CHAPITRE X Les Semi-conducteurs

ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE
CHAPITRE X
Les Semi-conducteurs
A. Généralités :
Il existe 3 grands types de matériaux :
B. Notions physiques sur les semi-conducteurs :
Electrons
Les semi-conducteurs utilisés dans la fabrication des diodes et
des transistors sont des corps solides qui ont, comme leur nom
l'indique, des propriétés intermédiaires entre celles des
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 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 conducteurs : …………………………………………………….………….
…………………………………………………………………………………….
Les isolants : …………………………………………………….……………….
…………………………………………………………………………………….
Les semi-conducteurs : ………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
Noyau
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
SiSi Si
Si
Si
Si
SiSi Si
Si Si
Si
E. Semi-conducteur dopé (extrinsèque) :
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 ".
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 semi-
conducteur.
………………………………………………………………………………
…………………………………….…………………………………………
………………………………………………………………………….……
………………………………………………………………………………
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