cours

SEMI­CONDUCTEURS
I – L'atome
Il comprend un noyau constitué de :
protons (p) : charge + 1,6 10­19 C (m = 1,67 10­27 kg),
neutrons (n) : charge nulle (m = 1,67 10­27 kg),
et des électrons (e­) charge ­ 1,6 10­19 C (m = 9,1 10­31 kg).
Le nombre de protons étant égal au nombre d'électrons, un atome est électriquement neutre.
La dernière couche, appelée couche de valence, définit les propriétés chimiques et électriques des atomes. ­
On peut donc représenter un atome par sa couche de valence et par un coeur qui regroupe le noyau et les couches internes
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carbone
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+6
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+4
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La couche de valence peut comporter de 1 à 8 électrons. Pour n = 8, la couche est dite saturée (sauf pour la première couche nsat = 2).
Les atomes ayant 1 électron périphérique forment les matériaux conducteurs.
Les atomes ayant 8 électrons périphériques forment les matériaux isolants.
Les atomes ayant 4 électrons périphériques forment les matériaux semi­conducteurs.
n
éléments
1
Cu, Ag, Au
3
B, Al, Ga, In, Tl (Thallium)
4
C, Si, Ge, Sn (étain), Pb
5
N (Azote), P, As, Sb (Antimoine), Bi (Bismuth)
8
He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn (Radon)
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II – Le cristal
Lorsque des atomes ayant 4 électrons périphériques s'assemblent sous la forme d'un solide, ils peuvent s'ordonner selon un motif régulier appelé cristal.
Dans ce cristal, chaque atome partage ses électrons avec ses voisins.
Chaque atome « voit » ainsi huit électrons périphériques.
Chaque atome ayant huit électrons sur sa couche de valence, le cristal est isolant à température ambiante.
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Lorsque la température augmente, on apporte de l'énergie au semi­conducteur. Certains électrons peuvent alors utiliser cette énergie pour augmenter leur vitesse et quitter leur orbite.
Le départ de l'électron crée un vide dans la couche de valence appelé « trou ». Ce dernier se comporte comme une charge positive car la perte d'un électron entraîne l'apparition d'un ion positif. Le nombre d'électrons libres et de trous est identique.
Lorsque qu'un é­ est attiré par un ion positif, il « tombe » dans le « trou » : c'est la recombinaison. L'ion positif disparaît.
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+
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III – Le semi­conducteur intrinsèque
C'est un semi­conducteur pur.
i
E
+
A température ambiante, i = ­
U
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III – Le semi­conducteur intrinsèque
C'est un semi­conducteur pur.
i
E
+
A température ambiante, i = ­
U
Lorsque la température augmente.
Le courant i dans le semiconducteur correspond à la somme de deux flux, celui des électrons dans un sens et celui des trous dans l'autre. Les électrons et les trous sont appelés porteurs car ils « transportent » des charges d'un endroit à un autre.
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Pour obtenir un cristal conducteur à température ambiante, il faut ajouter des porteurs libres. Ceci est obtenu par dopage.
IV – Le semi­conducteur extrinsèque
Le dopage consiste à insérer dans le cristal des atomes :
pentavalents (ayant 5 électrons périphériques),
trivalents (ayant 3 électrons périphériques),
trivalents
pentavalents
Bore
Silicium
Arsenic
Gallium
Germanium
Antimoine
Phosphore
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IV.1 – Dopage par atome pentavalent
5e é­
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Si
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Si
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­
As
Si
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Si
Si
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Si
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­
­
­
­
­
Si
­
­
Si
­
­
­
­
­
­
+
­
­
­
On peut donc considérer que l'atome dopant devient un ion positif accompagné d'un électron libre.
Le semi­conducteur dopé reste électriquement neutre.
Il n'y a que huit places sur la couche de valence.
L'électron exédentaire devient un électron libre.
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E
i
A température ambiante, les porteurs sont des électrons. ­
+
F = q E
U
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+
+
+
+
­
­
­
­
­
Lorsque la température augmente, il y génération de paires électrons­trous qui s'ajoutent aux porteurs précédents.
La majorité des porteurs sont des électrons (négatifs). Le semi­conducteur dopé par atome pentavalent est appelé semi­conducteur de type N.
Les électrons sont les porteurs majoritaires. U
E
i
+
­
Si
+
+
F = q E
+
+
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Les trous sont les porteurs minoritaires.
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IV.2 – Dopage par atome trivalent
trou
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Si
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­
Si
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Si
­
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­ ­
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Si
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B
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Si
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Si
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­
­
Si
­
­
Si
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­
­
­
­
­
On peut donc considérer l'atome dopant comme un ion négatif accompagné d'une charge positive, le trou.
+
­
ou
­
­
­
Le semi­conducteur dopé reste électriquement neutre.
Sur les huit places que comporte la couche de valence, seuls sept sont occupées.
Il reste une place libre que l'on peut considérer comme un trou.
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A température ambiante, les porteurs sont des trous. E
i
+
F = q E
U
­
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­
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­
­
­
­
Lorsque la température augmente, il y génération de paires électrons­trou qui s'ajoutent aux porteurs précédents.
La majorité des porteurs sont des trous (positifs). Le semi­conducteur dopé par atome trivalent est appelé semi­conducteur de type P.
Les trous sont les porteurs majoritaires.
E
i
+
U
­
Si
F = q E
­
Les électrons sont les porteurs minoritaires.
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III – La jonction PN
Elle est réalisée dans un cristal semi­conducteur unique divisé en deux zones dopées, l'une par des atomes trivalents, l'autre par des atomes pentavalents.
A la limite des deux zones, il se produit des modifications dans une région de faible épaisseur (1 µm).
Les électrons libres de la zone N sont piègés par les trous de la zone P. Il en résulte une zone déplétée en porteurs : la zone de déplétion.
Dans cette zone de déplétion, les ions fixes génèrent un champ électrique E.
Ce champ électrique empêche la circulation d'électrons à travers la jonction.
Le champ électrique est équivalent à une différence de potentiel appelée barrière de potentiel. A 20°C, elle vaut 0,6 V pour le silicium.
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III.2 – La jonction PN polarisée
U < 
Les électrons sont attirés vers l'électrode de droite et les trous sont attirés vers l'électrode de gauche.
La zone déplétée s'élargit. Il n'y a plus de porteurs dans la jonction, le courant est nul.
C'est la polarisation inverse
La jonction est bloquée.
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0 < U < barrière de potentiel
L'énergie des électrons est insuffisante pour franchir la barrière de potentiel. Le courant est nul.
U > barrière de potentiel
Les électrons ont assez d'énergie pour franchir la zone déplétée, un courant positif s'établit. C'est la polarisation directe.
La jonction est passante.
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III.3 – Le claquage
La génération thermique de paires électrons­trous dans la zone déplétée donne lieu à un très faible courant de fuite inverse. Ce courant est généralement négligeable.
Lorsque la tension inverse est trop grande, les électrons se déplacent plus rapidement. Lors de chocs avec les atomes du réseau, ils peuvent arracher un électron de valence. Ce phénomène produit d'autres porteurs qui vont eux aussi entrer en collision avec les atomes. La progression est géométrique : un électron initial libère un électron de valence, ces deux porteurs vont libérer chacun deux autres électrons de valence pour donner quatre porteurs et ainsi de suite jusqu'à ce que le courant inverse devienne énorme et provoque la destruction de la jonction.
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