CHAPITRE X Les Semi-conducteurs
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ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE CHAPITRE X Les Semi-conducteurs A. Généralités : Il existe 3 grands types de matériaux : Les conducteurs : …………………………………………………….…………. ……………………………………………………………………………………. Les isolants : …………………………………………………….………………. ……………………………………………………………………………………. Les semi-conducteurs : …………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………. B. Notions physiques sur les semi-conducteurs : Les solides, comme tous les éléments de la matière sont constitués d'atomes. Ceux-ci sont formés d'un noyau autour duquel gravitent des électrons. Les électrons sont des particules chargées négativement. Le noyau de l'atome est composé de protons, particules chargés positivement et de neutrons particules neutres. La charge électrique globale de l'atome est nulle. ………………………………………………………………. ………………………………………………………………. ………………………………………………………………. Les semi-conducteurs utilisés dans la fabrication des diodes et des transistors sont des corps solides qui ont, comme leur nom Electrons l'indique, des propriétés intermédiaires entre celles des Noyau conducteurs et celles des isolants à la température ambiante. Aux très basses températures, ils se comportent comme des isolants et aux températures élevées, comme des conducteurs. LES SEMI-CONDUCTEURS ERIC SAMAMA PAGE 1 SUR 12 ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE C. Description: semi-conducteur intrinsèque : Cette section, essentiellement descriptive, a pour objet de donner au lecteur des modèles simples de semi-conducteurs intrinsèques et extrinsèques de type n ou de type p. La connaissance de ces modèles permet, par la suite, de rendre compte du comportement des dispositifs à semi-conducteurs tels que diode, transistor bipolaire, etc. …………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………… ………………………………………….……………………………………… Dans un cristal de silicium pur, chaque atome possède quatre électrons périphériques engagés dans des liaisons covalentes avec quatre atomes voisins 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 et le cristal peut être représenté par le réseau de la figure ci dessous : LES SEMI-CONDUCTEURS ERIC SAMAMA PAGE 2 SUR 12 ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE Lien de valence Semi-conducteur intrinsèque D. Origine des propriétés électriques du silicium : 1. Lorsque la température augmente, certains des électrons reçoivent une énergie suffisante (par agitation thermique) pour échapper à l'attraction du noyau et devenir des électrons libres. Les électrons peuvent se mouvoir sous l'effet d'un champ électrique. Lorsqu'un cristal de semi-conducteurs est soumis à une différence de potentiel électrique, les électrons (de charges négatives) vont se déplacer vers le potentiel le plus positif. ………………………………………………………… …………………………………………………………. Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Passage du courant (conduction par électrons libres) 2. A ce mécanisme de conduction se superpose une conduction, dite par trous. Lors de la libération d'un électron, il laisse une place vide appelé trou (charge LES SEMI-CONDUCTEURS ERIC SAMAMA PAGE 3 SUR 12 ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE positive). Le trou créé par le départ d'un électron est comblé par un électron voisin. Le départ de cet électron créé un nouveau trou qui, lui aussi est comblé par un électron voisin. Le trou initial semble ainsi se déplacer vers le potentiel le plus négatif. Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si E. Semi-conducteur dopé (extrinsèque) : Le dopage consiste à introduire, dans le cristal, des atomes d'un élément étranger. Cette opération a pour but d'augmenter la conductibilité du semi-conducteur en apportant des électrons libres ou des trous. Les atomes de l'élément dopeur sont introduits en très faible quantité (environ 1 pour 1 million). Après dopage, la conductibilité est essentiellement due à la proportion d'atomes de l'élément dopeur, elle est extrinsèque au semiconducteur. ……………………………………………………………………………… …………………………………….………………………………………… ………………………………………………………………………….…… ……………………………………………………………………………… Dans un cristal de silicium pur, chaque atome possède quatre électrons périphériques engagés dans des liaisons covalentes avec quatre atomes voisins. Si on remplace un atome de silicium par un autre d'un élément chimique n'ayant que trois électrons périphériques (par exemple du bore), un des atomes voisins de l'intrus se trouve privé de liaison et possède donc un électron non lié, susceptible de quitter l'atome et de conférer à l'environnement une charge négative. Un tel silicium sera dit " dopé N ". Dans le cas d'un intrus ayant cinq électrons (par exemple du phosphore), on obtient un excès de charges positives et le cristal est " dopé P ". LES SEMI-CONDUCTEURS ERIC SAMAMA PAGE 4 SUR 12 ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE F. Description: semi-conducteur extrinsèque de type N : Un semi-conducteur dans lequel on aurait substitué à quelques atomes tétravalents des atomes pentavalents est dit extrinsèque de type N. Type N Un dopage de type N, sera constitué d'impureté pentavalente. Un dopage de type N, aura un surplus d'électrons et sera de charge négative. Semi-conducteur de type N ……………………………………………………………………………………… …………………………….……………………………………………………… …………………………………………………………….……………………… ……………………………………………………………………………………… Modèle Étant données ces considérations, on établit le modèle de semi-conducteur représenté à la figure ci dessous dans lequel n'apparaissent que les charges essentielles, à savoir : les électrons libres et les donneurs ionisés. Les charges fixes sont entourées d'un cercle. Semi-conducteur de type N (modèle) LES SEMI-CONDUCTEURS ERIC SAMAMA PAGE 5 SUR 12 ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE Définitions L'électron qui possède une énergie suffisante peut quitter la liaison de valence pour devenir un électron libre. Il laisse derrière lui un trou qui peut être assimilé à une charge libre positive; en effet, l'électron quittant la liaison de valence à laquelle il appartenait démasque une charge positive du noyau correspondant. Le trou peut être occupé par un autre électron de valence qui laisse, à son tour, un trou derrière lui: tout se passe comme si le trou s'était déplacé, ce qui lui vaut la qualification de charge libre. La création d'une paire électron libre - trou est appelée génération alors qu'on donne le nom de recombinaison au mécanisme inverse. ………………………………………………………………………… ………………………………………….……………………………… ………………………………………………………………………… ………….……………………………………………………………… G. Description: semi-conducteur extrinsèque de type P : Si l'on introduit des atomes trivalents dans le réseau cristallin du semi-conducteur, 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 extrinsèque de type P. Type P Un dopage de type P, sera constitué d'impureté trivalente. Un dopage de type P, possède un manque d'électron, et un manque d'électron aura la faculté d'attirer des électrons tout comme une charge positive. Un manque d'électron sera appelé un trou. Un dopage de type P aura un surplus de trous. LES SEMI-CONDUCTEURS ERIC SAMAMA PAGE 6 SUR 12 ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE Semi-conducteur de type P Modèle Le nombre volumique des électrons libres est alors considéré comme négligeable. Il s'ensuit un modèle, représenté à la figure 5, dans lequel n'apparaissent que les charges prépondérantes: les trous et les accepteurs ionisés. Semi-conducteur de type P (modèle) ………………………………………………………………………… ………………………………………….……………………………… LES SEMI-CONDUCTEURS ERIC SAMAMA PAGE 7 SUR 12 ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE Assertion : La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des électrons dans le solide. On comprend dès lors que la concentration des électrons libres et des trous dépende très fortement de la température. H. Combinaison de semi-conducteur de type P et de type N : Si on accole une région N et une région P, les électrons de la région N auront tendance à migrer vers la région P, mais, ce faisant, ils créent un déséquilibre de charge qui entraîne l'apparition d'un champ électrique intense au niveau de la jonction, où une étroite zone vide de charges, donc isolante, apparaît. L’intérêt est alors de mélanger les deux zones de dopages pour obtenir des propriétés électriques intéressantes. I. Un exemple de semi-conducteur, la diode (jonction P-N) : ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… …………………………………………………………………. Au voisinage de cette jonction, les électrons de charge négative de la zone N vont passer dans la zone P. Il y aura formation d'ions de chaque côté de cette jonction. Du côté de la zone N, un électron parti dans l'autre zone créera un ion + dans cette fameuse zone dopée N et ce au voisinage de cette jonction. Et dans la zone P au voisinage de la jonction un électron arrivant de l'autre zone créera un ion --. Ses ions de part et d'autre de la jonction formeront une barrière de potentiel. La barrière restera limitée au voisinage de la jonction. En effet, dans la zone P, les ions -formés et constituant cette barrière de potentiel de charge négative, empêcheront les autres électrons venant de l'autre zone N car deux charges de même signe se repoussent. LES SEMI-CONDUCTEURS ERIC SAMAMA PAGE 8 SUR 12 ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE Les parties P et N étant initialement neutres, la recombinaisons des électronstrous à pour effet de charger positivement la partie N et négativement la partie P. Cette charge repousse les porteurs majoritaires de chaque partie et arrête la diffusion des électrons. Entre les deux parties P et N apparaît alors une différence de potentiel Vd appelée "barrière de potentiel". LES SEMI-CONDUCTEURS ERIC SAMAMA PAGE 9 SUR 12 ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE Vd "barrière de potentiel" Charges et champ électrique Lorsque, dans un cristal de semi-conducteur, une partie est dopée avec des éléments de type P et l'autre partie avec des éléments de type N. Il apparaît, à la limite des zones P et N, une zone de transition appelée jonction. ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… ………………………………………………………..……………… ……………………………………………………………………… Il s'est donc créé un dipôle aux abords de la jonction et, conjointement, un champ électrique. Une fois l'équilibre atteint, ce champ électrique est tel qu'il s'oppose à tout déplacement global de charges libres. Définitions 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. 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. J. Polarisation d’une jonction P-N : Le modèle le plus simple de diode est la jonction P-N, obtenue en juxtaposant dans un morceau de semi-conducteur (en général du silicium), une zone enrichie en atomes donneurs d'électrons (zone N) et une zone comportant des atomes accepteurs d'électrons (zone P). Par suite du déplacement des porteurs P et N à travers la frontière entre les deux zones, il se forme une barrière isolante, siège d'un champ électrique dirigé de N vers P. LES SEMI-CONDUCTEURS ERIC SAMAMA PAGE 10 SUR 12 ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE Lorsqu'on applique une différence de potentiel entre les deux zones, l'effet est radicalement différent suivant la polarité. ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… ………………………………………………………..…………… ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… ……………………………………………………………………… ………………………………………………………..…………… ……………………………………………………………………… LES SEMI-CONDUCTEURS ERIC SAMAMA PAGE 11 SUR 12 ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE On a ainsi réalisé un dispositif redresseur qui, alimenté par une tension alternative, ne laisse passer le courant que dans un sens. Cette fonction de rectification du courant constitue la principale application de ce type de diode. A retenir de tous ceci, qu'une diode est passante dans le sens de la flèche dessinée sur ce composant et que la cathode est située du côté de la barre dessinée sur ce même composant. On la teste avec un ohmmètre à aiguille bon marché, en obtenant 7 Ohms dans le sens passant et l'infini dans l'autre sens. Méfiez-vous de la polarité indiquée sur un multimètre à aiguille, elle est parfois inversée pour la fonction ohmmètre. Les diodes les plus répandues sont la 1N4007 donc Imax = 1 A et tension inverse Max est de 1 KV et la 1N4148 Imax=200mA et sa tension inverse Max est de 75 V. Une des grandes utilités des diodes est le redressement des courants alternatifs. LES SEMI-CONDUCTEURS ERIC SAMAMA PAGE 12 SUR 12
