Semi-conducteurs - M.Christian MARIAUD

SPE
Semi-conducteurs
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Les dispositifs semi-conducteurs sont aujourd'hui omniprésents. Ils permettent de commander des
circuits en un millionième de seconde, d'amplifier des courants électriques. Les diodes, transistors
et autres thyristors ont permis le développement des communications (radio, télévision,…), de
l'informatique, de l'aéronautique, de la robotique, de l'électroménager programmable, des
systèmes d'alarme et de sécurité et d'autres objets utiles (montres à quartz, stimulateurs
cardiaques, etc.).
Le développement du transistor a marqué les grandes étapes du progrès de l'électronique et a
nettement influencé l'évolution de la civilisation moderne.
Documents
Isolants, semi-conducteurs et conducteurs.
● Le comportement des semi-conducteurs (silicium, germanium), comme celui des métaux et des
isolants peut être décrit par la théorie des bandes. Dans ce modèle, l’électron peut prendre des
valeurs d'énergie dans certains intervalles – appelés « bandes ».
Il existe deux bandes d'énergie permises :
- la bande de basse énergie est appelée bande de valence.
- la bande de plus haute énergie est appelée bande de conduction. En effet, les électrons qui
atteignent cette bande peuvent conduire le courant.
Bande de
conduction
Bande de
conduction
Intervalle
d’énergie « gap »
Egap
Bande de
valence
Bande de
valence
Isolant
Semi-conducteur
Métal
● Un isolant a un intervalle d’énergie entre la bande de valence et de conduction d’environ 6 eV, il
est quasiment impossible pour les électrons de passer dans la bande de conduction. Les électrons
conduisent facilement le courant car les deux bandes se recoupent. Pour un semi-conducteur,
l’intervalle est d’environ 1 eV.
● Cet intervalle est encore trop grand pour que le semi-conducteur laisse passer le courant. Afin
d’augmenter la conductivité, on introduit dans le cristal des éléments de phosphore ou de bore. Le
phosphore apporte un excès d’électrons : on parle de dopage N. Le bore donne un défaut
d’électron : on parle de dopage P.
Si
Si
Si
Si
P
Si
Si
Si
Si
Dopage N
Electron
libre
Electron de
valence
Si
Si
Si
Si
B
Si
Si
Si
Si
Trou
Electron de
valence
Dopage P
1- En utilisant la théorie des bandes, expliquez la conductivité électrique élevée des métaux.
2- Qu'est ce qui différencie un isolant d'un semi conducteur dans la théorie des bandes ?
3- Les principaux semi-conducteurs sont constitués de silicium Si et de germanium Ge. Où sont
situés ces deux éléments dans la classification périodique ? L'un par rapport à l'autre ?
● Dopage d'un semi-conducteur.
1- Pourquoi un cristal de silicium a une conductivité quasi nulle ?
2- Recherchez dans la classification périodique d'autres éléments que le phosphore ou le bore
pour assurer des dopages de type n ou p.
3- A température ambiante, l'énergie associée à l'agitation thermique d'un électron est de l'ordre
de 25 meV. Pourquoi la conductivité des semi-conducteurs augmente-t-elle avec la
température contrairement à celle des métaux ?
La diode à jonction PN
● Une diode est un système qui comporte une partie dopée P et
une autre dopée N : on parle de jonction PN. La diode a alors la
propriété de ne laisser passer le courant que dans un seul sens.
● On se sert des diodes pour redresser le courant : passer d’un
courant alternatif à un courant continu (moteurs électriques,
chargeurs de portable, d’ordinateur…).
Idiode
Udiode
Cathode
Anode
Idiode
Idiode
Diode
passante
Diode
bloquée
Udiode
Diode
passante
Diode
bloquée
0
Idiode
Diode
bloquée
Udiode
0
Diode
passante
Udiode
0
Useuil
Useuil
Caractéristique I = f(U) d’une diode pour 3 modèles différents
Idiode
Idiode
Diode
passante
Diode
bloquée
Udiode
0
Idiode
Diode
passante
Diode
bloquée
Udiode
0
Diode
bloquée
Udiode
0
Useuil
Diode
passante
Useuil
Caractéristique I = f(U) d’une diode pour 3
modèles différents
1- Réalisez le montage suivant. Observez et représentez
les tensions UGBF et UR. En déduire la tension de seuil
de la diode.
2- L'opération effectuée s'appelle « redressement mono
alternance ». Justifiez ce terme.
UGBF
UR
Redressement double alternance.
La production (il s'agit plutôt d'une conversion)
d'énergie électrique est assurée à l'échelle
industrielle à l'aide d'une turbine reliée à un
alternateur.
EDF fournit au réseau une tension alternative
de 40 kV de tension et d'une fréquence de 50
Hz. L'électricité est ensuite transportée sur
longues distances via des lignes THT sous une tension de 400 kV, puis rabaissée à 40 kV ou 220
V lors de sa distribution aux industriels ou aux particuliers.
1- Quel est l'intérêt de transporter l'électricité sous très haute tension (THT) ?
2- Quel est l'appareil chargé de monter (ou redescendre) la tension ?
Les premiers TGV, ceux de la ligne Sud Est, fonctionnent toujours à l'aide de moteurs électriques à
courant continu. Ceux des lignes plus récentes fonctionnent sous courant alternatif (moteurs
synchrones ou asynchrones).
Tout comme cet exemple, de nombreux appareils de notre quotidien fonctionnent sous courant
alternatif : une machine à laver, un four. Et d'autres grâce à un courant continu : ordinateur,
chargeur de téléphone.
Une opération particulièrement utile est donc de convertir du courant alternatif en courant continu :
on parle de redressement.
La diode à jonction permet d'effectuer un redressement basique.
Réalisez le montage suivant : D1 et D4 seront des DEL ; D2 et D3 des diodes PN.
UR
UGBF
3- Observez et représentez les tensions UGBF et UR.
4- Ce montage (appelé pont de Graëtz) effectue du redressement double alternance. Justifiez ce
terme et expliquez son principe de fonctionnement (on pourra pour mieux comprendre travailler
avec des fréquences de l'ordre de 10 Hz).
La tension redressée UR est ensuite envoyée vers un condensateur (à placer donc en
dérivation sur la résistance).
5- Observez et représentez les tensions UGBF et UR. Quelle opération effectue le condensateur ?
Compétences
travaillées
S’approprier
Analyser
Réaliser
Critères de Réussite
Mobiliser ses connaissances
Proposer un modèle
Utiliser les propriétés d’un composant
A
B
C
D