chapitre iii matériaux conducteurs et semi-conducteurs

Chapitre III Matériaux conducteurs et semi-conducteurs

III.1

Chapitre III Matériaux conducteurs et semi-conducteurs III.0 Introduction Matériaux conducteur isolants et semi - conducteurs

Voir la vidéo donnée en référence [1].

III.1 Matériaux Conducteurs

III.1.1 Définitions et propriétés physiques

En électrotechnique, un matériau est dit conducteur, s’il permet le passage du courant électrique. C’est un matériau qui à une faible résistivité électrique noté [/m] qui est l’inverse de la conductivité électrique notée [simens].

Physiquement, un matériau est dit conducteur (d’électricité), s’il possède des électrons libres (au moins un électron par atome). Ces électrons sont présents dans les couches éloignées du noyau. Les forces de liaison avec ce dernier sont faibles, ils ont donc tendance à se déplacer au sein de la matière conductrice d’un atome à un autre. Ce mouvement, en l’absence d’un champ électrique externe, est désordonné et n’engendre pas de courant électrique.

Au contraire, si on applique un champ électrique externe, ceci imposant une d.d.p. entre les extrémités d’un conducteur, ces électrons libres vont subir des forces électriques 퐹⃗ = 푞퐸⃗ F, le mouvement désordonné initial devient un mouvement ordonné, d’où apparition d’un courant électrique.

III.1.2 Présentation des différents types de conducteurs

Les métaux sont pratiquement tous conducteurs d’électricité. Cependant dans la pratique on utilise le cuivre (Cu) et l’aluminium (Al). Bien que l’argent (Ag) ait la meilleure conductivité électrique il n’est pas exploité de par son coût élevé.

L’or (Au) par contre, en dépit de son coût, il s’impose dans la fabrication des circuits imprimé de par sa faible corrosivité. Il est utilisé, en couche mince, pour réduire les résistances de contact et pour protéger les conducteurs en cuivre contre la corrosion. Dans le tableau ci-dessous on donne la résistivité électrique de quelques éléments.

métal Ag Cu Au Al Fe Pb [.m] à 300°k

16 × 10−9 17 × 10−9 22 × 10−9 28 × 10−9 100 × 10−9 208 × 10−9

D’autres matériaux non métalliques sont aussi considérés comme conducteurs électriques. On peut citer le graphite (C) et les solutions ioniques.


III.2

III.1.3 Modification des caractéristiques par rapport à des phénomènes extérieurs

La caractéristique la plus évidente d’un conducteur est sa résistivité. Cette dernière est malheureusement, pour les métaux, variable avec la température selon la loi :

ρ = ρ0(1 + α0(θ - θ0))

avec :

• θ0 : température de référence (K) ou en (°C) généralement 20°C

• ρ0 : résistivité à la température θ0 (Ωm) ;

• α0 : coefficient de température à la température θ0 (K−1) ;

• θ: température (K) ou en (°) mais doit être de la même unité que θ0.

métaux Cu Al Ag Fe [°K-1] à 300°K 3,93 X10-3

4,03 X10-3

3,85 X10-3

6,5 X10-3

Remarque

Selon cette dernière relation, on peut constater que la résistivité augmente avec la température. C’est pour cette raison, que lors des travaux pratiques de machines électriques, les mesures des résistances électriques des bobinages sont effectuées à la fin des manipulations (c-à-d à chaud).

III.2 Matériaux semi-conducteurs

III.2.1 Introduction des semi-conducteurs

Les semi-conducteurs ont acquis une importance considérable dans notre société. Ils sont à la base de tous les composants électroniques et optoélectroniques qui entrent dans les dispositifs informatiques, de télécommunications, de télévision, dans l'automobile et les appareils électroménagers, etc. On dit d'ailleurs que nous sommes à l'âge du silicium, le plus utilisé des semi-conducteurs [2].

En électrotechnique, les matériaux semi-conducteurs sont utilisés en électronique de puissance dans la fabrication les différents interrupteurs : la diode le transistor et le thyristor et aussi dans la conversion photovoltaïque.

III.2.2 Définition des semi-conducteurs-types de semi-conducteurs, la jonction PN et les applications

a) Définition


III.3

Techniquement, un matériau est dit semi-conducteur, si sa résistivité électrique est située entre celles des conducteurs et des isolants, voir figure ci-dessous.

Figure III.1 échelle de résistivités des matériaux

Physiquement, un matériau semi- conducteur est un solide de structure cristalline dont les bandes de valence et de conduction sont séparées par un gap de faible valeur environ 1eV.

Figure III.2 Théorie des bandes expliquant les propriétés : conduction isolation et semi-conduction de la matière [1]

b) Semi-conducteur intrinsèque

Un matériau semi-conducteur intrinsèque est un matériau de structure cristalline constitué par un seul atome. Ses propriétés semi-conductrices sont intrinsèque c-à-d une propriété typique à la matière formée par une même entité sans aucune impureté. Parmi ces matériaux, on cite :

Le Silicium (Si) (appelé « silicon » en anglais), le germanium (Ge), l’indium (In) l'arséniure (As) et le gallium (Ga). Tout atome ayant 4é dans sa dernière couche noté n (c-à-d de configuration électronique ns2 np2) est semi-conducteur. Le silicium est de loin le plus utilisé de par ses propriétés et son abondance dans la nature (on le trouve dans le sable).


III.4

Pour compléter sa dernière couche le Si pur se présente sous forme d’un réseau cristallin où chaque atome s’unifie avec trois autres atomes pour que chacun se trouve avec 8é sur la dernière couche. Le Si pur, aussi appelé Si monocristallin, n’existe pas dans la nature, pour l’obtenir on passe par un procédé détaillé dans la vidéo (https://slideplayer.fr/slide/1142878/).

Pour la fabrication des interrupteurs d’électronique de puissance (diode thyristor et autre), il est nécessaire d’arriver à cette structure cristalline. Cependant, pour la conversion photovoltaïque,

des applications utilisant des structures moins ordonnées (Si poly-cristallin) ou même amorphe (qui n’est pas une structure cristalline) trouve de plus en plus des applications.

Le Si monocristallin, de par son procédé d’élaboration, reste le plus cher par rapport au Si poly-cristallin (issu par la récupération des chutes obtenues lors de la fabrication des composants d’électronique) et amorphe.

La dernière couche occupée par des électrons (couche de valence) contient 4é. Dans la suite de ce paragraphe, On ne va présenter les atomes, que par la couche de valence. Donc à la température du zéro absolue, le Si ne peut conduire de l’électricité car la couche de conduction est vide. Cependant si on augmente l’énergie des électrons de cette couche de valence, ils peuvent franchir le gap (1.1 eV) pour occuper temporairement la couche de conduction. Laissant un déficit en électron dans les atomes la charge de l’atome ayant perdu un é devient positive. Ce déficit en é est nommé trou (hole en anglais).

Si Z=14 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2

Couche de valence Fig. III.3 Représentation

planétaire de l’atome de Si Fig. III.4 Représentation simplifiée du Si

Fig. III.5 Représentation du réseau cristallin du Si a) 2D b) 3D

a) b)

https://slideplayer.fr/slide/1142878/).


III.5

L’augmentation de l’énergie peut se faire en chauffant le matériau ou par absorption de photon (énergie contenue dans la lumière). Dans ces conditions le matériau devient conducteur. Ce phénomène est temporaire, dans la mesure ou les é vont spontanément perdre l’énergie acquise (par émission de photon ou par dissipation thermique) et vont se retrouver dans leur niveau d’énergie initial (bande de valence). On parle alors de phénomène de recombinaison.

Donc les propriétés électriques des matériaux semi-conducteurs intrinsèques ne sont pas intéressantes. On a recourt plutôt à utiliser les semi-conducteurs extrinsèques (voir la suite).

c) Semi-conducteur extrinsèques

Un matériau semi-conducteur extrinsèque est un matériau semi-conducteur intrinsèque auquel on a introduit un 2eme matériau en petite quantité. On parle alors de dopage. Ceci dans le but d’améliorer ses propriétés électriques.

- Silicium dopé avec du phosphore (P ) silicium dopé N Le phosphore a 5 é dans sa couche de valence (1é en plus que le Si), si on remplace un atome de Si du réseau cristallin par un atome de P, les liaisons atomiques vont faire apparaitre un é libre voir la vidéo [3] à l’instant t=15min. En remplaçant plusieurs atomes de Si par du P, le matériau va avoir autant d’é libres que d’atomes de P. Le matériau obtenu est un semi-conducteur extrinsèque de type N (N pour négatif de par la charge en excès qui est des é).

Bande de conduction

Trous crées suite au passage des é au niveau de la couche de conduction.

Des é passants à la couche de conduction

Fig. III.6 création des charges mobiles dans le Si


III.6

- Silicium dopé avec du Bore (B ) silicium dopé P

Le Bore « B » a 3 é dans sa couche de valence (1é de moins que le Si). Si on remplace un atome de Si du réseau cristallin par un atome de B, les liaisons atomiques vont faire apparaitre un déficit en électron. Ce déficit est appelé trou (hole) voir la vidéo [3] t=16min. En remplaçant plusieurs atomes de Si par du B le matériau va avoir autant de trous que d’atomes de B. Le matériau obtenu est un semi-conducteur extrinsèque de type P ( P pour positive car il y a un manque d’é et la charge apparente est donc positive).

Les é et les trous de l’élément dopant sont mobiles ils se déplacent d’un atome à un autre. Le dopage permet donc d’augmenter la conductivité électrique du Si.

S

S

S

S

S

S S

S

S

S

S

SS

S S S S

S

S

S

S

SS S

SS

S

S

S

S

S

S

B

B

B

B

Atome de Bore

Manque d’un é trou

Fig. III.8 Si dopé P

S

S

S

S

S

S S

S

S

S

S

SS

S S S S

S

S

S

S

SS S

SS

S

S

S

S

S

S

P

P

P

P

Atome de phosphore

5eme é reste libre

Fig. III.7 Si dopé N


III.7

d) La jonction PN voir la vidéo [3] t=17min Dans un matériau semi-conducteur intrinsèque, on a vu que lorsqu’un é de valence est excité passe à la couche de conduction puis perd spontanement l’énergie acquise et tombe dans la couche de valence par le phénomène de recombinaison. Il va falloir donc trouver une solution pour empêcher cette recombinaison. Cette solution consiste à créer un champ électrique à l’intérieur du matériau pour repousser les é d’un côté et les trous de l’autre côté. Ce champ électrique est crée avec une jonction PN. La jonction PN est la mise en contact de deux matériaux semi-conducteurs extrinsèques : un dopé N et l’autre dopé P. Initialement, les deux couches N et P sont électriquement neutre. Cependant, la couche N présente des é libres et la couche P présente des trous. La mise en contact des deux couches va faire que des é libres de la couche N vont passer à la couche P. Il s’agit du phénomène de diffusion. Il se passe juste à frontière des deux couches et il ne dure pas longtemps. En effet, les atomes ayant perdu un é au niveau de la couche N vont avoir une charge « + » et les atomes ayant gagné un é dans la couche P vont avoir une charge « - » donc à la frontière des deux couches il apparait un champ électrique 퐸⃗ (E orienté vers les charges négatives ainsi créées donc vers P).

Sens de déplacement des é

t=0 mise en contact des deux jonctions.

é libre trou

Déplacement des é libres de N vers P par diffusion.

N P +

+ +

+ -

+ -

- - -

Direction et sens du champ E électrique .

t=t apparition de E empêchant la diffusion des é par les forces électrique F=qE

N P N P

F

F

+ - Ion + Ion -

Fig III.9 Principe de la jonction PN


III.8

Ce phénomène de diffusion va s’arrêter une fois que l’intensité du champ électrique devienne suffisante pour repousser les é vers la couche N et les trous vers P. Le champ électrique crée en quelque sorte une barrière empêchant les é de passer à la couche P. Avec la jonction PN on a assuré la séparation des charges.

e) Applications Ce cours n’a pas pour objectif de donner toutes les applications. On va examiner le principe de fonctionnement d’une diode et la conversion photovoltaïque. -Diode C’est une jonction PN. Symbolisée par :

-Energie photovoltaïque Voir la vidéo [3] t=18’40’’

P ou + N ou -

V

A

N P

a) Etat passant : Passage du courant

P ou + N ou -

V

A

b) Etat bloqué : pas de courant

A

A A

Eext

Ein

Er

Le champ résultant Er va pousser les é libre de la couche N vers la couche P la diode est conductrice on dit qu’on est dans le sens passant.

Au contraire, si on inverse les bornes de la source de tension, Er sera dans le même sens que Ein et il crée une barrière encore plus grande au passage de é. On dit que la diode est bloquée.

Er Er

Ein Ein

Eext Eext

Eext> Ein

Circulation des é

Fig III.10 Principe de fonctionnement d’une diode


III.9

En gros, la cellule photovoltaïque est constituée par une jonction PN et des électrodes en matériaux conducteurs et d’un matériaux anti-reflet permettant l’absorption du rayonnement solaire. Ce matériau est un verre à haute transmission de lumière.

Les photons présents dans la lumière, une fois absorbé par le Si dopé N permet aux électrons de franchir le gap et d’atteindre la couche de conduction. Les atomes ayant perdu un é vont présenter des trous. Le champ électrique interne dû à la jonction PN va créer une barrière empêchant la recombinaison des é avec les trous dans le sens N vers P comme dans le cas du Si non dopé.

Les é sont repoussés vers N et les trous vers P. Les é vont passer à travers l’électrode du haut puis vers la charge (lampe selon la figure) puis ils retournent au matériau semi-conducteur à travers l’électrode du bas où ils retrouvent des trous avec lesquels ils se recombinent.

Tant que la cellule est exposée au rayonnement solaire, il y aura un courant électrique qui est dû à la circulation des é de la couche N vers P en passant par un circuit externe et non pas par la jonction PN comme dans le cas de la diode dans l’état passant.

Bibliographie

[1] L’électron libre. La théorie des bandes. https://youtu.be/EWLgeBVY-08

[2] https://www.universalis.fr/encyclopedie/semiconducteurs/

[3] The Power of the Sun - The Science of the Silicon Solar Cell - YouTube

Electrode haut

Electrode bas

https://youtu.be/EWLgeBVY-08

https://www.universalis.fr/encyclopedie/semiconducteurs/

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