Les semi-conducteurs - Le site de Kifouche Rezki

Cours d'Electronique Général
R. Kifouche, Avril 2012
Cours d'Electronique Général
Bibliographie

Electricité générale, Analyse et synthèse des circuits, 2e édition, Tahar Neffati,
Dunod 2003

Manuel de génie électrique, Guy Chateigner, Michel Boës, Daniel Bouix, Jacques
Vaillant et Daniel Verkindère, Dunod 2006/2007

Cours d'électronique, 3e édition, Pr. Hammoud Ladjouze, OPU, 2010

Exercices corrigés en Electronique générale, 4e édition, OPU, 2008.

Polycop, Cours de Génie Electrique, de G. CHAGNON, Université Paris VI-Jussieu.
(présent sur le net)
N.B. :
Ce cours ne prétend ni à l’exhaustivité ni à l’originalité. Ces notes doivent en effet beaucoup
aux emprunts faits aux ouvrages référencés en bibliographie.
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1. Les semi-conducteurs :
Avoir un aperçu sur les semi-conducteurs est important, en vue d’expliquer rapidement le
fonctionnement des dispositifs les utilisant, tels que diode, transistor à effet de champ,
transistor bipolaire et autres.
L’appellation des matériaux semi-conducteurs provient de leurs conductivités électriques,
intermédiaires entre celles des conducteurs et des isolants. Avec des particularités
importantes, qui font que cette conductivité, contrairement aux conducteurs courants, dépend
beaucoup de la température et augmente avec celle-ci.
1.1 Historique :
L’utilisation de semi-conducteur sous forme cristalline remonte au début du siècle dernier. On
constata que la galène (sulfure de plomb polycristallin) jouait le rôle d’une diode lorsqu’on
réalisait un contact entre une pointe métallique et un de ses cristaux. Les redresseurs à l’oxyde
de cuivre, puis au silicium ont été également utilisés, grâce à leur caractère unidirectionnel.
Puis vers 1945, on fabrique le premier monocristal de germanium et finalement le silicium
prend peu à peu l’avantage sur le germanium, grâce à sa gamme de température d’utilisation
plus large et son traitement plus facile.
1.2 Un cristal de semi-conducteur :
Un cristal de semi-conducteur intrinsèque est un solide dont les noyaux atomiques sont
disposés aux nœuds d’un réseau géométrique régulier. La cohésion de cet édifice est assurée
par les liens de valence qui résultent de la mise en commun de deux électrons appartenant
chacun à deux atomes voisins de la maille cristalline. Les atomes de semi-conducteur sont
tétravalents, voir la figure ci-dessous.
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1.2.1 Semi-conducteurs intrinsèques :
Les semi-conducteurs intrinsèques sont des semi-conducteurs purs. Leurs électrons libres sont
ceux qui possèdent une énergie suffisante pour quitter la liaison de valence. Ces derniers
laissent derrière eux des trous qui sont assimilés à des charges libres positives; La création
d’une paire d'électron libre-trou est appelée "génération" alors qu’on donne le nom de
"recombinaison" au mécanisme inverse.
La température étant une mesure de l’énergie cinétique moyenne des électrons dans le solide,
la concentration en électrons libres et en trous en dépend très fortement.
1.2.2 Le Dopage des semi-conducteurs intrinsèques :
Le dopage est l’action qui consiste à rendre un semi-conducteur extrinsèque. Par extension, ce
terme qualifie également l’existence d’une concentration d’atomes étrangers. On donne le
nom d’impuretés aux atomes étrangers introduits dans la maille cristalline. Dans le cas d’un
semi-conducteur extrinsèque de type n, les impuretés sont appelées donneurs car chacune
d’entre elles donne un électron libre.
Atome (donneur) ionisé qu'on
décrit comme charge fixe positive
-
-
-
-+ - +- -- +
Electron libre qu'on décrit comme
charge mobile négative
-
--
-
+
-
+
-
-
-
+
-+ -
1.2.3 Semi-conducteurs extrinsèques de type n :
Les semi-conducteurs extrinsèque de type n sont les semi-conducteurs dans lequel on aurait
substitué à quelques atomes tétravalents des atomes pentavalents. Quatre électrons de la
couche périphérique de l’atome pentavalent prennent part aux liens de valence alors que le
cinquième, sans attache, est libre de se mouvoir dans le cristal. L’électron libre ainsi créé
neutralise la charge positive, solidaire du réseau cristallin, qu’est l’atome pentavalent ionisé.
1.2.4 Semi-conducteurs extrinsèques de type p :
Si l’on introduit des atomes trivalents dans le réseau cristallin d'un semi-conducteur pur, les
trois électrons de la couche périphérique de l’impureté prennent part aux liens de valence,
laissant une place libre. Ce trou peut être occupé par un électron d’un autre lien de valence qui
laisse, à son tour, un trou derrière lui. L’atome trivalent est alors ionisé et sa charge négative
est neutralisée par le trou. Le semi-conducteur est alors dit extrinsèque de type p. Les
impuretés, pouvant accepter des électrons, sont appelées accepteurs.
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Atome (accepteur) ionisé qu'on
décrit comme charge fixe négative
Trou libre qu'on décrit comme
charge mobile positive
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- + +
+ - +
+
-
+
1.3 La jonction PN :
Le dopage non uniforme d’un semi-conducteur, qui met en présence une région de type n et
une région de type p, donne naissance à une jonction PN. Une telle jonction est aussi appelée
diode.
Soit le semi-conducteur à dopage non uniforme ci-dessous qui présente une région p à nombre
volumique d’atomes accepteurs constant, suivie immédiatement d’une région n à nombre
volumique de donneurs constant également.
La surface de transition entre les deux régions est appelée jonction PN. Du fait de la
continuité du réseau cristallin, les trous de la région p et d’électrons de la région n ont
tendance à uniformiser leur concentration dans tout le volume à disposition. Cependant, la
diffusion des trous vers la région n et des électrons libres vers la région p provoque un
déséquilibre électrique si bien que, dans la zone proche de la jonction, la neutralité électrique
n’est plus satisfaite. On trouve, dans la région p, des atomes accepteurs et des électrons, soit
une charge locale négative, et dans la région n, des atomes donneurs et des trous, soit une
charge locale positive. Il s’est donc créé un champ électrique. Une fois l’équilibre atteint, ce
champ électrique est tel qu’il s’oppose à tout déplacement global de charges libres.
La région dans laquelle la neutralité n’est pas satisfaite est appelée "zone de déplétion" ou
"zone de charge spatiale" alors que les autres régions sont dites régions neutres, voir la figure
ci-dessous.
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Le champ électrique interne créé par le dipôle est nommé champ de rétention de la diffusion
car il s’oppose à toute diffusion des charges mobiles.
Il existe, entre la région P et la région N, une barrière de potentiel UB0 énergétique pour les
charges mobiles. L’existence de cette barrière se traduit par une différence de potentiel
électrique liée au champ de rétention de la diffusion.
1.4 La Diode :
Les diodes sont réalisées par la juxtaposition de deux types de semi-conducteurs sur la
structure d'un cristal de silicium extrêmement pur (_gure 2.1). En injectant d'un côté du cristal
des atomes accepteurs d'électrons et de l'autre des atomes donneurs d'électrons, on réalise une
jonction semi-conductrice possédant d'une part des porteurs de charge positifs (semiconducteur de type p) et d'autre part des porteurs de charge négatifs (semi-conducteur de type
n).
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La jonction semi-conductrice
A l’équilibre, on peut modéliser ce phénomène par une source de tension dite de seuil. Dans
la pratique, sa valeur est de l’ordre de 0,7V pour des semi-conducteurs basés sur le silicium.
Pour d’autres éléments ou d’autres technologies cette valeur oscille entre 0,4 et 2V environ. Si
la jonction est polarisée de manière à renforcer la barrière de potentiel, la non conduction de
l’ensemble est accentuée. Dans l’autre sens, la barrière est écrasée au delà de 0,7V et la
conduction devient possible.
1.4.1 Le symbole de la Diode :
Le symbole de la diode est comme représenté sur la figure suivante :
Anode (A)
Cathode (K)
iD
UD
1.4.2 Fonctionnement de la Diode :
La diode est donc un élément semi-conducteur qui laisse facilement circuler le courant dans
un sens (polarisation directe) et le bloque complètement ou presque en polarisation inverse.
1.4.3 Caractéristique d'une diode :
La diode en polarisation inverse ne laisse circuler qu'un très faible courant que l'on admet nul.
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Si la tension négative devient trop grande, le champ électrique devient si fort qu'il peut
arracher des électrons du cristal semi-conducteur et causer par effet d'avalanche le claquage
de la jonction et sa destruction. Les tensions de claquage des diodes redresseuses s'élèvent à
plusieurs centaines de volts.
En polarisation directe, le courant croît exponentiellement avec la tension.
R
+ Vd La figure, ci-coté, illustre la polarisation directe de la
diode. Pour la polarisation inverse, il suffit d'inverser la
tension appliquée.
+
-
La figure ci-dessous, représente la caractéristique réelle de la diode.
Id
Polarisation inverse
Polarisation direct
La diode ne conduit pas
La diode conduit
Vd
Tension inverse
de claquage
Courant inverse
presque nul
Tension de seuil
Vj ≈ 0,7 V
La diode est un composant non linéaire qui donne une tension faible si la barrière de potentiel
n’est pas dépassée mais qui augmente très fortement dès qu’on la dépasse.


La tension de seuil : C’est la tension Vj à partir de laquelle le courant augmente
brusquement. Elle correspond à la barrière de potentiel. Elle vaut plus ou mois 0.7 V
pour une diode en silicium.
Résistance de la diode : Au-delà de la tension de seuil, Vj, le courant est limité par la
résistance des régions p et n. Cette résistance est dite aussi la résistance série :
𝑅𝑠é𝑟𝑖𝑒 = 𝑟𝑑 = 𝑅𝑛 + 𝑅𝑝
Sa valeur dépend de la taille et du dopage des différentes régions.

Le courant continu direct maximal : La diode peut être détruite au delà d’un certain
courant trop important. C’est pourquoi les constructeurs indiquent une limite de bon
fonctionnement de la diode sans altération.
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
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Le claquage : La tension de claquage d’une diode est la tension maximale inverse
qu’on peut lui appliquer. Si la tension de claquage est atteinte, un grand nombre de
porteurs prioritaires apparaissent dans la zone désertée et la diode conduit fortement.
C’est un phénomène en avalanche.
La tension de claquage d’une diode dépend de son dopage.
1.4.4 Les modèles de la diode :

La première approximation : La Diode idéale :
La diode idéale est considérée comme un interrupteur.
Si Vd >0 => la diode conduit
Id
Si Vd<0 => la diode ne conduit pas.
=>
En polarisation inverse
Vd
En polarisation directe

La deuxième approximation : Diode avec seuil :
On a pas de courant pour les tensions inférieures à la tension de seuil, Vj, A cette valeur, la
diode conduit et la tension reste constante quelle que soit le courant qui la traverse.
Id
En polarisation inverse
En polarisation directe
Vj
Vd
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
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La troisième approximation : Diode avec seuil et résistance :
Au-delà de la tension de seuil Vj, la diode conduit et sa résistance interne "rd", série,
provoque une chute de tension Vd variable à ses bornes. Avec :
𝑉𝑑 = 𝑉𝑗 + 𝑟𝑑. 𝐼𝑑
Rd
Id
En polarisation inverse
Rd
En polarisation directe
Vj
1.5
Les circuits à diode :
1.5.1 Le redresseur simple alternance :
Vd
Une application courante de la diode est le redressement de tensions sinusoïdales dans le but
de réaliser une conversion AC/DC.
Le montage ci-dessous nous permet d'obtenir un redresseur simple alternance.
La tension en fonction du temps aux bornes de la diode et de la résistance se présente comme
suit, et cela en s'appuyant sur le modèle de la diode idéale :
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
En utilisant sur le modèle de la diode avec seuil :
En considérant que Vj = 0,6V :

En utilisant sur le modèle de la diode avec seuil et résistance :
En considérant que Vj = 0,6V :
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1.5.2 Le redresseur double alternance :
Avec un transformateur double enroulement ou transformateur à point milieu, on peut obtenir
une tension à deux phases de tension :

Le Pond de Graëtz : Il existe une autre manière de faire du redressement double
alternance, ne nécessitant pas un transformateur à double enroulement : on utilise 4
diodes montées en pont, dit « pont de Graëtz ».
34
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Diodes Zener :
L'effet Zener concerne la caractéristique inverse de la diode. En direct, une diode Zener se
comporte comme une diode normale. En inverse, on fait l'effet Zener et / ou d'avalanche se
produise à une tension bien déterminée, et n'est pas destructif. La diode Zener est une diode
au silicium conçue pour travailler dans la zone de claquage.
Caractéristiques idéales d'une diode Zener
Caractéristiques réelles d'une diode Zener
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Les semi-conducteurs : Transistors :
Un transistor bipolaire possède trois bornes :
•
la base (B)
•
le collecteur (C)
•
l’émetteur (E)
Il existe deux type de transistor bipolaire :

NPN
P
C
N
P
E
N
E
B

PNP
N
C
P
B
Caractéristiques électriques du transistor NPN
1.1. Montage « émetteur - commun
Ce montage nécessite deux sources de tension :
RC
IC
RB
EB
IB
VCE
EB
IE
1.2. Tension et courants :
Le transistor possédant trois bornes, il faut définir trois courants et trois tensions : En
fonctionnement normal, le courant entre dans le transistor NPN par la base et le collecteur et
sort par l’émetteur.
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Avec la convention de signe choisie ci-dessus, les courants sont donc positifs. La tension vCE
est normalement positive.
Relation entre courants :
• loi des noeuds : iE = iB + iC
Jonction Base- Emetteur :
Le transistor est conçu pour être commandé par la jonction B-E :
•
si le courant de base est nul, la jonction B-E est bloquée et on dit que le transistor
est bloqué.
•
S'il y a un courant de base (dans le sens direct : iB > 0), le transistor est dit passant.
Le courant de base est donc un courant de commande.
Transistor bloqué
IC=0
IB=0
VBE<0,6V
IE=0
La jonction B-E est bloquée :
•
iB= 0 et vBE < 0,6 V
•
Le transistor est bloqué et tous les courants sont nuls : iB = iC = iE = 0
IC>0
IB>0
VBE=0,6V
IE>0
La jonction B-E est passante dans le sens direct :
•
iB > 0 et vBE= 0,6 V
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Le transistor est passant et il y a un courant de collecteur et un courant d’émetteur :
•
iC > 0 et iE > 0.
Il existe alors deux régimes de fonctionnement.
a- Fonctionnement en régime linéaire
Le courant de collecteur est proportionnel au courant de base :
iC = β iB
b est le coefficient d’amplification en courant (de quelques dizaines à quelques centaines).
•
β >>1 donc iC >> iB
IC=β.iB
D’autre part :
IB>0
•
iE = iB + iC
•
iE ≈ iC
VCE>VCEsat
VBE=0,6V
IE=(β+1).iB
b- Fonctionnement en régime de saturation :
Au dessus d’une certaine valeur du courant de base (iB sat), le courant de collecteur « sature »
:
•
iB > iB sat : iC = iC sat
•
𝑖𝑏 𝑠𝑎𝑡 =
•
La tension vCE est alors très proche de zéro :vCE sat ≈ 0,2 V.
𝑖𝑐 𝑠𝑎𝑡
𝛽
iC
R
B
EB
IB
VCE
Régime
linéaire
C
IC
R
Saturation
iCsat
EB
IE
iBsat
iB
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Caractéristiques électriques du transistor PNP
Par rapport au transistor NPN, le sens des courants et le signe des tensions sont inversés :
RC
IC
IB
IC
VCE
RB
VBE=0,6V
IE
EB
IB
EB
VCE
VBE=0,6V
IE
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