Les semi-conducteurs - Le site de Kifouche Rezki

Cours d'Electronique Général R. Kifouche, Avril 2012
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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.
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 (donneur) ionisé qu'on
décrit comme charge fixe positive
Electron libre qu'on décrit comme
charge mobile négative

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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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Atome (accepteur) ionisé qu'on
décrit comme charge fixe négative
Trou libre qu'on décrit comme
charge mobile positive

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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 (semi-
conducteur de type p) et d'autre part des porteurs de charge négatifs (semi-conducteur de type
n).