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I. ÉLÉMENTS DE PHYSIQUE DES SEMICONDUCTEURS
Définition
Un semi-conducteur est un solide qui est isolant au zéro absolu et conducteur à la température
ambiante.
Propriétés
Dans un semi-conducteur, tout se passe comme si la conduction du courant était due à deux
types de particules :
! les électrons (comme dans un métal)
! les trous, de charge opposée à celle de l’électron.
Dans un semi-conducteur parfaitement pur (semi-conducteur « intrinsèque ») la densité
d’électrons n est égale à la densité de trous p : pour le silicium
n = p = 1010 cm-3.
Définition
Un semi-conducteur dopé est un semi-conducteur dans lequel on a ajouté délibérément des
très petites quantités d’impuretés bien choisies (typiquement 1012 à 1017 cm-3) qui modifient
complètement les propriétés de conduction du matériau.
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Deux types d’impuretés :
! les donneurs (impuretés pentavalentes dans Si tétravalent), par exemple P,
! les accepteurs (impuretés trivalentes dans Si), par exemple B.
Propriétés
Les donneurs ont un électron de valence en surnombre qui est « libre » à la température am-
biante, donc susceptible de participer à la conduction.
Les accepteurs ont un déficit d’électrons de valence par rapport aux atomes de Si ; cette la-
cune ou trou est susceptible de se déplacer sous l’effet d’un champ électrique comme si
c’était une particule chargée positivement.
Dans un semi-conducteur à l’équilibre thermodynamique (dopé ou intrinsèque), la loi d’action
de masse s’écrit :
n p = ni2 ( = 1020 cm-6 pour Si à la température ambiante)
Définitions
Un semi-conducteur où les donneurs sont majoritaires est dit « semi-conducteur n ».
Un semi-conducteur où les accepteurs sont majoritaires est dit « semi-conducteur p ».
Définition
La mobilité d’un porteur de charge libre (électron ou trou) est le rapport de sa vitesse v au
champ électrique E qui lui est appliqué :
v =
µ
E
Ordre de grandeur à connaître par cœur : dans le silicium à la température ambiante
µ
p
500 cm2 V-1 s-1
µ
n
1000 cm2 V-1 s-1
II. TRANSISTORS MOS
1) Généralités
Transistors NMOS et PMOS
Dans un transistor NMOS en fonctionnement normal, un courant d’électrons est sus-
ceptible de passer dans le canal, de la source vers le drain.
Dans un transistor PMOS en fonctionnement normal, un courant de trous est suscep-
tible de passer dans le canal, de la source vers le drain.
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Figure 1
Figure 2
Propriété fondamentale des transistors MOS
Le passage du courant entre le drain et la source est commandé par la tension grille-
substrat et par la tension drain-source (Figure 3).
Sens conventionnel du courant :
! Transistor NMOS : Ids > 0
! Transistor PMOS : Ids < 0
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Régimes de fonctionnement
Un transistor MOS peut être
en régime bloqué,
en régime actif (Figure 4).
Si le transistor est en régime actif, il peut être (voir section II.4)
en régime actif linéaire,
en régime actif saturé.
Figure 3
2) Polarisation du substrat
Pour que le transistor fonctionne normalement, il faut s'assurer que les diodes source-
substrat et drain-substrat ne sont jamais polarisées en direct.
Très souvent, le substrat est connecté à la source, pour les NMOS comme pour les
PMOS (Figure 5).
3) Transistors à enrichissement et à appauvrissement
Propriétés (Figure 6)
Un transistor à enrichissement est bloqué (canal non conducteur) si VGS = 0.
Un transistor à appauvrissement est actif (canal conducteur) si VGS = 0.
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Figure 4
Figure 5
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