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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

LES SEMI-CONDUCTEURS ERIC SAMAMA PAGE 1 SUR 12


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 :

NDUCTEURS ERIC SAMAMA PAGE 2 SUR 12


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



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.



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".



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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…………………………………..………………

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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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