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ATHENA 268 · Février 2011 > PHYSIQUE
Molybdène
contre
graphène
Des chercheurs de l’École
polytechnique fédérale
de Lausanne viennent
de réaliser un semi-conducteur
en molybdénite.
De quoi relancer
la course aux transistors
du futur
Inutile de rappeler l’importance
des transistors, composants
majeurs de l’électronique,
constitués par un assemblage
de semi-conducteurs. Essayer
d’en réaliser de plus petits, de moins en
moins gourmands en énergie, est une
constante depuis leur invention par des
scientifiques de la Bell Telephone à la fin
de l’année 1947. Une sorte de Graal (un
de plus !) poursuivi par de nombreuses
équipes de physique du solide à travers
le monde.
Pour comprendre comment fonctionne
un semi-conducteur, un petit détour par
le phénomène de conduction électrique
n’est pas inutile. Le courant électrique se
matérialise par le déplacement de petits
«grains» de nature différente selon les
Texte : Henri DUPUIS • dupuis.h@belgacom.net
Photos : A. VIALLE (p.42), VINCE (Schéma p.43), École polytechnique fédérale de Lausanne (p.43)
milieux. Ainsi, dans les métaux, ce sont
les électrons qui portent l’électricité
et la capacité des métaux à conduire
l’électricité ne dépend que du nombre
d’électrons susceptibles de conduire le
courant. Autrement dit, cela ne dépend
que de la nature du métal. Dans l’eau
salée, ce sont les ions (positifs du
sodium, négatifs du chlore, issus de la
décomposition du sel) qui contribuent
au transport des charges électriques.
Dans ce cas, la conductivité va dépendre
de la salinité: plus l’eau est salée, plus
il y a d’ions et plus la conductivité sera
grande. Mais tous les corps ne sont
pas aussi conducteurs que le métal.
Certains sont isolants (ils ne véhiculent
pas le courant électrique) et d’autres
sont «entre les deux»: ce sont les semiconducteurs
comme on les a appelés
dès 1910.
Pendant longtemps, les physiciens les
ont ignorés, incapables d’expliquer les
phénomènes qui s’y déroulent. En fait,
les porteurs de charges électriques y
sont plus rares que dans les conducteurs
et surtout, leur quantité est variable,
dépendant de la température et de la
pureté du matériau. On sait que dans un
atome isolé, les électrons se répartissent
en niveaux d’énergie discrets. Dans un
cristal (ensemble d’atomes), comme il
y a des interactions entre atomes, ces
niveaux s’élargissent en bandes: il y a des
bandes permises et d’autres interdites.
Et les électrons se placent sur les
différentes bandes en commençant «par
le bas» (état de plus basse énergie vers
les plus hautes). On appelle bande de
valence celle où se situent les électrons
qui participent à la cohésion du cristal.
La bande suivante est appelée bande
de conduction. Les électrons qui s’y
trouvent - s’il y en a - sont des électrons
libres. Ils participent à la conduction
électrique.
Dans un isolant, tous les électrons
participent aux liaisons chimiques; il n’y
a donc pas d’électrons libres et pas de
conduction électrique. Dans les métaux,
bande de valence et de conduction se
touchent (elles se chevauchent même),
les électrons ne sont pas liés, ils peuvent
passer de la bande de valence à la bande
de conduction et circuler: le phénomène
de conduction est possible (la bande de
conduction se remplit partiellement).
Dans des semi-conducteurs comme le
germanium ou le silicium, la bande de
valence est également pleine et celle
de conduction vide. Mais il se passe
un phénomène particulier: lorsqu’on
chauffe ces cristaux (c’est-à-dire qu’on
fournit de l’énergie), un petit nombre
d’électrons (n) sont excités, quittent la
bande de valence, franchissent la bande
interdite (la distance séparant bande de
conduction et bande de valence, appelée