10.1 : Bases des semi-conducteurs

Les atomes isolés ont des niveaux d'énergie discrets bien décrits par le modèle de Bohr. Et il quantifie l’énergie d’un électron dans un atome d’hydrogène comme E_n. Des nombres quantiques plus élevés « n » donnent des niveaux d’énergie électronique moins négatifs et plus proches.

Formation du groupe:

Lorsque les atomes sont rapprochés, comme dans un solide, ces niveaux d’énergie discrets commencent à se diviser en raison du chevauchement des orbitales électroniques des atomes adjacents. Cette scission se produit en raison du principe d’exclusion de Pauli, qui stipule que deux électrons ne peuvent pas occuper simultanément le même état quantique. À mesure que davantage d’atomes sont combinés, le nombre de niveaux d’énergie discrets augmente et la division devient si fine qu’elle forme une bande d’énergie continue. À un certain point, connu sous le nom de distance interatomique d’équilibre, ces bandes deviennent la bande de valence, remplie d’électrons, et la bande de conduction, qui est vide au zéro absolu de température.

Bandes d'énergie dans les semi-conducteurs:

La structure des bandes d’énergie est plus complexe dans les semi-conducteurs comme le silicium, qui possède 14 électrons. Les 10 électrons internes occupent les niveaux d’énergie les plus profonds et ne contribuent pas à la liaison. Les quatre électrons de valence restants, situés dans les sous-couches 3s et 3p, déterminent les propriétés chimiques et électriques du matériau. Lorsque les atomes de silicium forment un réseau cristallin, les sous-couches 3s et 3p se chevauchent et forment des bandes. A la distance d'équilibre dans le cristal, ces bandes contiennent 4N états pour la bande de valence et 4N états pour la bande de conduction, où N est le nombre d'atomes de silicium.

La taille de la bande interdite est cruciale car elle détermine la facilité avec laquelle les électrons peuvent être excités dans la bande de conduction. Cette bande interdite est suffisamment petite pour les semi-conducteurs pour que l'énergie thermique ou la lumière puisse exciter les électrons à travers l'espace, entraînant une conduction électrique.