I_ Introduction à la physique des semi

Chapitres
I_
II_
III_
IV_
V_
VI_
VII_
VIII_
IX_
X_
XI_
Introduction à la physique des semi-conducteurs
Les diodes
Le transistor Bipolaire
la fonction amplification
l’amplificateur opérationnel Idéal
Le transistor bipolaire en amplificateur
Les transistors à effet de champ à jonction (JET)
Amplificateur et systèmes amplificateurs
Le transistor en commutation
Oscillateur et générateur en fonction
Circuits électronique pour la conversion de données
Références Bibliographiques :
_ Principes d’Electronique (3E édition)
A.P. Malvino
Ediscience International
_ Micro Electronique
J.Millman & A. Gabel
Mc Graw-Hill
_ Electric Circuits (4E Edition)
James W.Nilson
Adisson Wesley
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Chapitre I :
Physique des Semi-conducteurs
I_ Les métaux :
Introduction :
_ un semi-conducteur est un solide dont :
 la résistivité >> à celle d’un bon conducteur (1m/cm)
 la résistivité << à celle d’un bon isolant (1M/cm)
_ grande variation de la résistivité :
 un semi-conducteur peut passer de l’état d’isolant à l’état de conducteur
1) Structure atomique d’un métal :
_Cf fig 1_1 et fig 1_2
La bande de valence de l’électron de valence est en partie confondu avec la
bande de conduction.
Un conducteur n’a pas de bande interdite entre la bande de valence et la
bande de conduction. Ces 2 bandes se chevauchent et le déplacement des électrons
de valence entre les 2 bandes est faible.
L’électron de valence est aussi appelé électron libre (c’est lui qui génère le
courant dans un métal)
_Cf fig 1_3
+
= modèle d’un atome de cuivre.
Dans un conducteur soumis à aucune source d’énergie le courant moyen est
nul. (il y a autant d’électrons qui traversent la section de la gauche vers la droite que
de la droite vers la gauche)
2) Conduction dans un métal :
_ Cf fig 1_4 : Polarisation d’un barreau métallique
Si on applique une différence de potentiel (ddp) aux bornes d’un barreau
conducteur, on crée un champ électrostatique orienté dans le sens des potentiels
décroissants.
_ Cf fig 1_5
V en Volts
E= -dV / dx
x en m
E en V/m
Les électrons se déplacent dans le sens inverse du champ électrique E. Pour
maintenir la ddp nécessaire à la création du champ électrique E, il faut fournir une
énergie qui fait passer les électrons de la borne + à la borne – du générateur.
Chaque électron est soumis à la force :
F = -e * E
e = 1.6*10^-19 Cb (charge d’un électron)
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Les électrons se déplacent à la vitesse :
Vd = *E
 : mobilité des électrons en (m² / V *s)
L’intensité du courant qui traverse la section S d’un conducteur est égale à la
quantité de charge qui traverse cette section par unité de temps.
I = n.e.S.Vd = n.e.S..E
n.e = quantité de charges qui va traverser S
n = nombre d’électrons par unité de volume
unité de I : A (ampères) ou Cb /s (Coulombs par seconde)
S en m²
On en déduit la densité de courant.
J = I/S = n.e..E =  . E
 : conductivité du milieu en (.m)^1
 = n.e.
On définit la résistivité :
 = 1/ 
 en  .m
Résistance d’un conducteur :
Si la tension V crée un champ E constant (E = V/l)
On a : I = .S.E
I = .S. V/l
V = l.I
.S
R = V = 1 = .l
I
.S
S
 = résistivité
l = longueur de l’échantillon métallique
S = section
Résistivité du cuivre :  = 1,7 .cm
II_ Les semi-conducteurs :
_ Germanium (Ge)
_ Silicium (Si)  le plus utilisé
_ Arséniure de Gallium
_ Phosphure d’Indium
apparition récente
_ semi-conducteurs S = solides dont la conductivité à t° ambiante est comprise entre
celle d’un conducteur et celle d’un isolant
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On distingue 2 types de semi-conducteurs
_ semi-conducteur intrinsèque (pur)
_ semi-conducteur extrinsèque (dopé par une impureté)
1) semi-conducteurs intrinsèques :
Un semi-conducteur intrinsèque est un cristal constitué par des atomes qui
possèdent 4 électrons de valence.
( ex : germanium (Ge), Silicium (Si) ...)
_ Cf fig 1_6 et fig 1_7
isolant : Wg = 7eV
Germanium : Wg = 0,75 eV
Silicium : Wg = 1,12 eV
a) structure cristaline :
_ Cf fig 1_8
Chaque atome est entouré par 4 atomes. La liaison de covalence permet la
mise en commun de 2 électrons de valence.
Chaque atome est donc entouré de 8 électrons de valence ce qui donne une
configuration stable à la structure cristalline.
b) conduction dans un semi-conducteur intrinsèque
A la température T = 0°K (-273°C) (zéro absolu) un semi-conducteur est un
isolant parfait.
A la température ambiante, un semi-conducteur est légèrement conducteur.
_ Cf fig 1_9
Dès qu’un électron quitte la bande de valence pour aller dans la bande de
conduction, il y a création d’un trou dans la bande de valence.
_ Cf fig 1_10
Dans un semi-conducteur intrinsèque, il y a autant d’électrons libres que de
trous.
_ Cf fig 1_11 : Polarisation d’un semi-conducteur
Le courant électrique physique est constitué par un double déplacement
d’électrons libres et d’électrons de valence.
On lui associe un modèle de courant qui est constitué par un double
déplacement en sens inverse d’électrons libres de trous.
_ Conductivité d’un semi-conducteur intrinsèque
 = n.e.n + .e. = e.(n.n + .)
n : mobilité des électrons
 : mobilité des trous ( ou électrons de valence car égaux)
Dans un semi-conducteur intrinsèque il y a autant d’électrons libres que de
trous. On pose alors n =  =ni
 = e.ni.(n + )
n>>
ni est la concentration intrinsèque des électrons libres et des trous
ni = A.T^(3/2).e ^ (-Wa/2kT)
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A : Cste qui caractérise le semi-conducteur
k : Cste de Boltzman k = 1,38.10^-23 (J/K)
Wa : énergie d’activation des électrons et des trous
Ge : Wa = 0,75 eV si : Wa = 1,12 eV
2) semi-conducteurs extrinsèques :
On introduit une impureté dans la structure cristalline dans une proportion
infinitésimale.
Ex : phosphore
Un atome de phosphore pour 10^8 atomes de Silicium (1g de phosphore pour
100 tonnes de Si)
Conséquence :
La résistivité du Silicium passe de 50 à quelques .cm
On distingue 2 types de semi-conducteurs extrinsèque
 type N (on ajoute des électrons libres)
 type P (on ajoute des trous)
a) semi-conducteurs extrinsèque de type N (négatif) :
L’atome de phosphore est une impureté qui donne un électron libre. C’est un
atome donneur de type N
_ Cf fig 1_13
L’atome de phosphore se transforme en ion positif au sein de la structure
cristalline.
_ Cf fig 1_14
b) semi-conducteur extrinsèque de type P (positif)
L’atome de bore est une impureté qui donne un trou. C’est un atome accepteur de
type P
_ Cf fig 1_15
Pour obtenir une configuration stable de la structure le trou est bouché par un
électron voisin
_ Cf fig 1_16 et 1_17
c) variation de la conductivité :
 type N : n>>  n  Nd
 type P : p>>n  p  Na
Nd : nombre d’atomes donneurs
Na : nombre d’atomes accepteurs
n et p vérifient la relation suivante :
n.p = ni²
la conductivité s’écrit alors :
 semi-conducteur de type N
 = e . (n.n +  .)  e.Nd.n
 semi-conducteur de type P
 = e (n.n + .)  e .Na.
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