Chaque solide possède sa propre structure de bande d’énergie caractéristique. Cette variation de la structure de bande est responsable de la large gamme de caractéristiques électriques observées dans divers matériaux.Dans les semi-conducteurs et les isolants, les électrons sont confinés dans un certain nombre de bandes d’énergie, et interdits dans d’autres régions. Le terme « bande interdite » fait référence à la différence d’énergie entre le haut de la bande de valence et le bas de la bande de conduction. Les électrons sont capables de sauter d’une bande à l’autre. Cependant, pour qu’un électron puisse passer d’une bande de valence à une bande de conduction, il doit disposer d’une quantité minimale d’énergie spécifique pour la transition. L’énergie requise diffère selon les matériaux. Les électrons peuvent gagner suffisamment d’énergie pour sauter dans la bande de conduction en absorbant un phonon (chaleur) ou un photon (lumière).
Un semi-conducteur est un matériau avec une bande interdite de taille intermédiaire mais non nulle qui se comporte comme un isolant au zéro absolu mais permet l’excitation thermique des électrons dans sa bande de conduction à des températures inférieures à son point de fusion. À l’inverse, un matériau dont la bande interdite est importante est un isolant. Dans les conducteurs, les bandes de valence et de conduction peuvent se chevaucher, ils peuvent donc ne pas avoir de bande interdite.
La conductivité des semi-conducteurs intrinsèques dépend fortement de la bande interdite. Les seuls porteurs de charge disponibles pour la conduction sont les électrons qui ont suffisamment d’énergie thermique pour être excités à travers la bande interdite et les trous d’électrons qui sont abandonnés lorsqu’une telle excitation se produit.
L’ingénierie de la bande interdite est le processus de contrôle ou de modification de la bande interdite d’un matériau en contrôlant la composition de certains alliages de semi-conducteurs, tels que GaAlAs, InGaAs et InAlAs. Il est également possible de construire des matériaux en couches avec des compositions alternées par des techniques comme l’épitaxie par faisceau moléculaire. Ces méthodes sont exploitées dans la conception de transistors bipolaires à hétérojonction (HBT), de diodes laser et de cellules solaires.
La distinction entre semi-conducteurs et isolants est une question de convention. Une approche consiste à considérer les semi-conducteurs comme un type d’isolant avec une bande interdite étroite. Les isolants dont la bande interdite est plus large, généralement supérieure à 4 eV, ne sont pas considérés comme des semi-conducteurs et ne présentent généralement pas de comportement semi-conducteur dans des conditions pratiques. La mobilité des électrons joue également un rôle dans la détermination de la classification informelle d’un matériau.
L’énergie de la bande interdite des semi-conducteurs a tendance à diminuer avec l’augmentation de la température. Lorsque la température augmente, l’amplitude des vibrations atomiques augmente, ce qui entraîne un plus grand espacement interatomique. L’interaction entre les phonons du réseau et les électrons et trous libres affectera également la bande interdite dans une moindre mesure. La relation entre l’énergie de la bande interdite et la température peut être décrite par l’expression empirique de Varshni (du nom de Y. P. Varshni),
E g ( T ) = E g ( 0 ) – α T 2 T + β {\displaystyle E_{g}(T)=E_{g}(0)-{\frac {\alpha T^{2}}{T+\beta }}.
, où Eg(0), α et β sont des constantes matérielles.
Dans un cristal semi-conducteur régulier, la bande interdite est fixe en raison d’états d’énergie continus. Dans un cristal à points quantiques, la bande interdite dépend de la taille et peut être modifiée pour produire une gamme d’énergies entre la bande de valence et la bande de conduction. Il est également connu sous le nom d’effet de confinement quantique.
Les bandes interdites dépendent également de la pression. Les bandes interdites peuvent être directes ou indirectes, selon la structure de la bande électronique.
Bandes interdites directes et indirectesEdit
Sur la base des structures de bande, les matériaux ont soit une bande interdite directe, soit une bande interdite indirecte. Si le momentum de l’état d’énergie le plus bas de la bande de conduction et l’état d’énergie le plus élevé de la bande de valence d’un matériau sont les mêmes, le matériau a une bande interdite directe. S’ils ne sont pas identiques, le matériau présente une bande interdite indirecte. Pour les matériaux présentant une bande interdite directe, les électrons de valence peuvent être directement excités dans la bande de conduction par un photon dont l’énergie est supérieure à la bande interdite. En revanche, pour les matériaux à bande interdite indirecte, un photon et un phonon doivent tous deux être impliqués dans une transition de la bande de valence supérieure à la bande de conduction inférieure. Par conséquent, les matériaux à bande interdite directe ont tendance à avoir des propriétés d’émission et d’absorption de la lumière plus fortes. Toutes choses égales par ailleurs, les matériaux à bande interdite directe ont tendance à être meilleurs pour les photovoltaïques (PV), les diodes électroluminescentes (DEL) et les diodes laser ; cependant, les matériaux à bande interdite indirecte sont fréquemment utilisés dans les PV et les DEL lorsque les matériaux ont d’autres propriétés favorables.
Diodes électroluminescentes et diodes laserModifier
Les diodes électroluminescentes et les diodes laser émettent généralement des photons dont l’énergie est proche et légèrement supérieure à la bande interdite du matériau semi-conducteur à partir duquel elles sont fabriquées. Par conséquent, à mesure que l’énergie de la bande interdite augmente, la couleur de la DEL ou du laser passe de l’infrarouge au rouge, en passant par l’arc-en-ciel, au violet, puis à l’UV.
Cellules photovoltaïquesModifié
La bande interdite optique (voir ci-dessous) détermine quelle partie du spectre solaire une cellule photovoltaïque absorbe. Un semi-conducteur n’absorbe pas les photons d’une énergie inférieure à la bande interdite ; et l’énergie de la paire électron-trou produite par un photon est égale à l’énergie de la bande interdite. Un convertisseur solaire luminescent utilise un milieu luminescent pour convertir vers le bas les photons dont l’énergie est supérieure à la bande interdite en énergies de photons plus proches de la bande interdite du semi-conducteur composant la cellule solaire.
Liste des bandes interditesEdit
Vous trouverez ci-dessous les valeurs des bandes interdites pour certains matériaux sélectionnés. Pour une liste complète des bandes interdites des semi-conducteurs, voir Liste des matériaux semi-conducteurs.