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ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE
CHAPITRE X
Les Semi-conducteurs
A. Généralités :
Il existe 3 grands types de matériaux :
B. Notions physiques sur les semi-conducteurs :
Electrons
Les semi-conducteurs utilisés dans la fabrication des diodes et
des transistors sont des corps solides qui ont, comme leur nom
l'indique, des propriétés intermédiaires entre celles des
conducteurs et celles des isolants à la température ambiante.
Aux très basses températures, ils se comportent comme des
isolants et aux températures élevées, comme des conducteurs.
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Les solides, comme tous les éléments de la matière sont constitués d'atomes.
Ceux-ci sont formés d'un noyau autour duquel gravitent des électrons. Les
électrons sont des particules chargées négativement. Le noyau de l'atome est
composé de protons, particules chargés positivement et de neutrons
particules neutres. La charge électrique globale de l'atome est nulle.
Les conducteurs : …………………………………………………….………….
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Les isolants : …………………………………………………….……………….
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Les semi-conducteurs : ………………………………………………………….
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Noyau
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ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE
C. Description: semi-conducteur intrinsèque :
Cette section, essentiellement descriptive, a pour objet de donner au lecteur des
modèles simples de semi-conducteurs intrinsèques et extrinsèques de type n ou de
type p. La connaissance de ces modèles permet, par la suite, de rendre compte du
comportement des dispositifs à semi-conducteurs tels que diode, transistor bipolaire,
etc.
Dans
enga
Un c
sont
est a
élect
atom
résea
LES SEMI-CO
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un cristal de silicium pur, chaque atome possède quatre électrons périphériques
gés dans des liaisons covalentes avec quatre atomes voisins
ristal de semi-conducteur intrinsèque est un solide dont les noyaux atomiques
disposés aux nœuds d'un réseau géométrique régulier. La cohésion de cet édifice
ssurée par les liens de valence qui résultent de la mise en commun de deux
rons appartenant chacun à deux atomes voisins de la maille cristalline. Les
es de semi-conducteur sont tétravalents et le cristal peut être représenté par le
u de la figure ci dessous :
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ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE
Lien de valence
Semi-conducteur intrinsèque
D. Origine des propriétés électriques du silicium :
1. Lorsque la température augmente, certains des électrons reçoivent une énergie
suffisante (par agitation thermique) pour échapper à l'attraction du noyau et
devenir des électrons libres.
Les électrons peuvent se mouvoir sous l'effet d'un champ électrique.
Lorsqu'un cristal de semi-conducteurs est soumis à une différence de potentiel
électrique, les électrons (de charges négatives) vont se déplacer vers le potentiel le
plus positif.
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………………………………………………………….
Si
Si Si
Si
Si
Si
Si Si
Si
Si
SiSi
Passage du courant (conduction par électrons libres)
2. A ce mécanisme de conduction se superpose une conduction, dite par trous. Lors
de la libération d'un électron, il laisse une place vide appelé trou (charge
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positive). Le trou créé par le départ d'un électron est comblé par un électron
voisin. Le départ de cet électron créé un nouveau trou qui, lui aussi est comblé par
un électron voisin. Le trou initial semble ainsi se déplacer vers le potentiel le plus
négatif.
Si Si Si
Si Si Si
SiSi Si
SiSi Si
SiSi Si
Si SiSi
E. Semi-conducteur dopé (extrinsèque) :
Dans un cristal de silicium pur, chaque atome possède quatre électrons
périphériques engagés dans des liaisons covalentes avec quatre atomes voisins.
Si on remplace un atome de silicium par un autre d'un élément chimique n'ayant que
trois électrons périphériques (par exemple du bore), un des atomes voisins de l'intrus
se trouve privé de liaison et possède donc un électron non lié, susceptible de quitter
l'atome et de conférer à l'environnement une charge négative. Un tel silicium sera dit
" dopé N ".
Dans le cas d'un intrus ayant cinq électrons (par exemple du phosphore), on obtient
un excès de charges positives et le cristal est " dopé P ".
Le dopage consiste à introduire, dans le cristal, des atomes d'un élément
étranger. Cette opération a pour but d'augmenter la conductibilité du
semi-conducteur en apportant des électrons libres ou des trous. Les
atomes de l'élément dopeur sont introduits en très faible quantité (environ 1
pour 1 million). Après dopage, la conductibilité est essentiellement due à la
proportion d'atomes de l'élément dopeur, elle est extrinsèque au semi-
conducteur.
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F. Description: semi-conducteur extrinsèque de type N :
Un semi-conducteur dans lequel on aurait substitué à quelques atomes tétravalents
des atomes pentavalents est dit extrinsèque de type N.
Type N
Un dopage de type N, sera constitué d'impureté pentavalente. Un dopage de type N,
aura un surplus d'électrons et sera de charge négative.
Semi-conducteur de type N
Modèle
Étant données ces considérations, on établit le modèle de semi-conducteur représenté
à la figure ci dessous dans lequel n'apparaissent que les charges essentielles, à savoir :
les électrons libres et les donneurs ionisés. Les charges fixes sont entourées d'un
cercle.
Semi-conducteur de type N (modèle)
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Définitions L'électron qui possède une énergie suffisante peut quitter la liaison de valence pour
devenir un électron libre. Il laisse derrière lui un trou qui peut être assimilé à une
charge libre positive; en effet, l'électron quittant la liaison de valence à laquelle il
appartenait démasque une charge positive du noyau correspondant. Le 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, ce qui lui vaut la qualification de charge
libre. La création d'une paire électron libre - trou est appelée génération alors qu'on
donne le nom de recombinaison au mécanisme inverse.
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G. Description: semi-conducteur extrinsèque de type P :
Si l'on introduit des atomes trivalents dans le réseau cristallin du semi-conducteur, les
trois électrons de la couche périphérique de l'impureté prennent part aux liens de
valence, laissant une place libre. Ce trou peut être occupé par un électron d'un autre
lien de valence qui laisse, à son tour, un trou derrière lui. L'atome trivalent est alors
ionisé et sa charge négative est neutralisée par le trou. Le semi-conducteur est alors
extrinsèque de type P.
Type P
Un dopage de type P, sera constitué d'impureté trivalente. Un dopage de type P,
possède un manque d'électron, et un manque d'électron aura la faculté d'attirer des
électrons tout comme une charge positive. Un manque d'électron sera appelé un trou.
Un dopage de type P aura un surplus de trous.
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Semi-conducteur de type P
Modèle
Le nombre volumique des électrons libres est alors considéré comme négligeable. Il
s'ensuit un modèle, représenté à la figure 5, dans lequel n'apparaissent que les charges
prépondérantes: les trous et les accepteurs ionisés.
Semi-conducteur de type P (modèle)
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Assertion : La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des électrons
dans le solide. On comprend dès lors que la concentration des électrons libres
et des trous dépende très fortement de la température.
H. Combinaison de semi-conducteur de type P et de type N :
Si on accole une région N et une région P, les électrons de la région N auront
tendance à migrer vers la région P, mais, ce faisant, ils créent un déséquilibre de
charge qui entraîne l'apparition d'un champ électrique intense au niveau de la
jonction, où une étroite zone vide de charges, donc isolante, apparaît.
L’intérêt est alors de mélanger les deux zones de
dopages pour obtenir des propriétés électriques
intéressantes.
I. Un exemple de semi-conducteur, la diode (jonction P-N) :
Au voisinage de cette jonction, les électrons de charge négative de la zone N vont
passer dans la zone P. Il y aura formation d'ions de chaque côté de cette jonction.
Du côté de la zone N, un électron parti dans l'autre zone créera un ion + dans cette
fameuse zone dopée N et ce au voisinage de cette jonction. Et dans la zone P au
voisinage de la jonction un électron arrivant de l'autre zone créera un ion --.
Ses ions de part et d'autre de la jonction formeront une barrière de potentiel. La
barrière restera limitée au voisinage de la jonction. En effet, dans la zone P, les ions --
formés et constituant cette barrière de potentiel de charge négative, empêcheront les
autres électrons venant de l'autre zone N car deux charges de même signe se
repoussent.
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Les parties P et N étant initialement neutres, la recombinaisons des électrons-
trous à pour effet de charger positivement la partie N et négativement la partie
P. Cette charge repousse les porteurs majoritaires de chaque partie et arrête la
diffusion des électrons. Entre les deux parties P et N apparaît alors une
différence de potentiel Vd appelée "barrière de potentiel".
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ISTS 1ERE ANNEE ELECTRONIQUE GENERALE
Charges et champ électrique
Défini
La rég
ou zon
Le cha
diffusi
J. Polarisatio
Le mo
un mo
donneu
d'élect
frontiè
électri
LES SEMI-CON
Lorsque, dans un cristal de semi-conducteur, une partie est dopée
avec des éléments de type P et l'autre partie avec des éléments de
type N. Il apparaît, à la limite des zones P et N, une zone de
transition appelée jonction.
……………………
……………………
……………………
……………………
Il s'est donc créé
champ électrique.
s'oppose à tout dép
tions
ion dans laquelle la
e de charge spatial
mp électrique intern
on car il s'oppose à
n d’une jonction
dèle le plus simple
rceau de semi-condu
rs d'électrons (zon
rons (zone P). Par
re entre les deux z
que dirigé de N vers
DUCTEURS
Vd "barrière de potentiel"
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un dipôle aux abords de la jonction et, conjointement, un
Une fois l'équilibre atteint, ce champ électrique est tel qu'il
lacement global de charges libres.
neutralité n'est pas satisfaite est appelée zone de déplétion
e alors que les autres régions sont dites régions neutres.
e créé par le dipôle est nommé champ de rétention de la
toute diffusion des charges mobiles.
P-N :
de diode est la jonction P-N, obtenue en juxtaposant dans
cteur (en général du silicium), une zone enrichie en atomes
e N) et une zone comportant des atomes accepteurs
suite du déplacement des porteurs P et N à travers la
ones, il se forme une barrière isolante, siège d'un champ
P.
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Lorsqu'on applique une différence de potentiel entre les deux zones,
l'effet est radicalement différent suivant la polarité.
LES SEMI-CONDU
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On la teste
passant et
multimètre
Les diode
Max est de
Une des g
LES SEMI-CONDUC
On a ainsi réalisé un dispositif redresseur qui, alimenté par une
tension alternative, ne laisse passer le courant que dans un sens.
Cette fonction de rectification du courant constitue la principale
application de ce type de diode.
avec un ohmmètre à aiguille bon marché, en obtenant 7 Ohms dans le sens
l'infini dans l'autre sens. Méfiez-vous de la polarité indiquée sur un
à aiguille, elle est parfois inversée pour la fonction ohmmètre.
s les plus répandues sont la 1N4007 donc Imax = 1 A et tension inverse
1 KV et la 1N4148 Imax=200mA et sa tension inverse Max est de 75 V.
randes utilités des diodes est le redressement des courants alternatifs.
A retenir de tous ceci, qu'une diode est passante dans le sens
de la flèche dessinée sur ce composant et que la cathode est
située du côté de la barre dessinée sur ce même composant.
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