Physique des semi-conducteurs

La découverte des semi-conducteurs est l'une des grandes percées scientifiques et technologiques du XXè siècle. Elle a induit une mutation majeure de notre économie, peut-être de notre civilisation. Le silicium, par exemple, joue et jouera dans notre vie et la seconde moitié du siècle un rôle aussi important que le charbon au XIXe siècle. Ce sont en effet toute l'informatique et le traitement moderne de l'information, après coup, qui découlent des propriétés des semi-conducteurs. Même s'il n'est pas certain que ces développements contribuent aussi efficacement au progrès de la communication entre les êtres, on ne peut pas ne pas être frappé par le contraste entre notre monde et un monde où il n'y aurait ni transistors ni informatique, ni fusées, ni traitement d'images médicales, ni régulateurs cardiaques. On peut remarquer que ce développement est construit sur la confluence des deux concepts. L'un nouveau : la "miniaturisation" , l'autre ancien l' "imprimerie" qui nous renvoie au XVe siècle. "Miniaturisation" : si on souhaite faire traiter une information par une machine on a de toute évidence intérêt à utiliser une machine dont les "organes mobiles" sont les plus petits possibles : des électrons. Ici la clef remonte à l'invention du transistor dans la fin des années 40, invention qui mettait en oeuvre pour la première fois la physique des semi-conducteurs. "Imprimerie" : la fabrication d'une telle machine, difficile à cause de sa taille réduite, empêchait sa multiplication à très grande échelle jusqu'à l'introduction au début des années 60 de la géométrie planaire qui a rendu possible l'application des techniques de photo-gravure. C'est le deuxième stade essentiel. Au lieu de relier les éléments d'un calculateur fabriqués un à un comme les lettres avant Gutenberg on peut fabriquer directement, par des procédés qui s'apparentent à des procédés d'imprimerie, une machine entière telle qu'un microprocesseur. La reproduction à très bon marché de ces machines a commencé d'induire une mutation industrielle et culturelle qui prend sa source, et ses limites, dans la physique des semi-conducteurs. Pourquoi aborder la physique des semi-conducteurs dans les cours de l'Ecole polytechnique ? La raison directe est que cette physique illustre et applique la plupart des concepts fondamentaux de la mécanique quantique et de la mécanique statistique, que les élèves ont abordés dans leurs premiers cours de Physique à l'Ecole. Nous espérons montrer qu'il est possible de les utiliser simplement et ceci jusqu'aux besoins directs de l'Ingénieur. Dans ce but un certain nombre de dispositifs seront décrits, dont le fonctionnement repose sur cette physique. Sous la forme où il est présenté ce cours est constitué d'une charpente complétée par des appendices qui peuvent avoir deux fonctions : soit ils apportent des justifications plus détaillées, soit ils développent ou illustrent des applications directes du contenu des chapitres. On peut ainsi utiliser ce cours d'une manière légère ou d'une manière plus approfondie. Sous sa forme légère il est au niveau du second cycle de l'Ecole, sous sa forme développée il est au niveau du 3e cycle de nos universités. Le contenu de cet ouvrage dépasse donc largement ce qui est enseigné actuellement à l'Ecole polytechnique. Ceci rejoint la tradition de fait des cours de l'Ecole dont le but est de fournir à l'Ingénieur de demain, pendant toute une partie de sa carrière, des bases scientifiques utilisables. Cet ouvrage est le développement du cours de Physique des Matériaux d'Yves Quéré aux matériaux particuliers que sont les semi-conducteurs. Pour permettre une lecture indépendante du présent ouvrage, nous rappelons, dans les chapitres I et II, les notions, déjà introduites dans le cours de Physique des Matériaux, qui sont indispensables à notre propos. SOMMAIRE Chapitre I : QUELQUES IDEES SIMPLES SUR LES SEMI-CONDUCTEURS. Chapitre II : ETATS QUANTIQUES DU SEMI-CONDUCTEUR PARFAIT. Chapitre III : ETATS EXCITES DU SEMI-CONDUCTEUR PUR ET ETATS QUANTIQUES DU SEMI-CONDUCTEUR IMPUR. Chapitre IV : STATISTIQUES DES SEMI-CONDUCTEURS HOMOGENES. Chapitre V : PHENOMENES DE TRANSPORT. DANS LES SEMI-CONDUCTEURS. Chapitre VI : EFFETS DE LA LUMIERE. Chapitre VII : INJECTION DE PORTEURS PAR LA LUMIERE. Chapitre VIII : LA JONCTION P-N. Chapitre IX : APPLICATIONS DE LA JONCTION P-N ET DISPOSITIFS DISSYMETRIQUES. Chapitre X : NOTIONS SUR QUELQUES DISPOSITIFS DE L'ELECTRONIQUE. Bibliographie. Index