Les semi-conducteurs sont des matériaux qui ont une conductivité électrique intermédiaire. Cela signifie qu'ils peuvent agir comme un isolant, empêchant le passage du courant électrique, ou comme un conducteur, permettant aux électrons de passer. Importants pour la technologie moderne, les semi-conducteurs sont utilisés dans la fabrication de toutes sortes de composants électroniques, y compris les diodes, les transistors et les circuits intégrés. La raison de leur large application est leur sécurité, leur efficacité énergétique, leur faible coût et leur compacité. Cependant, leur forte demande peut causer des dommages à l'environnement. Les éléments les plus couramment utilisés comme semi-conducteurs sont le silicium (Si) et le germanium (Ge), qui possèdent tous deux quatre électrons dans leur couche de valence. Le premier est le plus répandu parce qu'il possède les meilleures propriétés électriques et qu'il est le deuxième élément le plus abondant dans la croûte terrestre. Il existe cependant d'autres types de semi-conducteurs, comme le carbone. Comment fonctionnent les semi-conducteurs ? Les semi-conducteurs sont des matériaux qui augmentent leur conductivité électrique en augmentant la température ou en les dopant. Ils peuvent être classés en deux types : intrinsèques et extrinsèques. Semiconducteurs intrinsèques Ils sont constitués de matériaux purs, c'est-à-dire d'une structure cristalline composée d'un seul élément qui possède quatre électrons dans la couche de valence. Ainsi, les atomes partagent leurs électrons dans la couche de valence (bande de valence) au moyen de quatre liaisons covalentes. Comme ils sont purs, tous leurs électrons de la bande de valence sont liés les uns aux autres, ce qui nécessite une certaine quantité d'énergie, telle qu'une augmentation de la température, pour les faire passer dans la bande de conduction. La bande de conduction, quant à elle, désigne une région vide où les électrons peuvent se déplacer librement dans le matériau, transportant un courant électrique.
Semi-conducteurs extrinsèques
Lorsqu'un semi-conducteur intrinsèque subit le processus de dopage, il devient extrinsèque. Ce processus consiste à ajouter d'autres éléments (impuretés) au cristal. Cela augmente la conductivité électrique du matériau, ce qui permet au courant électrique de passer à travers le matériau sans qu'il soit nécessaire d'augmenter la température. À l'issue de ce processus, deux types de semi-conducteurs extrinsèques peuvent être obtenus :
- Le type N : il est obtenu en ajoutant au cristal un élément qui possède cinq électrons dans la couche de valence (pentavalent). Il reste alors un électron libre, c'est-à-dire non lié à un autre. Il peut alors passer dans la bande de conduction. C'est pourquoi la conductivité augmente avec l'ajout d'un électron chargé négativement.
- Type P : obtenu en dopant le cristal avec un élément possédant trois électrons dans la couche de valence (trivalent). Il en résulte un trou chargé positivement dans l'une des quatre liaisons atomiques du matériau semi-conducteur. De ce fait, un flux d'électrons peut se produire dans ce trou créé, favorisant le passage d'un courant.
À quoi servent les semi-conducteurs ?
En général, ils peuvent être utilisés comme diodes, transistors et circuits intégrés. Voici les principaux produits fabriqués à partir de semi-conducteurs.
Les puces sont les principaux produits fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs. Elles sont constituées de fines tranches de silicium sur lesquelles sont placés des composants complexes selon des motifs spécifiques qui forment des "dessins". Ces motifs servent à contrôler les flux de courant électrique au moyen de transistors, également appelés interrupteurs. Il existe différents types de puces. En général, elles ont pour fonction de traiter, de stocker et de recevoir des informations. Elles peuvent ainsi avoir diverses applications, telles que le stockage de logiciels et de données en code binaire. Elles présentent l'avantage de ne pas nécessiter d'autres composants mécaniques pour inverser le courant. De plus, une puce correspond à des milliards d'interrupteurs sur une petite surface. C'est dire leur efficacité et leur compacité, qui permet, par exemple, aux téléphones portables modernes d'avoir plusieurs fonctions dans un seul appareil.
Panneaux photovoltaïques
Les panneaux photovoltaïques, utilisés dans le domaine de l'énergie solaire, sont constitués de cellules en silicium. Les semi-conducteurs fonctionnent comme des diodes, transformant le courant alternatif (CA) en courant continu (CC). Dans le cas des panneaux solaires, il sert à convertir le rayonnement solaire en électricité.
Une ampoule LED
Une LED est un dispositif semi-conducteur qui génère de la lumière par un processus appelé électroluminescence. Lorsque vous faites passer un courant électrique à travers un matériau semi-conducteur, celui-ci émet de la lumière visible. En tant que telle, une LED se comporte à l'inverse d'une cellule photovoltaïque.
Quel est le pays qui produit le plus de semi-conducteurs ?
En raison des avantages que les semi-conducteurs offrent aux technologies modernes, leur fabrication s'est largement répandue. La Chine est en tête du classement mondial des principaux pays producteurs de silicium et des plus grandes entreprises de semi-conducteurs au monde. Le Brésil, quant à lui, est le troisième producteur de silicium. Cela s'explique par le fait que le pays contient les plus grandes réserves mondiales de quartz, le minéral le plus couramment utilisé pour fabriquer du silicium.
Les impacts environnementaux des semi-conducteurs
Bien qu'une partie des semi-conducteurs fabriqués soit utilisée pour produire de l'énergie renouvelable, ils peuvent avoir un impact majeur sur l'environnement. L'industrie des puces semi-conductrices connaît une forte demande, ce qui augmente son empreinte carbone. Le processus de production de ces puces nécessite d'énormes quantités d'énergie et d'eau, et libère des déchets dangereux. La plus grande usine de semi-conducteurs du monde, située à Taïwan, consomme près de 5 % de l'électricité du pays. En outre, l'extraction du silicium dans le sable peut causer des dommages à l'environnement. Elle intensifie l'érosion, nuit aux formes de vie environnantes, qu'elles soient aquatiques ou terrestres, et rend certaines régions plus vulnérables aux inondations.
