Semi-conducteur Article, Signification, Explication
| Table of contents |
|
2 Structure électronique des semiconducteurs 3 Dopage et semiconduction intrinsèque 4 Voir aussi 5 Liens externes |
Généralités
Les semiconducteurs sont des matériaux présentant une conductivité électrique intermédiaire entre les métaux et les isolants.
- Les semiconducteurs sont primordiaux en électronique parce qu'ils offrent la possibilité de contrôler, par divers moyens, à la fois la quantité de courant électrique susceptible de les traverser et la direction que peut prendre ce courant.
- Dans un semiconducteur, le courant électrique peut être transporté par deux types de porteurs: les électrons et les trous.
- La propagation par l'intermédiaire d'électrons est similaire à celle d'un conducteur classique: des atomes fortement ionisés passent leurs électrons en excès le long du conducteur d'un atome à un autre, depuis une zone ionisée négativement à une autre moins négativement ionisée.
- La propagation par l'intermédiaire de trous est différente: ici, les charges électriques voyagent d'une zone ionisée positivement à une autre ionisée moins positivement par le mouvement d'un trou créé par l'absence d'un électron dans une structure électrique quasi-pleine.
- Le silicium pur est un semiconducteur intrinsèque. Les propriétés d'un semiconducteur (c'est-à -dire le nombre de porteurs, électrons ou trous) peuvent être contrôlées en le dopant avec des impuretés. Un semiconducteur présentant plus d'électrons que de trous est alors dit de type N, tandis qu'un semiconducteur présentant plus de trous que d'électrons est dit de type P.
Structure électronique des semiconducteurs
Les propriétés des semiconducteurs proviennent de leur structure électronique. Dans les solides, les électrons occupent en général diverses bandes d'énergie. La bande d'énergie associée aux électrons dans leur état fondamental est appelée bande de valence. Ces électrons ne bougent pas. La bande correspondant aux électrons excités est appelée bande de conduction. Ces électrons se déplacent librement dans le solide et ont une énergie bien plus grande. Comme son nom l'indique, les électrons dans la bande de conduction sont capables de conduire l'électricité. La différence d'énergie entre la bande de valence et la bande de conduction est appelée bande interdite et correspond à l'énergie nécessaire pour exciter un électron de la bande de valence vers la bande de conduction. Chez certains métaux, comme le magnésium (Mg), les bandes de valence et de conduction se chevauchent. Dans ce cas, il y a toujours des électrons dans la bande de conduction et le matériau est très bon conducteur. D'autres métaux comme le cuivre (Cu) ont des états vides dans la bande de valence. Dans cette situation, les électrons de la bande de valence peuvent conduire l'électricité en se déplaçant entre ces états et le matériau est là aussi bon conducteur. Chez les isolants, la bande de valence est totalement remplie et la bande interdite est suffisamment large pour empêcher toute conduction. Les semiconducteurs ont une structure électronique similaire à celle des isolants, mais la bande interdite est relativement petite, généralement inférieure à 2 eV. Dans ce cas, les électrons peuvent être excités thermiquement vers la bande de conduction et les semiconducteurs sont plutôt conducteurs à température ordinaire.
Les électrons de la bande de conduction sont libres de se déplacer à travers le matériau et de conduire l'électricité. En outre, quand un électron est excité vers la bande de conduction, il laisse derrière lui un état vide dans la bande de valence, correspondant à un électron manquant dans l'une des liaisons covalentes entre atomes. Sous l'influence d'un champ électrique, un électron de valence voisin peut se déplacer à la place de l'électron manquant, déplaçant du même coup cette place. Ce trou est alors capable de se déplacer à travers le matériau et donc de conduire l'électricité. Les trous sont considérés comme des particules de charge opposée à celle des électrons (1.6×10−19 C). En présence d'un champ électrique, des électrons et des trous se déplacent dans des directions opposées. Les électrons sont plus mobiles que les trous et donc conduisent mieux l'électricité. Parce qu'ils peuvent tous deux la conduire, ils sont nommés porteurs.
La concentration en porteurs dépend fortement de la température. Augmenter celle-ci conduit à augmenter le nombre de porteurs et accroît la conductivité, à la différence de la plupart des conducteurs qui tendent à être moins conducteurs à haute température. Ce principe est utilisé dans les thermistors.
Les semiconducteurs intrinsèques sont ceux dont le comportement électrique ne dépend que de la structure électronique de leur matériau. De ce cas, les porteurs sont tous créés en excitant des électrons dans la bande de conduction. En conséquence, un nombre égal d'électrons et de trous est créé.
Le but d'un dopage de type N est de produire un excès d'électrons porteurs dans le semiconducteur. Afin de comprendre comment un tel dopage s'effectue, considérons le cas du silicium (Si). Les atomes de Si ont quatre électrons de valence, chacun étant lié à un atome Si voisin par une liaison covalente. Si un atome ayant cinq atomes de valence, comme ceux du groupe 15 (VA) de la table périodique (par exemple, le phosphore (P), l'arsenic) (As) ou l'antimoine (Sb)), est incorporé dans le réseau cristallin, alors cet atome présentera quatre liaisons covalentes et un électron libre. Cet électron, qui n'est pas un électron de liaison, n'est que faiblement lié à l'atome et peut être facilement excité vers la bande de conduction. Aux températures ordinaires, quasiment tous ces électrons le sont. Comme l'excitation de ces électrons ne conduit pas à la formation de trous dans ce genre de matériau, le nombre d'électrons dépasse de loin le nombre de trous. Les électrons sont des porteurs majoritaires et les trous des porteurs minoritaires. Et parce que les atomes à cinq électrons ont un électron supplémentaire à « donner », il sont appelés atomes donneurs.
Les matériaux ainsi formés sont appelés semiconducteurs de type N parce
qu'ils contiennent un excès d'électrons négativement chargés.
Le but d'un dopage de type P est de créer un excès de trous. Dans ce cas, un atome trivalent, généralement un atome de Bore, est substitué à un atome de silicium dans le réseau cristallin. En conséquence, il manque un électron pour l'une des quatre liaisons covalentes des atomes de silicium adjacents, et l'atome peut accepter un électron pour compléter cette quatrième liaison, formant ainsi un trou. Quant le dopage est suffisant, le nombre de trous dépasse de loin le nombre d'électrons. Les trous sont alors des porteurs majoritaires et les électrons des porteurs minoritaires. Les atomes de ce genre sont appelés accepteurs.
Une jonction P-N est créée en dopant des régions adjacentes d'un semiconducteur avec des dopants P et des dopants N. Si une différence de potentiel positive est placée du côté du dopage P, les porteurs majoritaires positifs (les trous) sont poussés vers la jonction. Dans le même temps, les porteurs majoritaires négatifs du côté N (les électrons) sont attirés vers la jonction. Comme il y en résulte une abondance de porteurs à la jonction, le courant électrique peut la traverser.
Si la différence de potentiel est inversée, les porteurs majoritaires des deux côtés s'éloignent de la jonction, bloquant ainsi le passage du courant à son niveau.
La jonction P-N est à la base du composant électronique nommé diode, qui ne permet le passage du courant électrique que dans un sens. De manière similaire, une troisième région peut être dopée pour former des doubles jonctions N-P-N ou P-N-P qui forment la base de la plupart des composants utilisant des semiconducteurs, à commencer par les transistors.
Domaines englobants
C'est un article concernant le Semi-conducteur. La page contient la signification du Semi-conducteur , Description et explication au sujet de Semi-conducteur Dopage et semiconduction intrinsèque
Semiconduction intrinsèque
Dopage de type N
Dopage de type P
Jonction P-N
Voir aussi
Sous-domaines
ConceptsLiens externes