Chapitre 2 Semi-conducteurs Electronique analogique Théorie

Chapitre 2
Semi-conducteurs
Electronique analogique Théorie
Gilles MARTIN - HEL - IS - Chapitre 2 : Semi-conducteurs
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L’atome – Structure et constitution
• L’atome d’un élément est la plus petite particule d'un élément.
Chaque élément possède une structure atomique unique. Chaque
atome est constitué d’un noyau (neutrons + protons) autour duquel
gravitent des électrons.
• Les protons sont des charges positives
• Les électrons sont des charges négatives
• Les neutrons sont électriquement neutres
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L’atome – le numéro atomique
• C’est le nombre d’électrons et de protons qui distingue les éléments.
• Les éléments sont classés dans le tableau de Mendeleïev par leur
numéro atomique. Ce numéro équivaut au nombre de protons du
noyau.
• Dans un atome électriquement neutre, il y a le même nombre de
protons que d’électrons.
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Atome – couche d’électrons et orbites
• Les électrons gravitent autour du noyau d'un atome à certaines
distances de celui-ci. Les électrons près du noyau possèdent moins
d‘énergie que ceux situes sur des orbites plus éloignées.
• Dans un atome, les orbites sont regroupées en bandes énergétiques
appelées couches.
• Un atome donne possède un
nombre fixe de couches. Chaque
couche possède un nombre
maximal fixe d‘électrons.
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Atome – électrons de valence
• La couche la plus éloignée est connue sous le nom de couche de
valence et les électrons dans cette couche sont appelés électrons de
valence.
• Ces électrons contribuent aux réactions chimiques et aux liaisons à l'intérieur
de la structure d'un matériau, déterminant ses propriétés électriques.
• Les électrons sur les orbites plus éloignées du noyau ont une énergie
plus grande et sont moins fortement liés à l'atome que ceux situés
plus près du noyau.
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Propriétés électrique des matériaux
• Les différents matériaux peuvent être classes en trois groupes en
fonction de leur propriétés électriques :
• les conducteurs,
• les semi-conducteurs,
• les isolants.
• Tout matériau est constitué d'atomes. Ces atomes contribuent aux
propriétés électriques d'un matériau, dont son habilité à conduire le
courant électrique.
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Les bandes d‘énergie
• Lorsqu'un électron de valence
acquiert assez d‘énergie
additionnelle (chaleur, lumière),
il peut quitter la couche de
valence.
• Il arrive dans la bande de
conduction, où il est de se
déplacer à travers le matériau et
n'est plus lié a aucun atome
particulier.
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Conducteurs
• Un conducteur est un matériau qui conduit aisément le courant
électrique.
• Ces matériaux sont caractérisés par des atomes ayant un ou deux
électrons de valence faiblement lié à l'atome. Il peut donc y avoir au
sein du matériau beaucoup d’électrons libres, qui en se déplaçant
créeront un courant électrique
• On peut citer le cuivre, l’argent, l’aluminium comme
excellents conducteurs. (Matériau mono-élément)
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Isolants
• Un isolant est un matériau qui ne conduit pas (ou difficilement) le
courant électrique sous des conditions normales.
• Ces matériaux sont caractérises par des atomes dont les électrons de
valence sont solidement rattachés à l'atome. Il y a donc très peu
d‘électrons libres pouvant se déplacer et donc conduire un courant.
• Les bons isolants sont souvent constitués de plusieurs
éléments. Exemples : matière plastique, bois, eau
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Semi-conducteurs
• Un semi-conducteur est un matériau se situant
entre le conducteur et l'isolant. A l‘état pur
(intrinsèque), il n'est ni un bon conducteur ni
un bon isolant.
• Les semi-conducteurs à élément unique se
caractérisent par des atomes à quatre électrons
de valence.
• Exemple : Germanium, Silicium, Carbone.
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Ge vs Si
• Le silicium et le germanium possèdent chacun
quatre électrons de valence.
• Ceux du germanium sont plus éloignés du
noyau, il faut donc moins d‘énergie pour qu'ils
s‘échappent de l'atome.
• Cette propriété rend le germanium plus
instable à des températures élevées, raison
pour laquelle le silicium est plus largement
utilisé.
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Liaison covalente
• Les liaisons entre atomes de Silicium sont des liaisons covalentes,
très stables. Chaque atome mettant en commun avec chaque proche
voisin des électrons pour former une couche à 8 électrons. La
structure est cristalline.
• Cette configuration n’est effective qu’au zéro
absolu. Au-delà de cette température,
l’agitation thermique permet à certains
électrons de se libérer de la liaison covalente.
Il apparait un trou dans la liaison covalente.
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Notion de trou
• On voit que la perte de l’électron (suite à un gain d’énergie) a
provoqué un site vacant, ou trou, dans le cristal.
• L’atome considéré est ionisé positivement, mais l’ensemble du cristal
reste électriquement neutre.
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Notion de trou
• Le trou créé va participer à la conduction électrique. En effet,
supposons que le matériau semi-conducteur considéré soit baigné dans
un champ électrique E. Les électrons libres vont dériver dans la direction
opposée au champ.
• Un électron de liaison voisin du trou
va pouvoir le combler, laissant à
sa place un nouveau trou qui
pourra à son tour être comblé
par un autre électron, etc
• Le trou se « déplace » donc dans
direction du champ
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Semi-conducteurs extrinsèques
• L’utilisation de semi-conducteur dans la plupart des composants électroniques se
fait dans un état dit dopé (semi-conducteur extrinsèque)
A) Semi-conducteur de type N
On introduit volontairement un corps pentavalent (P, As, Sb) dans une proportion
d’un atome d’impureté pour 106.
L’électron en surplus n’entrant pas dans une liaison covalente n’est que faiblement
lié à l’atome pentavalent. Il est libre dans le semi-conducteur et participe à la
conduction. Il en est ainsi pour tous les électrons en excès venant de l’impureté
pentavalente.
Le semi-conducteur extrinsèque ainsi constitué est dit de type N. L’impureté dans
ce cas est appelée donneur.
Un semi-conducteur de type N est un semi-conducteur qui a été dopé avec des électrons.
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• Semi-conducteur de type N
Les électrons, dans un semi-conducteur de type N sont appelés les porteurs majoritaires et les
trous les porteurs minoritaires (il y a quelques trous présents suite a l'apport d‘énergie thermique).
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Semi-conducteurs extrinsèques
B) Semi-conducteurs de type P
Introduisons maintenant, en faible quantité, un corps trivalent (B, Al, Ga, In).
Une lacune apparaît dans la liaison covalente, à l’endroit de chaque atome
accepteur. Cette lacune est comblée par un électron voisin sous l’effet de
l’agitation thermique, formant un trou positif dans le cristal, libre de se
déplacer à l’intérieur de celui-ci.
On trouve donc, à température ambiante, pratiquement autant de trous
libres que d’atomes accepteurs. Le semi-conducteur extrinsèque ainsi crée
est dit de type P.
Un semi-conducteur de type P est un semi-conducteur qui a été dopé avec des trous.
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• Semi-conducteur de type P
Les trous, dans un semi-conducteur de type P, sont appelés les porteurs majoritaires et les
électrons les porteurs minoritaires.
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La jonction PN
• Si on prend un bloc de silicium, dont on dope une moitié avec une
impureté trivalente et l'autre moitié avec une impureté pentavalente,
alors il se forme une frontière entre les deux portions résultantes de
type P et de type N, appelée jonction PN.
• Lorsque la jonction PN est créée, la région N perd des électrons libres
à mesure qu'ils se diffusent à travers la jonction pour combler les
trous à proximité.
• La région P perd des trous puisqu'ils se recombinent avec des
électrons.
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La jonction PN
• Les parties P et N étant initialement neutres, la diffusion des
électrons a pour effet de charger positivement la partie N
négativement la partie P.
• Ces deux couches de charges positives et négatives forment la
région d'appauvrissement (Zone de transition).
• Cette charge repousse les porteurs majoritaires de chaque
partie et arrête la diffusion des électrons au-delà de la zone
de transition
• Entre les deux parties P et N, les forces entre les charges
opposées forment un champ électrique. Il apparaît alors une
différence de potentiel appelée aussi barrière de potentiel.
• « Barrière » car les électrons ne pourront le traverser sans l'apport
d‘énergie supplémentaire
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Polarisation directe
• Lorsqu'une tension UPN positive est appliquée à la jonction,
celle-ci est polarisée en direct. La polarisation directe est une
condition qui permet le courant à travers la jonction PN.
• La polarisation en direct a pour effet de diminuer la hauteur
de la barrière de potentiel. Le nombre de porteurs
majoritaires capables de franchir la jonction augmente.
• À partir d'un certain seuil de tension U0, de l'ordre de 0,7 V
pour le silicium, la barrière de potentiel disparaît, les
porteurs peuvent alors franchir librement la jonction, celleci devient passante et un courant direct s'établit.
• Ce phénomène est réversible.
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Polarisation inverse
• Lorsqu'une tension UPN négative est appliquée à la
jonction, celle-ci est polarisée en inverse
• La hauteur de la barrière de potentiel augmente,
les porteurs majoritaires ne peuvent circuler, la
jonction est bloquée.
• Cependant, la barrière de potentiel facilite le
passage des porteurs minoritaires présents dans
chaque élément, il circule alors un courant inverse
de N vers P.
• Les porteurs minoritaires étant rares, ce courant
inverse reste très faible (inférieur au
microampère) et souvent négligeable.
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Claquage inverse
• Si on augmente la tension de polarisation inverse suffisamment, pour
atteindre une valeur appelée tension de claquage, le courant inverse
augmentera de façon drastique et cela endommagera la jonction PN.
• La tension de polarisation inverse plus élevée augmente l’énergie des électrons
minoritaires libres qui, à mesure qu'ils accélèrent vers la région P, entrent en
collision avec les atomes avec suffisamment d‘énergie pour arracher les électrons
de la couche de valence. Ils pourront alors être responsable d’un courant électrique.
• A mesure qu'ils traversent la région d'appauvrissement, ces électrons à niveau
d‘énergie élevé peuvent maintenant devenir des électrons de conduction dans la
région N, au lieu de se combiner aux trous.
• Ce phénomène est appelé avalanche et produit un courant inverse très élevé qui
peut endommager la structure PN, dû à la dissipation de chaleur excessive.
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Caractéristique courant-tension (direct)
• Tant que la tension aux bornes de la jonction PN
n'atteint pas environ 0,7V, le courant direct ou avant
(IAV est le courant traversant le jonction PN en
polarisation directe) augmente très peu.
• (Entre le point A et B sur le graphique)
• Après le genou, la tension se maintient à environ 0,7V
(tension de seuil) et le courant IAV augmente
rapidement.
• (Le point C correspond au moment ou la tension VAV est
approximativement égale à la barrière de potentiel)
• La résistance interne du composant est notée r et varie
selon
∆
=
∆
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Caractéristique courant-tension (inverse)
• Lorsque la tension sur la jonction PN est de 0V, il
n'y a aucun courant inverse.
• A mesure que la tension négative augmente, il
n'existe qu'un très faible courant inverse (IAR).
• Lorsque la tension est augmentée suffisamment
et que la tension inverse aux bornes de la
jonction PN (VAR) atteint la valeur de claquage
(VBR), le courant commence à augmenter
rapidement.
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