Formation radioamateur - F6KGL

Formation radioamateur
Radio-REF N° 832 • 05/2010
association
Référence TECH 2.5 & 2.6
LES SEMI-CONDUCTEURS
LES TYPES N ET P
Les semi-conducteurs se situent entre les conducteurs et les
isolants. Les principaux semi-conducteurs sont le germanium (Ge) et le silicium (Si). Les électrons qui gravitent
autour des noyaux des atomes se répartissent en niveaux
d'énergie. Ceux du dernier niveau, les plus énergétiques,
sont responsables des liaisons entre les atomes et sont
appelés ''électrons de valence''. Pour les atomes de germanium et de silicium, le dernier niveau comporte 4 électrons.
A l'état pur, les semi-conducteurs germanium et silicium
ont une structure cristalline, c'est à dire que les atomes sont
régulièrement et périodiquement disposés dans l'espace.
Chaque atome est lié à 4 atomes voisins et chaque électron
de valence est lié à un électron de valence d'un atome adjacent.
Dans cet ordre parfait on ne constate aucun électron libre. Cependant
cet état d’équilibre peut être troublé par un effet thermique ou par
l’effet d’un champ électrique, ce qui
provoque une rupture des liaisons
et l’apparition d’électrons libres.
Mais la conductivité reste très faible, d’où la nécessité d’introduire
des impuretés pour l’augmenter
Si l’on introduit des atomes d’un
élément chimique pentavalent,
donc possédant cinq électrons de
valence, comme l’antimoine (Sb)
ou l’arsenic (As), quatre électrons
de valence de l’atome pentavalent
prennent part aux liens de valence
avec l’atome de silicium alors que
le cinquième, sans attache, est libre
de se mouvoir et peut donc devenir
facilement un électron de conduction. Ces atomes pentavalents
donnant un électron au bloc de silicium sont appelés ‘’atomes donneurs’’.
Lorsque l’atome pentavalent a perdu son cinquième électron
de valence, il devient ionisé positivement.
Un tel semi conducteur est dit ‘’extrinsèque du type N’’
Si l’on introduit des atomes d’un élément chimique trivalent, possédant donc 3 électrons de valence, comme le bore
(B), le gallium (Ga) ou l’indium (In), ses trois électrons de
valence prennent part aux liens de valence avec l’atome de
silicium, laissant une place libre à laquelle on donne le nom
de trou. Ce trou peut être occupé par un autre électron de
valence qui laisse à son tour un trou derrière lui. Tout se
passe comme si le trou s’était déplacé. Un trou peut être
assimilé à une charge positive car l’électron qui quitte la liaison
à laquelle il appartenait démasque une charge positive du
noyau correspondant. Lorsque la liaison entre l’atome de
troisième valence et le quatrième atome de silicium est éta-
blie, l’atome de troisième valence possède une charge
négative supplémentaire, il est donc ionisé négativement.
Ces atomes trivalents qui acceptent un électron sont appelés
‘’atomes accepteurs’’.
Un tel semi conducteur est dit ‘’extrinsèque du type P’’.
Les semi-conducteurs de type N et P sont ainsi représentés :
LA JONCTION PN.
Le dopage non uniforme d'un semi-conducteur qui met en
présence une région du type N et une région du type P
donne naissance à une jonction PN, qui est la limite de
séparation des deux parties. Au voisinage de la zone de
contact, les électrons libres de la région N pénètrent dans la
région P où ils rencontrent de nombreux trous avec lesquels ils se recombinent. De même les trous de la région P
pénètrent dans la région N et se recombinent avec les
électrons. Ce phénomène est appelé ''diffusion''.
Il se crée donc de part et d'autre de la jonction une zone
d'appauvrissement exempte de charges mobiles. Seules y
subsistent les charges fixes dues aux impuretés ionisées
(ions accepteurs dans le segment P et ions donneurs dans
le segment N) ainsi que les atomes de semi-conducteur
neutres. Cette répartition de charges des ions fixes engendre un champ électrique dirigé de la région N vers la région
P et par là même une différence de potentiel Vo appelée
''barrière de potentiel''.
Ce champ électrique, à son tour, s'oppose à la diffusion des
porteurs (électrons libres et trous), s'opposant ainsi à la cause
qui lui donne naissance et conduisant à un état d'équilibre.
LA DIODE A JONCTION.
La diode à jonction est un composant constitué par la succession suivante :
Métal, semi-conducteur de type P, semi-conducteur du type
N, métal. L'électrode métallique en contact avec le semiconducteur du type P est appelée anode et celle en contact
avec le semi-conducteur du type N est la cathode.
39
40
Radio-REF N° 832 • 05/2010
association
DIODE BLOQUÉE.
Si de l'extérieur on impose une tension négative entre l'anode en contact avec la région P et la cathode en contact
avec la région N, on renforce le champ électrique précédent,
on augmente la barrière de potentiel de la jonction PN et le
courant ne passe pratiquement pas. La diode est dite bloquée.
DIODE PASSANTE.
Si au contraire, de l'extérieur on applique une tension positive entre l'anode et la cathode, elle crée un champ électrique qui s'oppose à l'action du champ précédent et on
provoque une diminution de la barrière de potentiel de la
jonction PN. Les électrons libres vont circuler de la région N
vers la région P et les trous de la région P vers la région N.
Un courant s'établit dans le circuit. La diode est dite passante.
Sur les composants, la cathode est repérée par une bague
de couleur.
DIODE DE PUISSANCE.
Le boîtier métallique des diodes de puissance est relié
à la cathode. Un pas de vis permet de fixer la diode
sur un radiateur pour dissiper plus de puissance.
NB : Si cet article sur la théorie de base des semi-conducteurs ne comporte pas de question directe pour l’examen, il
permet de mieux apprécier les questions portant sur les diodes et transistors. Notre prochain article présentera plus en
détail les diodes et leurs applications.