Aujourd’hui, nous allons nous intéresser à une révolution dans le monde des semi-conducteurs ! Un matériau qui pourrait bien remplacer le silicium, tout en étant plus performants !
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00:00 Hello tout le monde et bienvenue sur la chaîne Datech. Aujourd'hui nous allons nous intéresser
00:11 à une révolution dans le monde des semi-conducteurs. Un matériau qui pourrait bien remplacer le
00:17 silicium tout en étant plus performant.
00:20 Le monde des semi-conducteurs s'est fait connaître récemment lors d'une pénurie
00:27 qui a ralenti de nombreuses industries. Des appareils mobiles, aux voitures électriques,
00:32 les semi-conducteurs ont montré leur importance et leur place de choix pour le bon fonctionnement
00:37 de la quasi-totalité de nos appareils électriques et électroniques. En cause, les semi-conducteurs
00:43 sont actuellement exclusivement construits avec un matériau, le silicium. Pourtant c'est
00:49 un matériau qui est loin d'être idéal pour cet usage. Pour s'émanciper de cette
00:54 dépendance, les scientifiques cherchent des alternatives. Et parmi elles, une équipe
00:59 du MIT a annoncé avoir trouvé un matériau qui pourrait révolutionner cette industrie.
01:03 Il est déjà connu pour sa conductivité thermique élevée et il présente des propriétés
01:08 électroniques qui pourraient faire de lui le meilleur semi-conducteur existant. Selon
01:13 toute vraisemblance, ses performances actuelles dépassent largement le silicium. Mais d'abord
01:19 comprenons ce qu'est le silicium, ses avantages et les problèmes qu'il pose.
01:23 Le silicium est le semi-conducteur le plus utilisé en raison de sa grande disponibilité
01:29 et de son coût de fabrication faible. Et sous sa forme pure, ce matériau est devenu
01:34 le fondement d'une grande partie de la technologie moderne, des cellules solaires aux puces informatiques.
01:39 Mais les propriétés du silicium en tant que semi-conducteur ne sont pas optimales.
01:44 Comparé au métaux, un semi-conducteur comme le silicium est, à température ambiante,
01:49 un mauvais conducteur de l'électricité. Lorsqu'il est exposé à de basses températures,
01:54 il se comporte comme un isolant et il devient un bon conducteur électrique lorsque la température
01:59 est élevée. Et pour cause, bien que le silicium laisse les électrons circuler librement,
02:05 il est beaucoup moins accommodant pour les électrons chargés positivement. Néanmoins,
02:09 un échange égal et performant des différents types d'électrons est nécessaire pour
02:14 certains types de puces. Il faut donc le booster et l'optimiser pour arriver à un résultat
02:19 acceptable. Il existe une méthode pour que le silicium devienne un bon conducteur électrique
02:24 à température ambiante, le dopage. Il s'agit d'ajouter au silicium des matériaux comme
02:29 du phosphore ou de l'aluminium. L'ajout de phosphore apporte des électrons supplémentaires
02:34 au silicium qui devient du silicium de type N négatif. L'ajout d'aluminium provoque
02:40 la perte d'électrons amenant des charges positives sur le silicium qui devient du silicium
02:44 de type P. Le silicium dopé de type N ou de type P devient un très bon conducteur
02:50 de l'électricité. Ce silicium est utilisé pour permettre la circulation des électrons.
02:56 Pour se faire des semi-conducteurs au silicium sont placés les uns à côté des autres
03:00 de manière alternée suivant le motif. Silicium de type P à côté de silicium de type N.
03:06 Ce schéma constitue une diode et permet la circulation des électrons dans le sens de
03:12 la zone P vers la zone N. Les électrons en excès du silicium N viennent se positionner
03:17 dans les trous laissés par la perte des électrons lors du dopage à l'aluminium. Le silicium
03:23 dopé n'est pourtant pas le semi-conducteur idéal car il peut lui arriver de laisser
03:27 s'échapper des électrons et il surchauffe, ce qui nécessite des systèmes de refroidissement.
03:32 Ce qui explique pourquoi les problèmes de surchauffe et les systèmes de refroidissement
03:37 coûteux sont courants dans les ordinateurs. Si vous souhaitez mieux comprendre ce sujet
03:41 vous trouverez de nombreux articles, tutos et schémas en ligne. Cependant, il est aujourd'hui
03:47 primordial de se protéger sur internet. Pour ce faire, il est recommandé d'utiliser
03:51 un VPN. Un VPN utilise des serveurs répartis un peu partout à travers le monde et afin
03:57 de crypter vos données et masquer votre adresse IP. Vous pourrez profiter d'une connexion
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04:22 mois et 4 mois gratuits. Revenons au sujet du jour. Dans la recherche pour pallier la
04:28 pénurie, les chercheurs s'intéressent à de nouveaux matériaux. Ainsi, le 21 juillet
04:33 2022, le post-doctorant du MIT Jiang Wuxin et le professeur de génie mécanique du MIT
04:38 Zhang Shen ont trouvé une autre utilisation à l'arcéniure de bords cubiques. En effet,
04:43 l'arcéniure de bords cubiques offre une grande mobilité des porteurs d'électrons
04:47 et de trous. La façon dont les charges sont transportées dans un matériau semi-conducteur
04:53 suggère une avancée majeure pour l'électronique de prochaine génération. Ce n'est pas la
04:57 première fois que des chercheurs s'intéressent à ce matériau. Précédemment, des scientifiques
05:01 ont découvert que l'arcéniure de bords cubiques possède une conductivité thermique
05:05 10 fois supérieure à celle du silicium. Grâce à cette propriété, il évacue beaucoup
05:10 plus rapidement la chaleur et ne la cumule pas. Des recherches antérieures comprenaient
05:14 les travaux de David Brodeau, qui prédisaient théoriquement que le matériau aurait une
05:20 conductivité thermique élevée. Cela a pu être vérifié en expérimentation. Ce dernier
05:26 travail complète l'analyse en confirmant expérimentalement les prédictions faites
05:30 par le groupe de Chen en 2018. L'arcéniure de bords cubiques aura également des mobilités
05:35 d'électrons et de trous très élevés. Ainsi, l'arcéniure de bords cubiques s'avère
05:39 en effet un excellent conducteur de l'électricité. Les électrons s'y propagent avec beaucoup
05:44 moins de résistance que dans le silicium. Les chercheurs du MIT ont pu valider expérimentalement
05:50 l'usage de ce matériau à cette fin, et ainsi élargir son utilisation potentielle
05:54 à des applications commerciales, comme remplacer les puces de certains smartphones ou ordinateurs.
05:59 De nombreux scientifiques et chercheurs de tous les États-Unis, notamment de l'Université
06:04 de Houston, du Massachusetts Institute of Technology, de l'Université du Texas à
06:09 Austin et du Boston College, sont impliqués dans cette découverte, ayant permis la validation
06:14 de l'arcéniure de bords cubiques comme semi-conducteur. Outre ses applications commerciales, ce matériau
06:20 pourra également être utilisé en science. Et ce, afin de décrire l'utilisation de
06:25 la microscopie de réflectivité transitoire. Ces travaux ont des implications importantes
06:30 pour toute une série d'applications électroniques et optiques. Semblable au progrès qui ont
06:35 suivi l'avènement des plaquettes de silicium, ce semi-conducteur sera largement utilisé
06:40 dans toutes sortes d'appareils électroniques. L'arcéniure de bords cubiques va-t-il remplacer
06:45 le silicium comme semi-conducteur dans nos appareils électroniques ? Cela est fort
06:49 à parier, mais pas pour tout de suite. L'arcéniure de bords cubiques semble donc pouvoir remplacer
06:54 le silicium comme nouveau matériau semi-conducteur, théoriquement du moins. En effet, les chercheurs
06:59 ont obtenu leurs résultats expérimentaux en travaillant avec des lasers très complexes
07:03 et de très petites quantités de matériaux. Il faut maintenant trouver des solutions pour
07:08 pouvoir réaliser une production qui pourrait permettre de mener d'autres tests.
07:11 Jusqu'à présent, l'arcéniure de bords cubiques n'a été fabriquée et testée
07:15 qu'en petits lots à l'échelle du laboratoire, et ces lots ne sont pas uniformes. Des travaux
07:20 supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si l'arcéniure de bords cubiques peut être
07:24 fabriquée sous une forme pratique et économique, sans parler de remplacer le silicium omniprésent.
07:29 Alors que les propriétés thermiques et électriques se sont avérées excellentes, de nombreuses
07:35 autres propriétés d'un matériau doivent encore être testées, telles que sa stabilité
07:40 à long terme. En ce qui concerne une utilisation commerciale de l'arcéniure de bords cubiques
07:44 en tant qu'alternative au silicium, il faudra encore plusieurs années de mise au point.
07:48 Et pour cause, dans la perspective d'une utilisation commerciale, il faut trouver
07:53 des réponses pour produire et purifier l'arcéniure de bords cubiques aussi efficacement que le
07:58 silicium. Il faut savoir que la pureté du silicium est de 99,99%. Il reste à voir si
08:05 le financement nécessaire à un tel développement sera mobilisé pour cette recherche.
08:10 Côté fabrication, la synthèse de l'arcéniure de bords cubiques se fait par réaction directe
08:15 entre le bord et l'arsenic. Cette réaction chimique est cependant relativement complexe
08:20 car le mélange réactionnel doit atteindre la température de 1200°C sous une pression
08:25 élevée. De plus, la synthèse de cristaux suffisamment gros et d'une grande pureté
08:30 est un autre challenge auquel les scientifiques vont devoir réfléchir. Depuis la fin de
08:35 l'année 2020, l'industrie doit faire face à une pénurie de composants électroniques
08:39 et de matériaux semi-conducteurs tels que le silicium. Cette pénurie est le résultat
08:44 malheureux de toute une série de facteurs. On peut citer la crise sanitaire liée à
08:48 la Covid-19, la sécheresse qui perdure dans les pays où sont fabriqués les semi-conducteurs
08:53 alors que le secteur est un gros consommateur d'eau et l'augmentation des ventes de véhicules
08:58 électriques. Autant de facteurs qui laissent penser que cette situation pourrait être
09:01 amenée à se reproduire dans les années à venir. En effet, la crise climatique accentue
09:06 les épisodes de sécheresse et la demande mondiale en termes de véhicules électriques
09:10 n'a jamais été aussi haute et devrait croître considérablement dans les années
09:13 à venir. Même si cette pénurie s'est résorbée, la perspective d'un nouveau
09:18 matériau semi-conducteur avec de telles propriétés peut permettre de voir l'avenir de l'électronique
09:24 et des technologies avec optimisme. Encore faut-il que les industries veuillent bien
09:28 apporter les financements nécessaires.
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