révision de PHYSIQUE ATOMIQUE ET ELECTRONIQUE

révision de
PHYSIQUE ATOMIQUE ET
ELECTRONIQUE
par Pierre Cornélis, ON7PC rue J. Ballings, 88 1140 Bruxelles
1. Introduction
La physique est la science qui à pour objet l’étude des propriétés générales des corps et des lois qui tendent
à modifier leur état ou leur mouvement sans modifier leur nature. L’électricité et l’électronique sont deux
branches de la physique.
L'électron, particule élémentaire d'électricité négative, est le constituant de tous les atomes. Le courant
électrique est une déplacement d'électrons. L'électronique utilise les phénomènes de conductions dans le
vide, dans les gaz et dans les semi-conducteurs.
C'est pourquoi les notions de physiques moléculaire et électronique sont si importantes pour les
radioamateurs.
Bien que le titre de ce chapitre soit un peu prétentieux, nous n'avons certainement pas l'ambition de vouloir
plonger dans les détails des théories très complexes de la physique atomique et électronique, mais nous
sommes convaincu qu’il est intéressant de dissocier cette théorie de la matière générale de l'examen de
radioamateur et d’aller un peu plus loin que la simple introduction que l’on fait habituellement en commençant
les cours d’électricité ou d’électronique pour radioamateur
2. Notion de molécule
2.1. La matière n'est pas divisible à l'infini.
Une molécule d'un corps pur est la plus petite quantité de ce corps susceptible d'exister à l'état libre.
2.2. Le nombre d'Avogadro est le nombre de molécules contenues dans une môle
Une môle est la quantité représenté par une formule chimique. La masse correspondante est appelée
masse molaire. Par exemple la masse molaire du CO2 vaut 12 (2 x 16) = 44 g. Les moles des différents
corps purs contiennent toutes le même nombre N de molécules. Ce nombre N est appelé nombre d'Avogadro
23
23
-23
et vaut N = 6,02 10 molécules. Dés lors la masse moléculaire du CO2 vaut 44 / 6,02 10 = 7,3 10 g .
2.1.3. Les molécules sont formés d'atomes
L'atome est la plus petite partie d'un corps simple susceptible d'entrer dans les combinaisons chimiques. Un
23
atome gramme contient 6,02 10 atomes.
2.1.4. La température traduit l'énergie mécanique des atomes ou des molécules.
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3. Théorie cinétique des gaz
Cette théorie fournit des résultats très importants qui sont exploités dans les tubes électroniques à vide :
3.1. Le chaos moléculaire
Les gaz sont beaucoup plus compressibles que les solides et les liquides, et leur masses spécifiques sont
également beaucoup plus faibles. Il faut donc admette que les molécules des gaz sont beaucoup plus
éloignées entre elles que les molécules des solides et de liquides. Le mélange de deux gaz, la diffusion
d'un gaz à travers une paroi poreuse, l'existence sur les parois d'un récipient d'une poussée que l'on ne peut
attribuer à la pesanteur, ne peuvent s'expliquer que par des mouvements de translation et l'énergie cinétique
des molécules. Les molécules d'un gaz sont animées de mouvements incessants (agitation thermique)
et n'ont d'action entre elles qu'au moment de leur chocs. Chaque molécule se déplace en ligne droite
jusqu'au choc suivant; sa trajectoire est une ligne brisée. Cet état de désordre d'un gaz est appelé chaos
moléculaire. La pression p exercée sur la paroi d'un récipient est proportionnelle au nombre de chocs par
unité d'aire et de temps, c'est-à-dire au nombre n de molécules par volume. En diminuant le volume du gaz,
on augmente n et la pression doit augmenter : on retrouve ici la loi de Mariotte (" pv = constante").
3.2. L'énergie cinétique moyenne d'une molécule
Cette énergie cinétique est proportionnelle à la température absolue du gaz. L'énergie cinétique
2
moyenne vaut 1/2 m v² où v représente la vitesse quadratique moyenne c'est-à-dire v² = Σ vi / n . On peut
démontrer que cette énergie cinétique moyenne vaut aussi 3/2 k T où k est la constante de Boltzmann et vaut
-23
1,38 10 joule/degré et où T est la température absolue (en degré Kelvin). Comme cette énergie cinétique
est la même pour tous les gaz, on en déduit que les vitesses quadratiques moyennes sont inversement
proportionnelles à la racine carrée de la masse moléculaire.
Le libre parcours moyen est la distance parcourue en moyenne par une molécule entre deux chocs
successifs contre d'autres molécules. Le libre parcours moyen vaut l = 1 / ( √ 2 π n d²), il est donc
inversement proportionnel à la pression des gaz et au carré du diamètre de la molécule. Exemple : Soit de
8
l'argon à 0°C et sous une pression de 1mm Hg , le diamètre moléculaire du Hg est de 3,6 10 cm , 22400 cm³
23
23
16
de gaz renferment 6,02 10 molécules de gaz fonc à 0°C n = 6,02 10 / 22400 x 760 = 3,54 10 molécules
16
-8
par cm³ d'où l = 1 / ( √ 2 π n d²) = 1 / √ 2 π (3,54 10 ) (3,6 10 )² = 0,0048 cm = 48 µ
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4. L'électron
ème
Ce n'est qu'au 18
siècle que les phénomènes magnétiques et électrostatiques connus depuis l'antiquité
ont fait l'objet de grandes découvertes . Notons au passage quelques dates importantes:
•
•
distinction de l'électricité positive et négative (1730)
lois de Coulomb sur les attractions et les répulsions des charges électriques (1780)
ème
Ce n'est qu'au 19
siècle que s'édifie l'œuvre fondamentale avec :
• la découverte de la pile par Volta en 1800, et l'étude du courant électrique,
• la découverte du champ magnétique produit par le courant par Oersted en 1819
• l'édification de l'électromagnétisme par Ampère en 1820
• la découverte de l'induction magnétique par Faraday en 1831
• la loi d'Ohm en 1826
• les lois de l'électrolyse par Faraday en 1833
• la loi de Joule en 1841
ème
Plus tard au cours de la seconde moitié du 19
siècle :
• Maxwell édifie une théories générale des phénomènes électromagnétiques (ce sont les équations de
Maxwell en 1865),
• Helmoltz explique (1881) les phénomènes de l'électrolyse par des structure discontinue de l'électricité,
• On réussit à extraire les électrons de la matière (rayons cathodiques et émission photoélectronique)
• On découvre les ondes hertzienne (1890), puis les rayons X (1895) et la radioactivité (1896)
ème
Au cours de 20
siècle on fait une grande synthèse (Einstein) .
4.1. Les lois de l'électrolyse impliquent la structure discontinue de l'électricité
D'après Faraday, la quantité d'électricité qui traverse un électrolyte et la masse du métal déposé sont
proportionnelles. Helmoltz (1881) explique cela en disant que chaque atome du métal apporte à la cathode
une charge électrique bien déterminée. La théorie des ions d'Arrhénius (1887) explique ce résultat par le fait
que la charge d'un ion est un multiple entier d'une charge élémentaire. L'électricité a donc une structure
discontinue. Le "grain d'électricité" est nommé électron par l'irlandais Stoney.
4.2. Les rayons cathodiques sont formés d'électrons lancés à grande vitessse
Si l'on applique une tension élevée à deux électrodes placées dans un gaz "suffisamment raréfié", la cathode
émet un rayonnement qui se propage en ligne droite, et excite la fluorescence de certaines substances et qui
échauffe les corps rencontrés (ce sont les expériences de Hittorf 1868, Goldstein et Crookes 1879).
C'est l'expérience du tube de Crookes qui va permettre de donner une explication : Les rayons cathodiques
d'un tube de Crookes :
• chargent négativement un cylindre de Faraday, mais n'y déposent aucune matière,
• ils sont attirés par les corps chargés positivement et repoussés par les corps chargés négativement; ils
sont donc déviés par le champ électrique,
• les rayons cathodiques sont déviés par un champ magnétique comme le serait un courant ayant la même
direction, mais en sens inverse,
• les rayons cathodiques se propagent à la vitesse de quelques dizaines de milliers de kilomètres par
seconde (J.J. Thomson 1897)
Ces propriétés s'expliquent en admettant que les rayons cathodiques sont formés de grains d'électricité
négative sans support matériel.
4.3. Millikan mesure avec précision la charge de l'électron (1909)
Millikan a fait l'expérience suivante : il suivait, à l'aide d'un microscope, le mouvement d'une petite gouttelette
d'huile, obtenue par pulvérisation, entre les plateaux d'un condensateur. En l'absence de tension U, la vitesse
de chute permet de connaître le poids p de la gouttelette. Dés qu'on charge la gouttelette d'une quantité
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d'électricité q, il apparaît une force f = q E où E est le champ électrique et vaut E = U/d. Suivant la valeur de
U, la gouttelette descend ou monte, ou reste immobile. Lorsque la gouttelette est équilibrée p = q E. Partant
du fait que toutes les charges ainsi déterminées sont des multiples entiers de la plus petite d'entre elle,
Millikan eu l'idée de faire un relevé précis sur des milliers de gouttelettes d'huile, puis de chercher la valeur
-19
de la charge de l'électron, il obtint ainsi e= 1,602 10 coulomb .
Les mesures de Millikan constituent les meilleures déterminations du nombre d'Avogadro. En effet 96490
coulombs représentent la charge d'une valence-gramme d'un métal, c-à-d de N ions monovalents ou encore
-19
23
de N électrons, par conséquent N = 96490/1,602 10 = 6,02 molécules par mole.
4.4. L'électron est un constituant universel de la matière
Dans les tubes cathodiques, des cathodes faites de différents métaux émettent des rayons cathodiques
identiques. D'autres phénomènes tels que l'émission thermoélectronique, l'émission photoélectrique, la
radioactivité β … correspondent aussi à l'émission d'électrons par les divers éléments, même électriquement
neutres : les électrons entrent donc dans la constitution de tous les atomes; on dit encore que l'électron est
un des constituants universels de la matière.
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5. Constitution des atomes
5.1. Un atome n'est pas une "bille pleine" …
Dans un solide, les atomes ne laissent pas entre eux d'intervalles, comme dans les gaz; pourtant, les rayons
α des corps radioactifs traversent les plaques métalliques minces. Ces rayons α sont constitués de particules
chargées positivement et de même masse que l'atome d'hélium (Rutherford 1902). L'expérience nous oblige
à admettre que les rayons α traversent les atomes : un atome n'est donc pas rempli de matière.
5.2. L'atome referme des charges électriques positives
Nous avons vu que tous les atomes renferment des électrons ; la charge électrique totale d'un atoime étant
nulle, il faut donc que les charges négatives des électrons soient compensées par des charges positives. Il
doit donc exister au centre de l'atome une charge positive (Rutherford 1911).
5.3. Dans un atome il y a deux régions : le noyau et un nuage d'électrons
Chaque atome est constitué par un noyau central et Z électrons. Ce nombre Z est appelé nombre atomique.
Le noyau
• porte une charge positive Ze de sorte que l'atome est électriquement neutre;
• représente la quasi totalité de la masse de l'atome; la masse de l'atome augmente avec le nombre
atomique. ce phénomène traduit l'accroissement du nombre de particules (protons et neutrons) qui
constituent les noyaux ;
• n'occupe qu'un volume négligeable par rapport au volume total de l'atome. Le noyau est donc
extrêmement dense
• est responsable des phénomène de radioactivité; les rayonnements émis par les corps radioactifs
transportent de l'énergie libérée lors de la réorganisation interne explosive des noyaux qui expulsent suivant
leur nature,
• des noyaux d'hélium (rayonnement α );
• des électrons (rayonnements β )
• des photons (rayonnements γ ). Il existe environ 300 noyaux stables et 1000 noyaux radioactifs
Les électrons sont disposés autour du noyau et à une certaine distance :
Ils sont attirés par le noyau (charges de signes contraires),
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6. La physique thermoïonique
La physique thermoïonique est celle qui aura les tubes électroniques comme application fondamentale.
La diode à vide est le plus simple et le plus ancien des tubes électroniques. Il a permis d'étudier l'émission
d'électrons par des corps incandescents et de mettre au point les différents types de cathodes. La diode
constitue le point de départ de nombreux autres tubes.
6.1. L'émission thermoélectronique
En 1883, Thomas Edison, en étudiant les premières lampes électriques à incandescence, y introduisit une
plaque métallique (P) et fit les constatations suivantes :
• le courant I est dirigé, dans le vide, de la plaque vers le filament (F) chauffé (sens conventionnel du
courant du + vers le -)
• le courant I disparaît si la plaque est négative par rapport au filament,
• le courant I disparaît aussi, si l'on cesse de chauffer le filament.
Du fait que ce montage ne laisse passer le courant que dans un
seul sens, on l'a bien vite assimiler à une soupape, la diode est
d'ailleurs parfois appelée "valve" en anglais, et certains auteurs
ont même utilisé le terme "soupape" en français, mais le terme
correct est diode ou diode à vide.
Edison montra ainsi qu'un filament incandescent émet autour de
lui des charges négatives qui atteignent une plaque à travers le
vide de l'ampoule. Cette expérience fut confirmée par J.J.
Thomson en 1892, et en 1901 Richardson identifia ces charges
négatives à des électrons.
Si on supprime la source de tension, la plaque et le filament sont
au même potentiel, on constate toutefois l'existence d'un courant beaucoup plus petit que si l'anode est
positive, mais de même sens. Par conséquent on peut dire que l'émission d'électrons n'est pas due à
l'attraction des électrons par la plaque.
On peut faire une autre expérience, c.-à-d. maintenir la tension de la plaque constante et faire varier le
courant de chauffage : on constate alors que le courant anodique varie avec la température du filament.
L'émission d'électrons est donc due à la température du filament c'est pourquoi on l'appelle émission
thermoélectronique.
Les premières expériences étaient faites à partir de lampes à incandescence, mais pour atteindre des
rendements élevés sans destruction du filament on est conduit à utiliser d'autres matériaux. On emploie
presque exclusivement le tungstène, le tungstène thorié (tungstène avec 1 à 2% d'oxyde de thorium) et des
mélanges d'oxydes de baryum et de strontium.
révision de PHYSIQUE ATOMIQUE ET ELECTRONIQUE - p 6/15 - 23/02/00
Les faits précédents ont permis d'élaborer une théorie dont
voici les grands résultats :
• dans un métal, même électriquement neutre, il existe un
grand nombre d'électrons libres qui s'agitent entre les ions
positifs à la façon des molécules d'un gaz.
• lorsqu'un électron sort du métal, les ions positifs voisins
exercent une force de rappel sur cet électron. Le travail de
cette force est appelé travail d'extraction, il varie en
fonction du métal et est indépendant de la température. Le
travail d'extraction est l'énergie minimale qu'il faut
communiquer à l'électron pour qu'il puisse être arraché du métal, donc pour qu'il puisse quitter le métal. Le
travail d'extraction du tungstène (W) est de 4,5 eV, celui du tungstène thorié est de 2,7 eV.
Rappel : l' électron-volt est l'énergie communiquée à l'électron par une tension d'accélération d'un volt : 1 e V
-19
= 1,6 10 joule
• à température ordinaire, la vitesse d'agitation thermique des électrons est trop faible pour pouvoir quitter
le métal. Mais cette vitesse d'agitation thermique croît extrêmement vite avec la température. A température
élevée les électrons possèdent donc une énergie cinétique qui peut dépasser le travail de sortie : il peut y
avoir émission thermoélectronique.
• le potentiel de sortie peut être considéré comme la différence de potentiel de contact métal-vide. Le métal
est positif par rapport au vide situé à son voisinage immédiat. On dit encore qu'il existe à la surface du métal
une barrière de potentiel que les électrons doivent franchir pour quitter le métal.
métal
Ws (en eV)
Li
2,2
Na
1,9
K
1,8
Cs
1,8
Ca
3,2
Ba
2,4
Mg
3,5
Al
3,0
Zn
3,4
Fe
4,7
Ni
5,0
Mo
4,4
Hg
4,5
Ag
4,7
Au
4,9
Puisque nous avons parlé de l'histoire, nous avons conservé le terme "plaque", mais comme la plaque est
portée à un potentiel positif on préfère utiliser un terme plus scientifique : l' anode. L'autre électrode est par
conséquent la cathode, et on peut distinguer deux cas :
• soit le filament qui sert en même temps d'électrode négative, c'est en fait la cathode à chauffage direct,
• soit le filament peut chauffer un autre métal qui lui-même émettra les électrons, on parle alors de cathode
à chauffage indirect.
6.2. La courbe caractéristique de la diode
On peut tracer la courbe caractéristique d'une
diode, c'est-à-dire la courbe Ia (V a). Si
maintenant on trace la même courbe pour un
courant filament plus important, on constate que
la première partie de la courbe reste commune.
Donc pour des tensions faibles, le courant ne
dépend pas de la température, il dépend
seulement de la tension anodique. Dans cette
zone, le courant suit la loi de Child-Langmuir :
I a = G Va
3/2
où G est une constante appelée pervéance et
est une caractéristique de la géométrie de la
diode.
Si la tension anodique est faible, l'anode capte seulement une partie des électrons émis; les autres
retournent dans la cathode, tandis que d'autres électrons en sortent au même instant. Il existe constamment
entre la cathode et l'anode un essaim d'électrons. Cette charge négative est appelée la charge d'espace.
Les courbes caractéristiques IA (V a) montrent que le courant n'augmente plus lorsque la tension anodique
dépasse une certaine valeur : la diode fonctionne alors en régime de saturation. Le courant de saturation
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correspond au nombre total d'électrons émis par la cathode par seconde, c.-à-d. au pouvoir émissif de la
cathode.
La résistance interne d'une diode est représentée par l'inverse de la pente de la caractéristique et varie avec
le point de fonctionnement choisi : Ri = ∆Va / ∆ Ia
6.3. Rôle de la température
Donnons à Va une valeur fixe assez grande et faisons varier la température de la cathode. Traçons Is en
fonction de If On constate une rapide variation de l'émission thermoélectronique en fonction du chauffage If .
Il pourrait sembler avantageux de faire travailler les cathodes à la température la plus élevée permise par
leurs propriétés mécaniques et physiques (fusion, émission de vapeur) afin d'obtenir un fort pouvoir émissif.
Mais la durée de vie varie en raison inverse de la température.
Une faible variation de température provoque une importante variation de l'émission et de la durée de vie du
tube : la tension de chauffage indiquée par le constructeur doit être respectée avec une tolérance de ± 5%.
Les cathodes les plus avantageuses ne sont pas nécessairement celles qui possèdent le travail d'extraction
le plus faible.
Richardson et Dushmann ont établi l'équation de la courbe qui donne la densité du courant d'émission :
-b/T
Js = A T² e
avec
Js
A
T
e
b
T
la densité du courant en A/cm²
une constante universelle ( 120 A/ cm² (°K)²)
la température absolue de la cathode
la base des logarithmes népériens ( e = 2,718...)
constante caractéristique de la nature de la cathode
la température absolue de la cathode.
Cette loi est la base fondamentale de l'émission thermoélectronique.
6.4. Types de cathodes
Les tubes à cathode chauffée constituent la catégorie la plus nombreuse des tubes électroniques (soupape à
vide et à gaz, tubes amplificateurs et oscillateurs, thyratrons, tubes à rayons cathodique, etc.).
Les propriétés de ces tubes dépendent fortement de leur cathode. Il en est de même de leur durée de vie ; ils
sont mis hors service par une baisse notable de leurs performances due à l'affaiblissement progressif de
l'émission.
Une cathode doit avoir un pouvoir émissif élevé, avoir une durée de vie suffisante, un bon rendement
(nombre d'ampères émis par watt dépensé pour le chauffage), une résistance mécanique élevée, une
résistance aux bombardements par les ions positifs, une très faible tension de vapeur afin de ne pas
contaminer les autres électrodes.
A
b
Vs (V)
tungstène
≈ 60
5260
0
4,4
4,6
à 2200
2400
à 1
rendeme
nt
(A/W)
0,005
tungstène thorié
3 à 15
3050
0
2,6
2,9
à 1500
1700
à 2
0,07
à 1160
0
0,8
1,2
à 700 à 950
cathodes
oxydes
-3
à 10
1
t° (°C)
Js
(A/cm²)
0,5
0,2
usage
diodes et triodes à haute
tension ou de grande
puissance.
tubes
à
rayons X. durée de vie
1000 à 1500 heures
Tubes
de
moyenne
puissance. durée de vie
de 10.000 heures.
Tubes
de
petite
puissance et à faible
tension.
Radio,
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cathodes
diffusion
à 1 à 15
1,6 à 2
1000
1200
à 300
(en
impulsions)
10
amplificateurs,... Tubes à
gaz à cathode chauffée
Tubes modernes pour
hyperfréquences. Tubes
de puissance.
révision de PHYSIQUE ATOMIQUE ET ELECTRONIQUE - p 9/15 - 23/02/00
7. La physique des semi-conducteurs
7.1. Définition d'un semi-conducteur
Les éléments chimiques, ainsi que leurs composés et leurs mélanges, ont été classés par les physiciens en
bon et en mauvais conducteur de l'électricité.
Après avoir fait ce classement on s'est aperçu que les bons conducteurs ont la propriété de posséder plus de
4 électrons de valence. Pour rappel, les électrons de valence sont ceux qui gravitent sur les couches les plus
éloignées du noyau et qui participent aux liaisons chimiques.
La densité en électrons libres est de l'ordre de 10
-6
-5
est de l'ordre de 10 à 10 ohms cm .
22
23
à10
électrons libre par centimètre cube et la résistivité
Les isolants, quant à eux possèdent moins de quatre électrons de valence et la résistivité est de l'ordre de
16
19
10 à 10 ohms cm.
Nous avons parlé des
éléments à plus de 4
électrons de valence
(les métaux), et de
ceux de moins de 4
électrons de valence
(les isolants), mais quid
des corps qui ont 4
électrons de valence
alors ? Et bien ce ceux
eux précisément que
l'on va appeler l e s
semi-conducteurs,
leur résistivité varie de
-3
7
10 à 10 ohms cm.
Les deux principaux
matériaux
semiconducteurs qui nous
intéressent sont le germanium (Ge) et le silicium (Si), ils ont donc cette propriété d'avoir 4 électrons
périphériques ou électrons de valence. Chaque atome met donc en commun ces 4 électrons avec les 4
atomes les plus proches pour former une structure cristalline appelée système cubique-diamant (voir figure) .
Le fait de mettre deux électrons en commun s'appelle un lien covalent.
La figure ci-dessus représente de façon imagée la structure dans un système à 3 dimensions, pour les
explications qui vont suivre, une telle représentation est peu commode, nous allons donc "aplatir" cette
représentation et représenter les phénomènes dans un plan ...
Au voisinage de 0°K (-273°C), aucun électron n'est libre et la résistivité est élevée, mais lorsque la
température augmente, la conductibilité apparaît. Cette propriété fut découverte en 1833 par Faraday sur
l'oxyde de cuivre, la découverte des semi-conducteurs est dont antérieure à celle des tubes ! Pendant un
certains temps d'ailleurs on a fabriqué des redresseurs à oxyde de cuivre, principalement utilisé dans les
chargeurs de batteries et dans les alimentations. Mais cela appartient au passé car les diodes au silicium
sont de loin plus performantes.
Une propriété importante des corps est l'énergie nécessaire pour rompre une liaison de valence et donc pour
libérer un électron, cette énergie est
• pratiquement nulle pour les métaux, les électrons sont donc relativement libres
• de plusieurs électronvolts pour les isolants
• de l'ordre de un électronvolt pour les semi-conducteurs (1,1eV pour le silicium et de 0,7eV pour le
germanium).
révision de PHYSIQUE ATOMIQUE ET ELECTRONIQUE - p 10/15 - 23/02/00
7.2. Conductibilité intrinsèque
Lorsque la conductibilité a lieu normalement au sein d'un semi-conducteur pur, on parle de conduction
intrinsèque ( = "au dedans"). La conductibilité intrinsèque a lieu parce qu'il y a des électrons libres et qu'une
différence de potentiel les oblige à se mouvoir dans une direction.
Les atomes peuvent être excités par une énergie suffisante (température, lumière, rayonnement nucléaire)
certains électrons périphériques peuvent acquérir une énergie supérieure à celle qui les maintient en liaison,
et ces électrons peuvent donc être libérés. Lors de la conduction intrinsèque un électron est ainsi libéré, mais
à la place qu'il vient de quitter, l'électron laisse un vide appelé "trou" ou "lacune".
Ce trou peut soit capturer un électron libre et il y aura recombinaison, ou encore, le trou peut capturer un
électron d'une liaison voisine, le trou peut donc changer de place.
L'électron et le trou sont libres. Le sens de déplacement des électrons est donc opposé à celui des trous et
l'exemple le plus souvent cité consiste à imaginer une rangée de sièges et des spectateurs, un siège est libre
et le spectateur se déplace en prenant chaque fois le siège libre à côté de lui, le spectateur et le siège libre
se déplacent en sens inverse...
FIGURE 3.
révision de PHYSIQUE ATOMIQUE ET ELECTRONIQUE - p 11/15 - 23/02/00
7.3. Conductibilité par dopage
Par opposition à la conductibilité intrinsèque, il existe aussi la conductibilité extrinsèque, celle-ci est due à
des impuretés que l'on ajoute dans le système. La conductibilité des semi-conducteurs peut être fortement
modifiée par l'introduction de ces impuretés. Cette opération s'appelle le dopage ou la contamination.
Pour pouvoir doper un semi-conducteur, il faut que le rayon ionique de l'élément dopeur soit voisin de celui
du semi-conducteur (environ 5,5 Å), en d'autres termes il faut que l'atome puisse "entrer" dans la structure
cristalline.
8
Une proportion d'impuretés négligeable (de l'ordre d'un atome d'impureté pour 10
conducteur pur) à une influence énorme sur la conductivité.
atomes de semi-
Si on dope un semi-conducteur avec un élément pentavalent (5
électrons de valence), quatre électrons seront utilisés dans les
liaisons avec les atomes du semi-conducteur, tandis que le
cinquième électron restera libre, car il est faiblement lié au
réseau.
On dit que les éléments pentavalents sont des donneurs
d'électrons et que la conductibilité est du type n. L'atome
donneur antérieurement neutre, se voit privé d'une charge
négative (qui est libre) et il devient donc un ion positif lié au
cristal.
L'antimoine (Sb), l'azote (N), l'arsenic (As) et le phosphore (P)
sont des donneurs d'électrons.
Par contre si on dope un semi-conducteur avec du bore (B), de
l'aluminium (Al), du gallium (Ga) ou de l'indium (In), qui n'a que
3 électrons de valence, il y a un électron trop peu ou un trou de
trop.
On dit que ces éléments trivalents sont accepteurs et il en
résulte une conductibilité du type p. L'atome accepteur,
antérieurement neutre se comporte à présent comme un ion
négatif lié au cristal.
révision de PHYSIQUE ATOMIQUE ET ELECTRONIQUE - p 12/15 - 23/02/00
7.4. Mécanisme complet de la conductibilité
Au fait la conductibilité intrinsèque et la conductibilité par dopage n'ont pas lieu séparément, mais elles ont
lieu simultanément, et on pourrait dresser le bilan complet du mécanisme pour le type n:
type n





dopage par atome pentavalent






Conduction intrinsèque
ion donneur lié



électron libre
électron libre
trou libre
majoritaires
minoritaires
on remarque que dans un semi-conducteur du type n, les électrons libres sont majoritaires alors que les trous
libres sont minoritaires. Et d'une façon similaire, on pourrait dresser le bilan pour le type p:
type p





dopage par atome trivalent
Conduction intrinsèque



ion accepteur lié



trou libre
trou libre
électron libre



majoritaires
minoritaires
on remarque que dans un semi-conducteur du type p, les trous libres sont majoritaires alors que les électrons
libres sont minoritaires.
Lorsque dans un semi-conducteur, on passe d'un région du type n vers une région de type p on crée une
jonction p-n .
7.4. La jonction P-N
Considérons donc provisoirement la formation d'une jonction p-n comme étant le fait de mettre deux cristaux
(un du type p, et un de type n) ensemble. En réalité, la fabrication d'une jonction p-n n'est pas un simple
accolement, mais un processus chimique complexe et délicat.
L'électron libre est représenté par un - , le trou libre par un +, l'électron lié par un
et enfin le trou lié par un
Juste avant accolement nous avons ...
dés qu'il y a accolement, les trous libres et majoritaires du cristal p vont être attirés par les électrons libres et
majoritaires du cristal n, c'est le phénomène de diffusion.
Les trous libres et les électrons libres vont se recombiner et se neutraliser, il apparaît donc une zone de
diffusion qui est neutre qui ne comporte que des électrons liés (dans le type p) et des trous libres (dans le
type n), ces charges vont créer une barrière de potentiel (autrement dit un champ électrique) qui va
empêcher la continuation de la diffusion.
Si nous relions le région p à la borne positive d'une source de tension et la région n à la borne négative, la
région n recevra des électrons et s'opposera moins à la diffusion des électrons vers la région p, la diffusion
est donc facilitée et la jonction conduit.
Si la région p est reliée à la borne négative, elle devient d'avantage positive, et la diffusion est pratiquement
supprimée, la jonction est bloquée.
MOUNIC SC T1 p 21
Au fait la jonction exercera sur un électron qui l'aborde une force dirigée de p vers n, si cet électron provient
• de la région n (ou il était majoritaire), il sera donc renvoyé (... à moins que son énergie soit suffisante ...)
révision de PHYSIQUE ATOMIQUE ET ELECTRONIQUE - p 13/15 - 23/02/00
•
de la région p (ou il était minoritaire), il sera propulsé dans la région n
et de même, la jonction exercera sur un trou qui l'aborde une force dirigée de n vers p.
7.5. L'effet transistor
Si nous accolons trois cristaux respectivement de type n ,
p et n , la concentration en trous du cristal p étant
supérieure à celle du cristal n, les trous vont tendre à
diffuser vers la zone n. De la même manière, les électrons
vont tendre à diffuser vers la zone p. Aux environs
immédiats de la jonction il y aura neutralisation des
charges, la disparition de trous de la zone p va rendre
celle-ci négative et la disparition des électrons de la zone
n va rendre celle-ci positive. Il en résulte l'apparition d'une
différence de potentiel de contact ou barrière de potentiel.
Cette barrière de potentiel empêche la diffusion de se
poursuivre.
Les phénomènes décrits sont illustrés ci-contre.
On imagine d'abord les trois cristaux séparés, puis
l'accolement des trois cristaux, puis la diffusion, puis la
neutralisation des charges et la formation de la barrière de
potentiel. Mais on peut supprimer de cette représentation
les porteurs liés (ceux qui ne donnent pas lieu à une
conduction) à l'exception de ceux au voisinage des
jonctions.
révision de PHYSIQUE ATOMIQUE ET ELECTRONIQUE - p 14/15 - 23/02/00
Arrêtons nous un instant.... tous ces mécanismes sont très jolis, me direz-vous, mais à quoi bon se mettre
tout cela en tête, ai-je vraiment besoin de cela pour savoir comment fonctionne mon récepteur ou mon
émetteur ? Eh bien oui! il faut comprendre tous ces mécanismes car ils sont à la base de l'électronique des
semi-conducteurs.
C'est grâce à ces mécanismes nous allons pouvoir expliquer la courbe caractéristique d'une diode, expliquer
pourquoi le courant direct croît d'une façon exponentielle avec la température, etc... et plus tard nous
expliquerons le transistor.
Au fait, il faut être conscient du fait qu'au delà de toutes les diodes, les transistors, les amplis opérationnels
ou les microprocesseurs, que nous utilisons se cache le génie d'un chimiste qui aura purifié les semiconducteurs, les aura dopés, et aura fabriqué des jonctions, sans chimiste l'électronique n'existerait pas.
Songez aussi un instant, rien qu'un instant, que tous ces mécanismes se déroulent sans que vous vous en
préoccupiez ! Avant de passez à la suite assurez vous donc d'avoir convenablement assimilé les notions
décrites ci-dessus ...
Ce cours est un service de l' UBA. Il est disponible sur le site internet sous
http://club.euronet.be/on7pc.
Vous pouvez l'utiliser
• pour préparer l'examen de radioamateurs en travaillant comme autodidacte,
soit en Belgique, soit dans un autre pays francophone,
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Mais Il est strictement interdit de l'utiliser à d'autre fins et notamment à des fins
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révision de PHYSIQUE ATOMIQUE ET ELECTRONIQUE - p 15/15 - 23/02/00