Semi-conducteurs et capteurs, l’autre moteur discret de la microélectronique

Un extrait de « Capteurs à semi-conducteurs », par Alfred PERMUY, Eric DONZIER, Fadhel REZGUI

Au niveau le plus général, un capteur à semi-conducteur est construit autour d’un élément sensible dont les propriétés électriques varient sous l’effet d’une grandeur d’entrée. La chaîne de mesure consiste ensuite à conditionner, amplifier et interpréter cette variation pour obtenir une information stable et calibrée. Toute la difficulté est de concilier sensibilité, reproductibilité, tenue en température, bruit, vieillissement et compatibilité de fabrication.

Piézorésistance, effet Hall, optique, chimie, les grandes voies de transduction

Pour les capteurs à semi-conducteurs en silicium, l’un des effets physiques les plus exploités est la piézorésistance, c’est-à-dire la variation de résistivité sous contrainte mécanique. Dans le silicium, l’effet peut être très marqué et dépend fortement de l’orientation cristalline, du type de dopage et de la température. Cette anisotropie est un atout, car elle permet d’optimiser la sensibilité en choisissant le bon alignement des jauges dans le cristal.

Concrètement, des résistances implantées ou diffusées dans une membrane de silicium forment souvent un pont de mesure. Lorsque la membrane se déforme sous une pression ou une accélération, les résistances évoluent et créent un signal différentiel. Cette logique est au fondement de nombreux capteurs MEMS de pression, d’accélération ou de force, intégrés ensuite avec l’électronique de lecture.

Cette approche met immédiatement en évidence les contraintes de l’ingénierie capteur. La réponse est sensible à la température, non seulement parce que la résistivité du silicium varie, mais aussi parce que la contrainte mécanique dépend des dilatations et de l’assemblage. Les décalages de zéro, les dérives et les dispersions de fabrication imposent donc des stratégies de compensation, par conception mécanique, par choix de dopage, par calibration ou par correction électronique.

Pour mesurer un champ magnétique, les semi-conducteurs exploitent notamment l’effet Hall et la magnétorésistance. L’effet Hall repose sur la force de Lorentz qui dévie les porteurs lorsqu’un courant circule dans un matériau soumis à un champ magnétique. Il en résulte une tension transverse proportionnelle au champ. Ici, la mobilité des porteurs est un paramètre clé, car elle influence la sensibilité et la robustesse vis-à-vis de certains défauts géométriques. C’est l’une des raisons pour lesquelles, selon les exigences, on peut préférer au silicium des matériaux à plus forte mobilité, notamment parmi les semi-conducteurs III-V.

La magnétorésistance, de son côté, repose sur une variation de résistance en présence d’un champ, avec des déclinaisons qui vont du comportement classique à des effets beaucoup plus prononcés dans des empilements ou matériaux dédiés.

En optoélectronique, les semi-conducteurs sont des convertisseurs lumière-électricité particulièrement efficaces. Dès que l’énergie des photons dépasse l’énergie de gap, des paires électron-trou sont créées. Selon la structure, ces charges sont séparées et collectées, produisant un courant ou une tension. La photodiode, polarisée en inverse, illustre bien ce principe et offre un compromis très intéressant entre sensibilité, linéarité et vitesse. La rapidité dépend des capacités internes, des temps de transit et de la recombinaison, ce qui explique pourquoi la conception de la jonction, la géométrie et les matériaux sont déterminants. À l’échelle des systèmes, ces détecteurs s’intègrent dans des chaînes qui vont du simple photorécepteur jusqu’aux capteurs d’image.

Dans les capteurs d’imagerie, l’héritage MOS est central. Le principe consiste à convertir des photons en charges, puis à stocker et transférer ces charges de manière contrôlée. Historiquement, le CCD a matérialisé cette approche par un transfert séquentiel, tandis que les capteurs CMOS modernes ont poussé plus loin l’intégration en associant directement, au niveau du pixel, une partie de l’électronique de lecture. Dans les deux cas, la maîtrise des interfaces, des capacités parasites, du bruit, de l’uniformité et des courants d’obscurité est un enjeu aussi important que la conversion optique elle-même.

Les capteurs chimiques à semi-conducteurs introduisent une autre idée forte, celle de la surface comme zone active. Dans les oxydes semi-conducteurs, l’adsorption de molécules et les réactions de surface modifient la densité de porteurs près de l’interface, ce qui se traduit par une variation de conductivité. Le signe et l’amplitude de la réponse dépendent du type de conduction, n ou p, ainsi que de la microstructure, de la température et de l’environnement. Les structures MOS peuvent aussi jouer un rôle de capteur, en particulier lorsque la grille est réalisée dans un matériau catalytique. Des métaux comme le palladium, par exemple, peuvent interagir avec l’hydrogène et provoquer des variations mesurables de caractéristiques électriques. Ces dispositifs sont puissants, mais ils posent des défis de stabilité, car la surface peut se dégrader, s’empoisonner ou évoluer de manière irréversible, ce qui impose des stratégies de régénération, de protection ou de recalibration.

Intégration et miniaturisation, quand le capteur devient un système sur puce

Le fil rouge de ces technologies est l’intégration. Les semi-conducteurs permettent une fabrication collective, reproductible, avec des gains de coût et de performance quand les volumes augmentent. Ils facilitent aussi l’embarquement du conditionnement analogique, de la conversion numérique et même d’une partie du traitement, ce qui mène à des capteurs dits intelligents, capables de compenser, filtrer et diagnostiquer leur propre état. La miniaturisation n’est pas une promesse automatique de meilleure métrologie, car elle peut amplifier le bruit relatif, les effets de surface et les dispersions. Elle ouvre néanmoins des perspectives, notamment lorsque de nouveaux régimes physiques ou de nouvelles architectures deviennent accessibles.