Le semi-conducteur est un type de matériau essentiel dans le domaine de l'électronique moderne. Comme son nom le laisse deviner, il se situe entre les conducteurs et les isolants en termes de conductivité électrique, ce qui signifie qu'il peut conduire l'électricité dans certaines conditions et mais aussi l’isoler dans d'autres. Cette polyvalence fait que les semi-conducteurs jouent un rôle central dans de nombreuses applications, depuis la fabrication de composants électroniques jusqu’à l'énergie solaire.
Les semi-conducteurs sont non conducteurs à l’état naturel. Il s’agit généralement de matériaux cristallins composés d'atomes disposés de manière régulière dans une structure en réseau. Les atomes dans un cristal de semi-conducteur partagent des électrons pour former des liaisons covalentes, créant ainsi une structure stable.
Dans l’objectif de modifier les propriétés électriques des semi-conducteurs, on peut les soumettre à un traitement spécifique appelé le dopage. Cette approche consiste à incorporer délibérément des impuretés dans la structure cristalline du semi-conducteur. Le dopage peut être de deux types : dopage de type N (pour négatif) et dopage de type P (pour positif).
Dans le dopage de type N, des impuretés contenant des électrons supplémentaires sont ajoutées, ce qui augmente la densité d'électrons dans la bande de conduction. Dans le dopage de type P, des impuretés ayant des lacunes d'électrons sont ajoutées, ce qui crée des trous dans la bande de valence. Ces deux approches ont pour effet d’augmenter la conductivité des semi-conducteurs. Ce type de traitement est par exemple utilisé dans le cas du silicium, le semi-conducteur qui est aujourd’hui à la base des cellules photovoltaïques qui constituent les panneaux solaires.
Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus largement utilisé. Il est le principal composant des puces électroniques, des transistors et des circuits intégrés, mais également essentiel dans la fabrication et le fonctionnement des panneaux photovoltaïques. Le silicium est abondant dans la nature et présente des propriétés électriques et thermiques bien adaptées à de nombreuses applications électroniques.
On peut également citer quelques autres semi-conducteurs :
Le carbure de silicium, le tellurure de cadmium ou encore le sélénium amorphe font aussi partie des matériaux semi-conducteurs. Chacun de ces matériaux présente des propriétés spécifiques qui le rendent adapté à des applications particulières en fonction de ses caractéristiques électriques, thermiques et optiques. Par conséquent, le choix de tel ou tel semi-conducteur dépend des exigences de chaque application et des performances souhaitées.
C’est le déplacement électrique qui s’opère au sein d’un matériau qui détermine s’il est conducteur, isolant ou semi-conducteur. Autrement dit, il s’agit de savoir comment les électrons s’y déplacent.
Placés autour de l’atome, les électrons sont caractérisés par leur appartenance à des plages d’énergies appelées bandes. On distingue les bandes de « valence » et de « conduction ».
La première correspond aux électrons situés en périphérie de l’atome. Ils sont nombreux mais peu mobiles car ils interagissent avec les atomes voisins pour assurer la cohésion locale du matériau. La seconde correspond à des électrons d’énergie importante, libres dans le matériau mais en nombre réduit.
Les semi-conducteurs, en ouvrant la possibilité de piloter un basculement entre deux états au sein de la matière, ont largement contribué au développement de l’électronique numérique, base de nombreux systèmes en particulier informatiques.
Par exemple, la mémoire des ordinateurs est constituée de cellules indépendantes implantées sur un substrat de silicium, l’un des matériaux semi-conducteurs les plus utilisés.
De nombreux autres systèmes utilisent les semi-conducteurs. Par exemple, les capteurs d’images ou les cellules photovoltaïques présentes sur les panneaux solaires. En effet, les semi-conducteurs jouent un rôle fondamental dans la conversion de l'énergie solaire en électricité, un processus essentiel pour l'industrie photovoltaïque.
Les cellules solaires, qui sont les composants de base des panneaux solaires photovoltaïques, exploitent les propriétés de photoémission des semi-conducteurs pour produire de l'électricité à partir de la lumière solaire, grâce à l’émission d’électrons sous l’impact des photons d’un rayonnement lumineux.
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