CHIMIE
Les matériaux semi-conducteurs
Rappel
Les atomes sont constitués d'un noyau et d'un ou plusieurs électrons répartis sur des niveaux d'énergie (ou périodes). Les électrons les plus proches du noyau sont ceux qui possèdent l'énergie de liaison la plus élevée.
Liaison métallique
Les atomes peuvent s'assembler également suivant un autre type de liaison : la liaison métallique. Dans ce cas là, la cohésion du cristal est assurée par la mise en commun sur l'ensemble du cristal des électrons périphériques de tout les atomes du cristal.
La conduction des métaux
Les électrons assurant la liaison métallique sont des porteurs de charges, libres de se déplacer à l'intérieur de la matière. Il en résulte la conduction des métaux.
Sous l'action d'un champ électrique, tous les électrons sont soumis à une force de même direction. A leur mouvement désordonné dû à l'agitation thermiquese superpose un mouvement d'ensemble provoqué par ce champ électrique. Il suffit d'une très faible énergie pour que les électrons passe du rôle de liaison métallique à celui de porteur de charge pouvant traverser le métal. Ces électrons se déplacent dans l'ensemble du cristal sans rester nécessairement à proximité des atomes dont ils sont issus.
Les isolants
Un cristal covalent est un isolant parfait au zéro absolu (0 Kelvin = -273 °C). Dans les cristaux à structure covalente, les électrons sont retenus par les liaisons qu'ils assurent. Il n'y a pas d'électrons libres. Pour rendre mobile un électron il faut lui fournir une énergie importante afin de l'extraire de sa liaison.
Cristal de silicium
| Au zéro absolu les matériaux semi-conducteurs se comportent comme un isolant. Afin d'avoir huit électrons sur la dernière couche chaque atomes de silicium met ses quatre électrons périphériques en commun avec les atomes voisins. Ce qui donne le cristal de silicium suivant : |
|
Ionisation thermique
| A température ambiante, l'agitation thermique provoque la rupture de quelques liaisons covalentes. L'électron ainsi libéré est capable de se déplacer dans le cristal qui devient alors un mauvais isolant. |
|
| Mais ce phénomène touche trop peu d'atomes ( 23 sur 10exp13 à 27°C) pour que le cristal devienne un bon conducteur. |
Recombinaison
| L'ionisation
thermique conduirait à terme à l'ionisation de tous les
atomes de silicium si elle n'était pas compensée par un
autre phénomène : la recombinaison. Un ion posistif peut capter un électron libre et redevenir un atome de silicium. |
|
| Exemple: l'électron libéré par l'atome A (devenu donc un ion positif) est capté par l'ion positif B qui redevient alors un atome de Silicium. |
Notion de trou.
Etude du phénomène
Explications
Bilan de l'étape 1: un électron libre e1 et une absence d'électron en A
1ère ionisation en A |
|
Bilan de l'étape 2: Un électron libre e2 et une absence d'électron en B
2ème ionisation en B |
|
Bilan de l'étape 3: l'électron libre e2 s'est déplacé de B vers A. L'absence d'électron s'est déplacé de A vers B. Cette "absence d'électron" est équivalente à une charge positive "+e" que l'on appelle "trou".
Recombinaison ion A+ avec e2 |
 |
Conclusion
Dans un semi-conducteur pur, il y a donc deux types de porteurs de charges de signe contraires : les électrons libres et les trous.
| Pour augmenter le nombre d'électrons libres dans un cristal de silicium, on peut injecter dans ce cristal des atomes possédant sur leur dernière couche cinq électrons (Phosphore, Arsenic). Quatre de cinq électrons sont mis en commun avec les atomes de silicium voisins pour réaliser des liaisons covalentes. Le cinquième inutilisé est trés faiblement lié à son atome. Une énergie faible suffira pour le libérer. |  |
L'atome d'arsenic As qui a
fourni un électron libre est appelé atome donneur et est devenu
un ion positif.
A température ambiante, la quasi-totalité
des atomes donneurs est ionisée. Ce phénomène s'ajoute à
l'ionisation thermique qui produisait déjà des électrons et
des trous
Les électrons libres apparaissent en grand
nombre et sont appelés porteurs majoritaires d'où l'appellation
de semi-conducteur de type N. Le nombre d'électrons libres est
proche du nombre d'atomes d'arsenic. Les trous sont appelés
porteurs minoritaires. On peut donc représenter le cristal de la
manière suivante:
| On obtient un semi-conducteur de type P en injectant des atomes trivalents possédant sur leur dernière couche trois électron (Bore). Il manque ainsi un électron à l'atome trivalent pour réaliser toutes les liaisons covalentes avec ses voisins ce qui crée un trou. |  |
L'atome de bore B qui capte un électron
est appelé atome accepteur et est devenu un ion négatif.
A température ambiante la quasi-totalité
des atomes donneurs est ionisée. Ce phénomène s'ajoute à
l'ionisation thermique qui produisait déjà des électrons et
des trous.
Les trous apparaissent en grand nombre et
sont appelés porteurs majoritaires d'où l'appellation de
semi-conducteur type P. Le nombre de trous est proche du nombre
d'atomes de Bore. Les électrons sont appelés porteurs
minoritaires. On peut donc
représenter le cristal de la manière suivante :
5.Conduction des semi-conducteurs
La mobilité des porteurs de charges
Dans un semi-conducteur isolé, les porteurs de charges mobiles se déplacent dans tous les sens: Aucune direction de circulation n'est privilégiée.
| Lorsque l'on applique au même semi-conducteur une différence de potentiel (V) il apparaît un champ électrique qui favorise le déplacement des trous dans le sens de E (figure) et le déplacement des électrons dans le sens inverse. |  |
La jonction
On obtient une jonction PN par la mise en contact d'un semi-conducteur P et d'un semi-conducteur N.
Les électrons libres de Nse dirigent vers la zone P où ils se recombinent avec les trous libres. De même, les trous libres de P se dirigent vers la zone N où ils se recombinent avec les électrons libres.
Dans la zone de transition, initialement neutre, l'excés de charges va créer un champ électrique qui stoppe le mouvement des charges mobiles il y a un état d'équilibre.
La jonction PN polarisée en direct
Une jonction est polarisée en direct quand le potentiel du semi-conducteur P est plus élevé que le potentiel du semi-conducteur N.
Polarisation d'une jonction PN
Cette élévation du potentiel va permettre de vaincre le champ électrique E de la zone de transition et entraîne la circulation des porteurs de charges. Il se crée alors un courant électrique. La circulation des porteurs de charges augmente avec la tension donc le courant augmente avec la tension.
La diode
La diode à jonction P-N est un composant formé par la succession suivante de matériaux
Ce composant de base de l'électronique permet de laisser passer le courant dans un seul sens à partir d'une valeur minimal de tension Uak.
Les transistors à jonctions
Ce composant permet d'amplifier le courant Ib. Le courant Ic ainsi obtenu pourra alimenter des circuits demandant plus d'intensité.
Les circuits intégrés
Circuit fabriqué dans du silicium dans lequel on crée des zones P et N par implantation.
