A.U : 2020/2021
Rappel sur la structure de la matière
L’atome est composé d’un noyau centrale autour du quel gravitent des électrons.
Le noyau est composé de deux types de particules : les protons et les neutrons.
Protons chargés positivement (e+)
Electrons chargés négativement (e-)
électrons
de valence
Noyau
Nombre d’électrons dans chaque couche
Couche de valence
ou périphérique
(CP)
+32
Couches
saturées
Rappel sur la structure de la matière
Les atomes stables ont une couche périphérique de 8 e- (gaz rare)
Les autres atomes tendent à se trouver dans un état stable :
1. Soit en captant des e- si la CP contient plus de 4 e- (atomes électronégatifs ou
métalloïdes)
2. Soit en donnant des e- si la CP contient moins de 4 e- (atomes électropositifs
ou métaux)
3. Soit en mettant les e- de la CP en commun avec ceux d’autres atomes : liaison
covalente
4. Les atomes qui ont des CP de 4 e- ont une faible tendance de les perdre ou de
capter d’autres e- :
C’est le cas des Semi conducteur {Silicium (Si), Germanium (Ge)}
Rappel sur la structure de la matière
Par leurs propriétés électriques, les matériaux peuvent être classés en trois
groupes: les conducteurs, les semi-conducteurs et les isolants.
1- Conducteurs
Un conducteur est un matériau qui conduit aisément le courant
électrique. Les meilleurs conducteurs sont des matériaux constitués d’un seul
élément comme le cuivre, l’argent, l’or et l’aluminium, ces éléments étant
caractérisés par un seul électron de valence faiblement lié à l’atome.
électrons de valence peuvent facilement se détacher de leur atomes
Ces
Rappel sur la structure de la matière
2- Isolants
Un isolant est un matériau qui ne conduit pas le courant électrique sous
des conditions normales. La plupart des bons isolants sont des matériaux
composés de plusieurs éléments, contrairement aux conducteurs. Les électrons
de valence sont solidement rattachés aux atomes, laissant très peu d’électrons
libres de se déplacer dans un isolant.
3- Semi-conducteurs
Un semi-conducteur est un matériau se situant entre le conducteur et
l’isolant. Un semi-conducteur à l’état pur (intrinsèque ) n’est pas un bon
conducteur ni un bon isolant. Les éléments uniques les plus utilisés pour les
semi-conducteurs sont le Silicium, le Germanium et le carbone.
Des éléments composés tels l’Arséniure de gallium sont aussi couramment pour
les semi-conducteurs. Les semi-conducteurs à élément unique se caractérisent
par des atomes à quatre électrons de valence
Bandes d’énergie
La couche de valence d’un atome représente une bande
d’un certain niveau énergétique et que les électrons de valence sont
confinés à cette bande. Lorsqu’un électron acquiert assez d’énergie
additionnelle d’une source externe, il peut quitter la couche de
valence, devenir un électron libre et exister dans ce que l’on
désigne comme étant la bande de conduction.
Bandes d’énergie
En terme d’énergie, la différence entre la bande de valence et la bande de
conduction est appelée un écart énergétique.
Les figures suivantes montrent les diagrammes d’énergie pour un isolant, un
semi-conducteur et un conducteur.
Bande de conduction
Energie
Ecart énergétique
Un vaste écart énergétique entre les bandes.
Les électrons de valence ne peuvent sauter
vers la bande de conduction.
Isolant
Bande de valence
0
Fig.1
Bandes d’énergie
Un semi-conducteur possède un écart énergétique plus restreint,
permettant à quelques électrons de sauter vers la bande de conduction et devenir
des électrons libres (figure.2).
Energie
Bande de conduction
Semi-conducteur
Ecart énergétique
Fig.2
Bande de valence
0
Bandes d’énergie
Les bandes énergétiques se chevauchent dans un conducteur.
Dans un matériau conducteur, il existe toujours un grand nombre d’électrons libres
figure.3).
Energie
Conducteur
Bande de conduction
Bande de valence
0
Fig.3
Chevauchement
Conduction des semi-conducteurs
Electrons de conduction et trous
Un cristal de silicium intrinsèque (pur ) à la température ambiante tire de l’énergie
thermique de l’air environnant. Quelques électrons de valence absorbent alors
l’énergie suffisante pour traverser l’écart entre la bande de valence et la bande de
conduction, devenant ainsi des électrons libres de dévier, non liés à un courant
atome. Les électrons libres sont aussi appelés électrons de conduction.
situation est illustrée dans le diagramme énergétique de la figure 4.
Cette
Conduction des semi-conducteurs
Energie
Electron libre
Bande de conduction
Bande de valence
Fig.4
Paire électron -trou
Trou
0
Création d’une paire électron-trou dans un atome
excité de silicium .Un électron dans la bande de
conduction est un électron libre.
Conduction des semi-conducteurs
semi-conducteurs pur
Grâce à l'organisation cristalline, chaque atome est entouré de quatre
atomes voisins qui vont combiner ensemble leurs électrons de valence de
fait que chaque atome se trouve entourer de huit électrons périphériques. Ce
qui donne la propriété d'un isolant parfait:
A TRES BASSE TEMPERATURE, AU VOISINAGE DU ZERO ABSOLU (0 KELVIN) LE
SILICIUM PUR EST UN ISOLANT PARFAIT
.
Conduction des semi-conducteurs
Courant d’électron et courant de trou
Lorsqu’on applique une tension à travers une pièce de silicium, les
électrons libérés par énergie thermique dans la bande de conduction , libres de
mouvoir aléatoirement dans la structure du cristal, sont alors facilement attirés
vers la borne positive. Ce mouvement d’électrons libres est un type de courant
dans un matériau semi-conducteur et on l’appelle courant d’électron.
Un autre type de courant se produit au niveau de valence, où subsistent
les trous créés par les électrons libres. Les électrons situés dans la bande de
valence sont toujours liés à leurs atomes et ne sont pas libres de se mouvoir au
hasard dans la structure du cristal. Cependant, un électron de valence peut se
déplacer dans un trou à proximité avec un peu de changement à son niveau
énergétique, laissant lui-même un autre trou. En réalité, le trou s’est déplacé,
quoique non physiquement, d’un endroit à un autre dans la structure du cristal..
Ce courant est appelé courant de trou.
Conduction des semi-conducteurs
Semi – Conducteur intrinsèque
Un semi-conducteur intrinsèque est un SC pur qui ne possède aucun atome
étranger.
Semi – Conducteur extrinsèque
Afin d'améliorer la conduction d'un semi-conducteur, les fabricants
injectent dans une plaquette semi-conductrice des matériaux étrangers, ou
impuretés, qui possèdent un nombre d'électrons périphériques juste
inférieur ou juste supérieur aux 4 électrons du semi-conducteur.
Un semi-conducteur extrinsèque est un SC
dopé
Conduction des semi-conducteurs
Le matériaux semi-conducteur actuellement le plus utilisé est bien sûr le
SILICIUM
Conduction des semi-conducteurs
Semi-conducteurs de type N et de type P
Dopage : Les conductibilités du silicium et du germanium peuvent être
augmentées de façon drastique ( sévère) et contrôlées par l’addition d’impuretés
dans le semi-conducteur intrinsèque ( pur ). Ce procédé, appelé dopage,
augmente le nombre de porteurs de courant ( électrons et trous ). Les catégories
d’impuretés sont de type N et de type P.
1- Semi-conducteurs de type N
Pour augmenter le nombre d’électrons de la bande de conduction dans un
silicium intrinsèque, on ajoute des atomes d’impureté pentavalents. Ce sont des atomes
avec cinq électrons de valence, tels l’arsenic ( As), le phosphore ( P), le bismuth ( Bi) et
l’antimoine ( Sb).
Dans un semi-conducteur de type N, les électrons libres sont majoritaires alors
que les trous sont minoritaires (figure.5).
Conduction des semi-conducteurs
Electron libre de l’atome
d’antimoine
Si
Si
Fig.5
Sb
Si
Si
Atome d’impureté pentavalent dans un
cristal de silicium. Un atome d’impureté
d’antimoine (Sb) est illustré au centre.
Conduction des semi-conducteurs
Les atomes donneurs sont des atomes pentavalents que l’introduit dans le
semi-conducteur pour le rendre extrinsèque; ces atomes sont susceptibles de
donneur un libre. On parle d’un dopage de type N.
2- Semi-conducteur de type P
Pour augmenter le nombre de trous dans le silicium intrinsèque, on ajoute
des atomes d’impureté trivalents. Ce sont des atomes avec trois électrons de
valence, tels l’aluminium ( Al ), le bore (B) et la gallium ( Ga) (fig.6) . Le nombre
de trou peut être contrôlé par la quantité d’impureté trivalents ajoutée au silicium.
Un trou crée par cette méthode de dopage n’est pas accompagné d’un électron de
conduction ( libre). Dans un semi-conducteur de type P, les trous sont majoritaires
et les électrons sont minoritaires (figure.6).
Conduction des semi-conducteurs
On appelle atomes accepteurs les atomes trivalents que l’introduit dans le
semi-conducteur pour le rendre extrinsèque de type P ; ces atomes sont susceptibles
d’accepter un électron de valence. On parle d’un dopage de type P.
Trou de l’atome de bore
Si
Si
Fig.6
B
Si
Si
Atome d’impureté trivalent dans un
cristal de silicium. Un atome d’impureté
de bore (B) est illustré au centre.
Conduction des semi-conducteurs
Un morceau de silicium intrinsèque est dopé de telle sorte qu’une moitié
est de type N et l’autre moitié de type P, une jonction PN se forme entre
les deux régions.
la jonction PN est la caractéristique qui permet aux diodes ,transistors et
autres composants de fonctionner.
Jonction PN
Conduction des semi-conducteurs
Définition:
- On appelle jonction PN, un monocristal semi-conducteur dans
lequel existent deux régions dopées avec des impuretés de signe contraires
côté P, et côté N séparées par une surface plane.
- Une diode est une valve électronique qui ne permet le passage du
courant que dans un seul sens. Son symbole et sa structure schématique sont
représentés par les figures 7.( a et b ).
Jonction
Contact métallique
P
N
Fig.7 a
Conduction des semi-conducteurs
Anode i
Cathode
A
C
Fig.7 b
VAC = VA-VC
Conduction des semi-conducteurs
1- Polarisation directe :
Pour polariser une jonction PN, il suffit d’appliquer une tension continue externe à
travers cette jonction. Le potentiel de l’anode doit être relié à la borne plus ( +) de
l’alimentation et la cathode doit être connectée à la borne moins ( – ) de
l’alimentation comme l’indique la figure .
La polarisation directe est la condition qui permet le passage du courant à
travers la jonction PN. La résistance R limite le courant direct Id à une valeur qui
n’endommagera pas la structure de la jonction .
Conduction des semi-conducteurs
2- Polarisation de la jonction en sens inverse
La polarisation inverse est la condition dans laquelle le courant ne
traverse pas la jonction PN. Il faut aussi noter que la région d’appauvrissement
( zones de charge d’espace) est beaucoup plus large qu’en polarisation directe
ou en condition d’équilibre.
Le fonctionnement d’une jonction en polarisation inverse est illustré à
a figure 8. Puisque les charges contraires s’attirent, la borne positive de la
source << tire >> les électrons libres, qui sont les porteurs majoritaires dans la
région N, loin de la jonction PN.
Conduction des semi-conducteurs
2- Polarisation de la jonction en sens inverse
A mesure que les électrons affluent vers la borne positive de la source,
des ions positifs additionnels sont créés, ce qui élargit la région
d’appauvrissement et diminue le nombre de porteurs majoritaires. Dans la
région P, les électrons près de la borne négative de la source entrent tels des
électrons de valence, se déplaçant de trou en trou à travers la région
d’appauvrissement ou se crée des ions négatifs additionnels. Cette situation
élargit la région d’appauvrissement et diminue le nombre de porteurs
majoritaires.
Résumé de la polarisation de la jonction : Polarisation Direct
- Brancher la borne de polarisation positive à la région P et la
négative à la région N.
- La tension de polarisation doit être supérieure à la barrière de
potentiel.
- Barrière de potentiel : 0.7 V pour le Si et 0.3 V pour le Ge
-Les porteurs majoritaires traversent la jonction PN.
- La région d’appauvrissement se rétrécit .
Id
V
R
E
Caractéristique courant tension( I-V) en polarisation direct d’une
jonction
Résumé de la polarisation de la jonction : Polarisation Inverse
- Brancher la borne de polarisation positive à la région N et la
négative à la région P.
- La tension de polarisation doit être inférieure à la tension de
claquage.
- Les porteurs minoritaires procurent un faible courant inverse.
- Les porteurs majoritaires s’éloignent de la jonction PN durant la
courte période transitoire.
- La région d’appauvrissement est élargit .
