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APPROCHE THEORIQUE INTRODUCTION A L'ELECTRONIQUE A4 THEORIE DES SEMI-CONDUCTEUR

APPROCHE THEORIQUE INTRODUCTION A L'ELECTRONIQUE A4 THEORIE DES SEMI-CONDUCTEURS EPSIC.ch / Site Technique Electronique / Fichiers *.pdf - Version août 2000 - Date conversion : 20/09/01 PAGE 1 / 11 SOMMAIRE A4.1 Théorie des atomes A4.2 Semi-conducteur pur A4.3 Dopage d'un semi-conducteur A4.4 Effet diode, la jonction P - N A4.5 Mécanisme de conduction d'une diode A4.5.1 Le plus à la zone P A4.5.2 Le plus à la zone N A4.6 Effet Zener, une jonction fortement dopée A4.7 Effet transistor, du microscope à l'ohmmètre A4.8 Effet transistor, du microscope à l'ampèremètre A4.9 Effet transistor, du microscope à l'effet transistor A4.10 Effet de champ A4.11 Bibliographie (Les renvois entre crochets [*] y font référence) A4.1 Théorie des atomes Pour comprendre quelque peu le fonctionnement des composants électroniques réalisés à l'aide des matériaux ou alliages semi-conducteurs, il nous faut avoir en tête la théorie des atomes. L'explication actuelle que nous donne les physiciens sur la matière met en jeux la composition de celle-ci. La matière serait composée d'atomes d'un diamètre d'environ 1 ⋅ 10-10 à 1 ⋅ 10-12 mètre de diamètre, distincts entre eux par leur nombre de particules dont ils sont eux-mêmes composés. Ces atomes sont classés précisément par l'évolution du nombre de ces particules, le premier atome n'en contenant que deux jusqu'aux derniers qui en contiennent plus de cent. C'est le tableau périodique des éléments créé par Dmitri Mendeleïev (1834 - 1907). Il est admis que les particules qui composent l'atome sont organisées avec un noyau, dont le diamètre est d'environ 1 ⋅ 10-14 mètre, qui contient des protons et des neutrons accompagné autour d'un nuage de petits électrons qui gravitent au loin, à des distances bien définies appelées couches électroniques. Chaque proton ou neutron, appelés tous deux nucléons, est d'un diamètre et d'une masse environ 2000x supérieure à un électron. Les forces qui interagissent entre toutes ces particules ainsi que celles qui interviennent entre les différents atomes d'un objet vont fortement influencer le comportement d'un matériau en fonction des contraintes qu'il subit. En ce qui concerne l'électricité et ces effets, ce sont essentiellement les électrons qui gravitent sur la dernière couche électronique qui sont impliqués. La nature à fabriqué des atomes ne possédant jamais plus de 8 électrons périphériques (pour un état stable). Le tableau périodique des éléments nous le confirme. La représentation la plus usuelle d'un atome est celle proposée par le physicien Niels Bohr (1885-1962) qui est une représentation très pratique pour un électronicien qui va encore le simplifier. IMAGE A4.1, J.KANE, PHYSIQUE, 1994, INTEREDITIONS, PARIS APPROCHE THEORIQUE INTRODUCTION A L'ELECTRONIQUE A4 THEORIE DES SEMI-CONDUCTEURS EPSIC.ch / Site Technique Electronique / Fichiers *.pdf - Version août 2000 - Date conversion : 20/09/01 PAGE 2 / 11 A4.2 Semi-conducteur pur Il est facile de simplifier au maximum la représentation de Niels Bohr en ne laissant apparaître que le noyau avec les couches électronique interne et la dernière couche électronique, appelée couche périphérique ou couche de valence. Un matériaux semi-conducteur à la particularité de posséder 4 électrons périphériques, soit exactement la moitié d'une couche complètement saturée. Cette particularité va lui donner un comportement particulier en ce qui concerne les phénomènes électriques, entre autres. Le matériaux semi-conducteur actuellement le plus utilisé est le SILICIUM. Toutefois, pour utiliser du silicium en électronique, il faut obtenir des plaquettes d'une pureté extraordinaire. La pureté est de l'ordre de un atome impur pour un million d'atomes de silicium. Le tout reste totalement stable si la température est très basse. Pour illustrer non seulement un seul atome de silicium mais une plaquette entière, nous simplifions la représentation en ne faisant apparaître que les noyaux avec les couches atomiques intérieures par les cercles comme ci-dessus et avec des traits doubles pour illustrer les électrons périphériques entre chaque atomes. De plus, les atomes du silicium purifié s'organisent entre eux de manière très régulière, suite aux traitements subis, ce qui nous amène à parler d'un cristal semi-conducteur, ou d'une structure cristalline du silicium. Cette organisation atomique donne des propriétés électriques particulières au silicium électronique. Grâce à l'organisation cristalline, chaque atome est entouré de quatre atomes voisins qui vont combiner ensemble leurs électrons de valence de fait que chaque atome se trouve entourer de huit électrons périphériques. Ce qui donne la propriété d'un isolant parfait: A TRES BASSE TEMPERATURE, AU VOISINAGE DU ZERO ABSOLU (0 KELVIN) LE SILICIUM PUR EST UN ISOLANT PARFAIT. Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si liaisons Si plaquette de Si pur couche périphérique noyau + couches internes Si Si IMAGE A4.2 IMAGE A4.3 APPROCHE THEORIQUE INTRODUCTION A L'ELECTRONIQUE A4 THEORIE DES SEMI-CONDUCTEURS EPSIC.ch / Site Technique Electronique / Fichiers *.pdf - Version août 2000 - Date conversion : 20/09/01 PAGE 3 / 11 Dès que la température augmente, l'agitation des atomes entre eux va va bousculer cet ordre établi et des électrons périphériques peuvent se retrouver arrachés à la liaison cristalline des atomes. Ces électrons se retrouvent à une distance des noyaux qui leur permet de se déplaçer dans la plaquette de silicium. Les électrons ainsi libérés ont chacun rompu une liaison cristalline du silicium. Ils ont donc laissé derrière eux un emplacement vide, nous parlons d'un "trou". Ces électrons vont se déplacer librement dans la plaquette jusqu'au moment où ils rencontre un "trou" et se fixer à nouveau dans le réseau. Ce déplacement aléatoire d'électrons (dans n'importe quel sens) correspond à un courant électrique aléatoire qui représente ce que nous appelons du souffle électronique. Toutefois, ce courant est très, très faible et nous parlons de conduction intrinsèque. Cette conduction intrinsèque est pratiquement non mesurable pour un technicien de maintenance. Ces courants, souvent indésirables, sont de l'ordre du nanoampère et appelés courants de fuites. Même non mesurable, ces courants de fuites existent néanmoins et deviennent trop important si la température n'est pas contrôlée. UN SEMI-CONDUCTEUR EST DONC TRES SENSIBLE A LA TEMPERATURE ET NECESSITERA DES MOYENS EXTERNES DE STABILISATION. SANS QUOI UN EMBALLEMENT THERMIQUE ENTRAÎNE TRES VITE LA DESTRUCTION DU SEMI-CONDUCTEUR. A4.3 Dopage d'un semi-conducteur Afin d'améliorer la conduction d'un semi-conducteur, les fabricants injectent dans une plaquette semi- conductrice des matériaux étrangers, ou impuretés, qui possèdent un nombre d'électrons périphériques juste inférieur ou juste supérieur aux 4 électrons du semi-conducteur. Le dopage N consiste à ajouter au semi-conducteur des atomes possédants 5 électrons périphériques. Quatre de ces électrons vont participer à la structure cristalline, et un électron supplémentaire va se retrouver libre et pouvoir se déplacer dans le cristal. Nous parlons de porteurs de charges mobiles. Les ions + sont fixes car ils font partie de la structure atomique cristalline de la plaquette de silicium. Rappelons que les ions comprennent le noyau des atomes et qu'ils sont gros, lourds et solides par rapports aux porteurs de charges mobiles. Un électron est environ 2000x plus petit qu'un seul proton. électrons libérés par agitation thermique Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si - - - Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si liaisons Si plaquette de Si pur - + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - plaquette de Si dopé N ions + immobiles électrons mobiles "trou" laissé par un électron IMAGE A4.4 IMAGE A4.5 IMAGE A4.6 APPROCHE THEORIQUE INTRODUCTION A L'ELECTRONIQUE A4 THEORIE DES SEMI-CONDUCTEURS EPSIC.ch / Site Technique Electronique / Fichiers *.pdf - Version août 2000 - Date conversion : 20/09/01 PAGE 4 / 11 Le dopage P consiste à ajouter au semi-conducteur des atomes possédants 3 électrons périphériques. Ces trois électrons participent à la structure cristalline, mais un "trou" est créé par chaque atome étranger puisqu'il lui manque un électron périphérique. Les "porteurs de charges électriques" mobiles sont responsables de la conduction d'une plaquette de silicium dopée. Si la proportion de dopage est de l'ordre de dix atomes de dopant P pour 100 atomes de silicium, la conductibilité du semi-conducteur est améliorée dans la même proportion, soit de 10%. Il est donc possible de "régler" la conduction d'un semi-conducteur en choisissant la quantité de dopage. A l'intérieur d'un circuit intégré, il est aisé d'imaginer des zones plus ou moins dopées de manière à obtenir des résistances électriques. A4.4 Effet diode, la jonction P - N Il est aisé de s'imaginer ce qui se passe lorsque deux zones de dopage P et N sont réalisées sur une même plaquette. A la jonction (réunion) des deux zones, les porteurs de charges mobiles se combinent et il apparaît une zone d'espace vide de porteurs de charges mobiles, donc une zone isolante. En observant attentivement la polarité résultante des charges électriques de la zone isolante, on s'apperçoit qu'elle est inverse à la polarité de la région de dopage: charge positive dans la zone N et charge négative dans la zone P. Cela signifie qu'une uploads/Litterature/ cours-diodes.pdf