permesa seguenta qu'es dicha « benda de conduccion ».

La benda de valéncia a una concentracion electronica auta mai participa pas ai fenomèns de conduccion. En revènge, la benda de conduccion es vueja ò parcialament emplida, çò que pòu eventualament permetre una circulacion d'electrons au sen dau materiau e donc lo passatge d'un corrent electric.

Dins lei conductors, coma lei metaus, lei bendas de valéncia e de conduccion se cavaucan e leis electrons pòdon dirèctament passar entre lei dos bendas e circular dins tot lo solid. Au contrari, dins un materiau isolant, aquelei bendas son separadas per de bendas enebidas que cuerbon un important interval energetic. Dins aqueu cas, lo passatge d'electrons entre bendas de valéncia e de conduccion es impossible e leis electrons pòdon pas circular dins lo solid. Dins un semiconductor, aquelei bendas son egalament separadas per una benda enebida, sovent dicha « gap ». Pasmens, la largor d'aquela benda es pus febla que dins lo cas d'un isolant. Per exemple, es de 0,66 eV dins lo germani ò de 1,12 eV dins lo silici còntra 6 eV dins lo diamant (qu'es un isolant electric). Ansin, s'un electron recebe un apòrt d'energia, pòu passar entre lei bendas de valéncia e de conduccion e engendrar una circulacion d'electrons.

Lei portaires de carga

Dins un materiau semiconductor, lei corrents electrics son assegurats per de transferiments d'electrons. Pasmens, dins certanei cas, s'utiliza la nocion de lacuna electronica per representar lo movement dei portaires de carga. D'efiech, lo desplaçament d'un electron laissa un « vuege » dins la benda qu'ocupava avans sa partença. En causa de la carga electrica negativa de l'electron, aqueu vuege pòu èsser representat coma una particula ipotetica de carga positiva e lo corrent electric engendrat coma una consequéncia dau movement d'aquelei lacunas.

Lo dopatge

Representacion dei dopatges de tipe N e P

Article detalhat: Dopatge (semiconductor).

Coma l'existéncia dei bendas enebidas es una consequéncia de la regularitat de l'estructura cristallina dau materiau semiconductor, l'introduccion d'impuretats presenta l'interès de crear d'estats accessibles ais electrons a l'interior d'aquelei bendas. Lo dopatge d'un semiconductor consistís donc a chausir e a plaçar d'eteroatòms dins aqueu ret cristallin per obtenir lei proprietats electricas demandadas. Se lo procès aumenta la densitat d'electrons, es dich « dopatge N ». Dins lo cas contrari, s'aumenta la quantitat de lacunas electronicas, es dich « dopatge P ».

Per realizar un dopatge de tipe N, es necessari d'integrar d'atòms aguent un nombre important d'electrons. Per exemple, es possible d'integrar d'elements quimics de la colona 15 (fosfòr, arsenic ò antimòni) dins un ret cristallin de silici. D'efiech, coma aqueleis elements an cinc electrons de valéncia, presentan quatre liasons covalentas e un electron liure quand son integrats dins un tau ret. Dins lei condicions ordinàrias de temperatura, aquel electron liure es pauc liat a son nuclèu atomic. Ansin, se la temperatura aumenta, l'excitacion permet la partença de l'electron liure.

Per un dopatge de tipe P, lo principi de basa es d'introdurre d'atòms aguent un nombre feble d'electrons de valéncia. Totjorn dins lo cas dei semiconductors de silici, s'utiliza generalament d'atòms de la colona 13 coma lo bòr. D'efiech, aquel element a unicament tres electrons de valéncia. Un còp integrat dins un ret cristallin de silici, es donc a l'origina de tres liasons covalentas e d'una lacuna electronica. Aquela darriera pòu èsser emplida per un electron en provenància d'un atòm de silici vesin, çò que mena a un desplaçament de la lacuna.

Proprietats

Esquèma simplificat d'una joncion P-N.

Lei materiaus semiconductors an mai d'una proprietat de remarca :

• an una conductivitat electrica variabla que pòu èsser modulada per dopatge. Aquela conductivitat aumenta amb la temperatura dau materiau.
• durant lo passatge d'un corrent electric, certanei semiconductors pòdon emetre de radiacions luminósas.
• certanei semiconductors an una conductivitat termica auta. Aquò permet de dissipar aisament la calor congreada per lo passatge d'un corrent electric e de limitar l'escaufament dau materiau.

Pasmens, la proprietat pus importanta dei semiconductors es probablament aquela de l'eterojoncion. Consistís a liar entre elei dos materiaus semiconductors aguent de bendas enebidas diferentas ò un metau e un semiconductor. Aquò permet de realizar d'estructuras que sei caracteristicas despendon de sei proprietats espacialas. En particular, la joncion entre un semiconductor dopat N e un semiconductor dopat P permet de realizar un compausat que permet lo passatge dau corrent dins un sens unic. Dicha joncion P-N, aqueu tipe de joncion constituís lo còr dei diòdes.

Produccion e aplicacion

Lei principis de produccion

La fabricacion de semiconductors comerciaus necessita la mesa en plaça de procès de produccion ben mestrejats car la puretat dei materiaus es un ponch fondamentau. D'efiech, coma lei semiconductors son utilizats per fabricar d'objèctes electronics, la preséncia d'impuretats non previstas dins lo materiau pòu aver de consequéncias negativas sus sei performàncias. Lo silici e lo germani son lei doas matèrias premieras de basa. Un nivèu de puretat aut es exigit per aver un ret cristallin amb un nombre minimau de defauts. Per aquela rason, la matèria premiera es sovent faiçonada sota la forma de cilindres d'un diamètre de 100 a 300 mm. Obtenir un diamètre pus important es fòrça complèx.

A partir d'aquelei produchs, plusors procès de fabricacion son mes en òbra :

• l'oxidacion termica permet de transformar lo substrat en oxids isolants.
• de procès de gravadura que permèton de fabricar lei motius d'un circuit. A l'origina, aquelei procès èran associadas amb l'usatge de resinas especialas qu'èran sensiblas a la lutz (fotolitografia). Pasmens, per miniaturizar mai lei circuits, foguèron desvolopadas de tecnologias qu'emplegan de raionaments pus precís (litografia UV, litografia ionica, litografia X...).
• lei procès de dopatge que permèton d'integrar d'impuretats dins lo materiau. Au mens quatre metòdes existisson per realizar aquela operacion. Lo pus frequent es lo metòde per difusion que consistís a caufar lo materiau semiconductor a una temperatura situada entre 850 e 1 150 °C, çò que permet a d'atòms d'una mòstra donat d'integrar lentament lo ret cristallin dau semiconductor. Leis autrei procès utilizats son l'implantacion ionica que permet d'implantar d'impuretats gràcias a un flux d'ions accelerats, la transmutacion que consistís a transmudar certaneis isotòps dau semiconductor dins un reactor nuclear e l'implantacion per lasèr qu'es basada sus lo caufatge e lo refrejament rapide d'una zòna dau semiconductor per i difusar una impuretat plaçada a sa superficia.

Leis aplicacions dei semiconductors

Lei semiconductors intran dins la fabricacion d'elements electronics coma lei transistors, lei diòdes, lei termistàncias ò lei cellulas fotovoltaïcas. Leis aplicacions dei semiconductors son donc fòrça nombrosas e aquelei materiaus son presents dins plusors domenis industriaus coma l'electronica, l'informatica, l'armament, l'aeronautica, l'automobila ò leis aparelhs medicaus.

• 
  Fotografia de circuits integrats, exemple d'aplicacion dei semiconductors.
• 
  Fotografia de diòdes electroluminescentas, autre exemple d'aplicacion dei semiconductors.
• 
  Fotografia d'un ensemble de termistàncias, autre exemple d'aplicacion dei semiconductors.
• 
  Fotografia de panèu fotovoltaïc, autre exemple d'aplicacion dei semiconductors.

L'economia dei semiconductors

Article detalhat: Industria dei semiconductors.

L'industria dei semiconductors es lo sector industriau que gropa leis activitats de concepcions, de fabricacion e de comercializacion dei semiconductors. Son produch fondamentau es lo circuit integrat. Pasmens, certanei companhiás dau sector an tanben desvolopat d'activitats electronicas que li permèton de comercializar de produchs acabats a basa de semiconductors coma de cartas electronicas ò de cellulas fotovoltaïcas. En 2018, la chifra d'afaires de l'ensemble dau sector èra estimada a 481 miliards de dolars e èra en expansion. La màger part dei companhiás que lo dominan son d'origina estatsunidenca (Intel, Qualcomm, Texas Instruments...), japonesa (Toshiba, Renesas Electronics...) e sud-coreana (Samsung Electronics, SK Hynix...). Pasmens, la màger part deis usinas de produccion son installadas en Asia. Ansin, en 2016, mai de 80 % dei semiconductors utilizats dins lo mond èran ansin fabricats dins de país d'Extrèm Orient mentre que leis Estats Units e l'Euròpa Occidentala asseguravan mens de 15 % de la produccion mondiala.

Annèxas

Liames intèrnes

• Corrent electric.
• Diòde.
• Dopatge.
• Efiech fotovoltaïc.
• Electricitat.
• Electron.
• Eterojoncion.
• Germani.
• Joncion P-N.
• Lacuna electronica.
• MOSFET.
• Resisténcia electrica.
• Silici.
• Teoria dei bendas.
• Transistor.

Bibliografia

• (en) Jarek Dabrowski e Hans-Joachim Müssig, Silicon Surfaces and Formation of Interfaces: Basic Science in the Industrial World, World Scientific, 2000.
• (en) Leonard C. Feldman, Fundamental Aspects of Silicon Oxidation, Springer Science+Business Media, 2001.
• (fr) Richard Feynman, Mécanique quantique, edicion originala Addison Wesley 1963, traduccion en francés Dunod, 1999.
• (fr) Francois Francis Bus, L'époque ou les puces font leurs lois : histoire des semi-conducteurs vécue de chez Texas Instruments, Books on demand, 2020.
• (en) Hubert Kaeslin, Digital Integrated Circuit Design, from VLSI Architectures to CMOS Fabrication, Cambridge University Press, 2008.
• (en) Grant McFarland, Microprocessor Design : A Practical Guide from Design Planning to Manufacturing, McGraw-Hill Publishing Companies, Inc., 2006.
• (en) Peter Robin Morris, A History of the World Semiconductor Industry, IET, 1990.
• (en) Donald A. Neamen, Semiconductor Physics and Devices. Basic Principles, McGraw-Hill Higher Education, 3^a edicion, 2003.
• (en) Paul Siffert e Eberhard Krimmel, Silicon: Evolution and Future of a Technology, Springer Science+Business Media, 2013.
• (en) B. G. Yacobi, Semiconductor Materials: An Introduction to Basic Principles, Springer, 2003.
• (en) Peter Yu, Fundamentals of Semiconductors, Springer-Verlag, 2010.