E4 DIODES ET TRANSISTORS

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E4 DIODES ET TRANSISTORS
I. INTRODUCTION
Dans cette expérience, nous allons étudier deux éléments qui sont à la base de la majorité
des montages électroniques modernes; la diode et le transistor. Ces éléments sont formés de
matériaux semiconducteurs et se caractérisent entre autre par leur non-linéarité, c'est-à-dire
que pour une fréquence donnée leur impédance dépend du courant. Le but de cette
expérience est de donner une description simple de ces deux éléments et de se familiariser
avec quelques applications.
II. THEORIE
Les semiconducteurs, parmi lequel le silicium est le plus connu, présentent des propriétés
électroniques à mi chemin entre celles des isolants et des métaux. Les phénomènes de
conductions électriques mettent en jeu les électrons des couches externes des éléments
constituants le matériaux. Pour un atome isolé, il existe une répartition discrète des niveaux
d’énergie des électrons, chaque niveau pouvant être occupé au maximum par deux électrons
avec des spins opposés représentés par des flèches vers le haut ou vers le bas car un
principe fondamental de la physiques du solide (principe d’exclusion de Pauli) interdit à
deux électrons d’être dans le même état.
1s 2s 2p
atome isolé
1s
2s
2p
1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s 2s 2p
1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s 2s 2p
1s 2s 2p 1s 2s 2p 1s 2s 2p
cristal : arrangement régulier
Bandes d’énergie
niveaux d’énergie
bande interdite
Figure 1.
Un matériau réel est constitué d’un très grand nombre d’atomes (6.02
.
10
23
at/mole) et il y a
donc un très grand nombre d’électrons issus des mêmes niveaux atomiques qui aimeraient
avoir une énergie identique. Pour respecter le principe de Pauli, tous ces niveaux d’énergie

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vont se distribuer dans un intervalle d’énergie plus ou moins large suivant les interactions
entre les atomes et une bande. Entre les bandes, il existe une zone d’énergie interdite. D’une
manière simplifiée, on peut voir les bandes comme une réminiscence des niveaux discrets
d’énergie, chaque bande étant séparée de la suivante par une zone d’énergie interdite
appelée gap comme indiqué sur la figure 1. Ces zones d'énergie interdite et le taux de
remplissage des bandes joue un rôle fondamental dans les propriétés électriques du
matériau.
Pour avoir un courant électrique, il faut avoir des porteurs de charge (électrons) qui puissent
se déplacer. Si une bande est vide, il n’y donc pas de courant associé à cette bande. Mais si
une bande est complètement remplie, il n’y a également pas de courant associé à cette
bande. Pour visualiser ce phénomène, considérons le cas d’un parking à deux étages comme
illustré sur la figure 2.
Figure 2a Premier niveaux complet et deuxième niveau vide.
Il est impossible de déplacer un vehicule.
Figure 2b Un trou au premier niveau et une voiture au deuxième.
Il est possible de déplacer les véhicules
Figure 2.
A l’image des voitures dans un parking, pour pouvoir déplacer les électrons il faut des états
libres. Ainsi, lorsque l’on remplit les bandes avec les électrons on peut obtenir deux
situations extrêmes suivant l’occupation des états dans la dernière bande d’énergie
contenant des électrons.
Elle est incomplètement remplie. Il y existe donc des états libres permettant ainsi aux
électrons de se déplacer. C’est le cas des métaux (Figure 3a).
Elle est complètement remplie. Il n’y a donc plus d’états de libres et aucun
mouvement n’est possible. C’est le cas des isolants (Figure 3c).

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a) Métal b) Semi-conducteur c) Isolant
Grand gap
Isolant à température nulle
Bande de
conduction
Bande de
valence
Petit gap
Figure 3.
Néanmoins, si le gap d’énergie entre la bande remplie (appelée bande de valence) et la
bande suivante (bande de conduction) est petit (environ 1eV), il est possible d’avoir un
nombre non négligeable d’électrons qui, sous l’action de l’agitation thermique, vont sauter
de la bande de valence vers la bande de conduction. La figure 4b montre une telle situation
où des électrons sont présents dans la bande de conduction et simultanément ont laissé des
trous dans la bande de valence. Il y a donc maintenant deux types de porteurs de charge; des
électrons dans la bande de conduction et des trous dans la bande de valence. Le nombre de
porteurs de charge dépendra fortement de la température et de la valeur du gap. Pour le
silicium à 300K, on a environ 10
10
électrons/cm
3
(et donc trous) soit environ 10
13
fois moins
que pour le cuivre (10
23
électrons/cm
3
). C’est pour cette raison que cette classe de
matériaux est appelée semiconducteur.
Dopage des semiconducteurs
Il est connu que les semiconducteurs sont extrêmement sensibles aux impuretés et qu’une
propreté presque absolue est nécessaire pour la réalisation des dispositifs à
semiconducteurs. En effet, en introduisant des impuretés dans un cristal semiconducteur, on
va très rapidement modifier le nombre de porteurs de charges si l’impureté introduite a un
nombre différent d’électrons sur les couches externes. Dans le cas du silicium qui est un
élément tétravalent (4 électrons/atome) on réalise le dopage avec soit des impuretés
pentavalentes (5 électrons) telle que le phosphore ou trivalentes (3 électrons) tel que le
bore. La figure 4a et c illustre l’effet de l’addition de ces impuretés. Avec le phosphore (P),
nous avons un électron supplémentaire par atome d’impureté et donc la bande de
conduction se remplit avec ces porteurs et l’on parle de semiconducteur de type N. Avec le
bore (B), il manque un électron par atome d’impureté. Cela crée donc des trous dans la
bande de valence et l’on parle de semiconducteur de type P. On observe que pour les
semiconducteurs dopés les densités de porteurs positifs et négatifs diffèrent. On introduit
alors la notion de porteurs minoritaires et majoritaires. Pour un semiconducteur de type N,
les électrons sont des porteurs majoritaires et les trous des porteurs minoritaires, alors que
pour un semiconducteur de type P les trous sont des porteurs majoritaires et les électrons
des porteurs minoritaires.

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a) Semiconducteur type
N
n
électron
> n
trou
b) Semiconducteur
intrinsèque
n
électron
= n
trou
c) Semiconducteur type
P
n
électron
< n
trou
P
+5
Si
+4
Si
+4
Si
+4
électron
Si
+4
Si
+4
Si
+4
Si
+4
Si
+4
Si
+4
B
+3
Si
+4
Si
+4
Si
+4
trou
Si
+4
Figure 4.
A) LA DIODE
On appelle diode un élément électronique qui ne laisse passer le courant que dans un sens.
La résistance est pratiquement nulle dans le sens de passage, et très grande dans l'autre sens.
La figure 5 représente la caractéristique courant-tension d'une diode idéale.
I
V
V
I
Figure 5.
Une diode semiconductrice est formée de deux semiconducteurs, un de type N et l'autre de
type P. A la jonction entre les deux types de semiconducteur, la différence de concentration
des trous (et des électrons) entre les zones N et P est très grande. Ceci n’est pas une
situation d’équilibre naturel, et les porteurs majoritaires de la zone N (électrons) et de la
zone P (trous) vont diffuser au travers de la jonction, pour atténuer cette forte variation
locale de concentration, comme indiqué sur la figure 6.

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Type P Type N
_
__
Type P
_ _
_
_ _
_
_ _
_
_ _
_
_ _
_
Type N
+ +
+
++
+
++
+
++
+
++
+
Zone de charge
d’espace
Zone
neutre Zone neutre
E
Figure 6. Figure 7.
En quittant le zone N, les électrons vont laisser des charges fixes positives dans cette région
et similairement le départ des trous de la zone P laissera des charges fixes négatives. Ceci
crée une distribution de charge d’espace qui engendrera un champ électrique (Fig. 7) qui
s’opposera au courant I
s
des porteurs majoritaires (trous et électrons) au travers de la
jonction, alors qu’il favorisera le courant I
o
lié aux porteurs minoritaires crées par des
excitations thermiques. Ces deux courants s’annulent (I
s
= I
o
) lorsque aucune tension est
appliquée aux bornes de la diode. Avec une tension inverse (Vinverse), la zone de charge
d’espace va croître et le courant majoritaire I
s
va rapidement diminuer pour devenir
complètement négligeable si la tension inverse est suffisamment élevée. Le seul courant qui
reste est donc le courant minoritaire. Ce courant ne dépend que de la température et ne
dépend donc pas de la tension appliquée. On appelle ce courant très faible, le courant de
fuite, et il varie exponentiellement avec la température T comme:
I A Exp E
k T
g
B
0
= ⋅ − ( )
-
-
-
-+ +
+
+Type NType P
Is
Io
V
+- -
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-+ +
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Figure 8.