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Semi-conducteurs
(ou Semiconducteurs)

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Semi-conducteurs

Avertissement

La théorie de la conduction s'appuie sur la physique ondulatoire et quantique.
Il n'est pas question ici d'aborder ce niveau de considérations,
sous-tendu par des prérequis mathématiques et de physique atteignant un haut degré d'abstraction.

Les explications qui suivent s'appuient sur les résultats des théories
sans en donner une démonstration approfondie.

Leur but est de donner des repères faciles à retenir et exploitables
pour se faire en pratique une idée concrète les phénomènes de l'électronique.


Qu'entend-on par "Semi-conducteur ?"

On sait :

  • Que le courant électrique n'est autre que le mouvement de charges électriques.

  • Donc, la conduction du courant électrique par un solide est conditionnée par l'existence de charges électriques pouvant se déplacer librement dans la masse qui le constitue.

    Ce sont, par exemple, les électrons au sein d'un métal ; les ions au sein d'un électrolyte.

    Cette animation est caricaturale : les électrons ne se déplacent pas aussi vite !
    On peut calculer que pour le cuivre, dont la densité de courant maximale admissible
    dans les conducteurs domestiques en cuivre a été fixée à 5 A par mm2 de section,
    les électrons se déplacent à la vitesse d'environ 0,4 millimètres par seconde.

    De l'ordre du mètre par heure !
    Voir le calcul ici :

    Par ailleurs, la fig. ne tient pas compte des "collisions" entre porteurs et ions fixes.
    Ce sont en fait des déviations des trajectoires qui dissipent de l'énergie
    se manifestant en fin de compte par une élévation de tempréature du conducteur.
    C'est l'effet Joule.
    Les "collisions" sont également à l'origine
    de la résistivité, donc la résistance des conducteurs.


    Les charges participant à la conduction sont nommés "porteurs". (Porteurs de charge électrique).

  • Que la résistivité d'un solide conducteur augmente généralement quand on élève sa température.
    On interprète ce phénomène comme résultant de l'accroissement des interactions des porteurs mobiles avec les atomes relativement fixes de la matière constituant le conducteur sous l'effet d'une agitation thermique croissante avec la température.

L'expérience montre que, pour certains corps, c'est l'inverse qui se produit.
Exemples
:

  • Des corps simples tels que :
    Germanium, Silicium, Graphite, Sélénium, etc.

  • Des corps composés tels que :
    Carbure de Silicium, Sulfure de Plomb, Oxyde cuivreux, Arséniure ou Phosphure de Gallium, etc.

On les appelle des semi-conducteurs du fait que leur résistivité est intermédiaire entre celle des conducteurs et celle des isolants..

Interprétation

Atomes , électrons & énergie.

En bref :
Puisque la conduction est liée à la mobilité des porteurs au sein de la matière,
nous allons examiner les conditions de cette mobilité
dans le cas des conducteurs de type cristallin tels que les métaux.

En particulier : les électrons qui orbitent autour des noyaux sont-ils, tous ou partie,
suceptibles de participer à la conduction (ce qui implique qu'ils quittent leurs orbites) ?


Introduction :
Il faut une certaine énergie pour mettre un satellite en orbite planétaire.
Cette énergie est d'autant plus élevée que l'orbite est éloignée de la planète.
Chaque orbite correspond ainsi à un certain niveau d'énergie.

Inversement, si un extra-terrestre voulait s'emparer d'un des nombreux satellites terrestres
il lui serait plus facile (il devrait consommer moins d'énergie)
de déloger ceux qui se trouvent en orbite haute.

Il existe une certaine analogie entre les satellites planétaires et les électrons orbitant autour du noyau,

Contrairement aux satelites terrestres dont on peut varier l'orbite de manière progressive et continue,
les électrons ne peuvent occuper qu'un certain nombre d'orbitales

correspondant à des niveaux discrets (discontinus) d'énergie.

Ces niveaux, d'énergie, répertoriés pour chaque atome, sont des possibilités mathématiques.
Ils sont occupables par un et un seul électron, mais pas forcément tous occupés.

Bandes


Bande de valence - Bande de conduction

Electrons & Trous

Au sein d'un solide cristallin, les électrons ont donc des statuts différents suivant leur niveau d'énergie :

  • Ceux qui sont profondément enfouis dans les orbites basses proches du noyau.
    L'énergie pour les en déloger est considérable.
    Ils ne participeront pas à la conduction.
    Les niveaux d'énergie de ces orbitales profondes ne sont pas représentés sur les figures.

  • Les électrons dits de valence.
    Ils occupent des orbitales communes entourant (partagées avec) les atomes voisins.
    Ils assurent ainsi la cohésion atomique interne des composés chimiques solides cristallins.
    "Valence" a ici le sens dela chimie.
    Les électrons de valence ont des niveaux d'énergie se situant dans entre certaines limites.
    L'ensemble de ces niveaux constitue la
    BANDE DE VALENCE
    Ils ne participent pas à la conduction.


  • Lorsque la bande de valence d'un atome est naturellement incomplète, certains électrons ne participant pas à la cohésion peuvent s'y trouver et ce fprcément dans des couches d'énergie supérieure donc plus facilement délogeables.
    Ce sont ceux qui, éventuellement, peuvent s'éloigner des noyaux pour participer à la conduction.
    S'ils le font, ils sont appelés électrons libres.
    Les différents niveaux d'énergie correspondant à ces orbitales susceptibles, par leur niveau d'énergie, de contenir des électrons pouvant participer à la conduction sont groupés sous le nom de BANDE DE CONDUCTION.


CONDUCTEURS


Insistons :
N'exitant pas de niveau d'énergie intermédiaire entre deux niveaux
Donc pas d'orbitale possible entre deux niveaux.
Mais tous les niveaux ne sont pas forcément occupés par un électron.

Dans le cas des conducteurs, un électron peut passer facilement (moyennant peu d'énergie)
d'une orbitale de valence
à la conduction, circulant alors au sein du conducteur
sous l'impulsion du champ électrique créé par le générateur.


ISOLANTS


Les isolants se caractérisent par :

  • Leur bande de valence est complète.
    Chacun des niveaux de cette bande est occupé par un électron.

  • Une bande de conduction vide.
    Aucun électron n'est disponible pour occuper un niveau quelconque de la bande de conduction.
    Ceci signifie que tous les électrons de l'atome occupent tous les niveaux profonds plus tous
    ceux de la bande de valence.

  • Une bande interdite très large.
    Ce qui signifie que les niveaux des bandes de conduction correspondent à des énergies beaucoup plus élevées que celui du niveau le plus haut de la bande de valence.
    Bande interdite (gap en anglais) pour le diamant : 6 eV.

On comprend ainsément dans ces conditions, le statut de la conduction d'un isolant !.


Semi-conducteurs intrinsèques

Il s'agit de certains corps purs tels que le silicium monocristallin.


La bande interdite est étroite.
( Germanium : 2,26 eV - Silicium : 1,12 eV - Phosphure de Gallium : 0,66 eV).
L'agitation thermique suffit, à partir d'une certaine température,
pour apporter à un électron de la bande de conduction.

Nous comprenons maintenant pourquoi un accroissement de la température
facilite la conduction, donc la conductivité des semi-conducteurs.

Cet accroissement de conductivité peut se produire également par l'apport d'énergie due
à l'incidence d'une onde électromagnétique comme la lumière.
Nous en verrons des applications en optoélectronique.


Semiconducteurs Extrinsèques

Il s'agit d'un autre type de semiconducteurs obtenus
en diffusant de manière homogène dans l'édifice atomique de semiconducteurs purs (intrinsèques)
d 'infimes quantités de corps purs dont la structure atomique et électronique
va perturber le mode de conduction du semiconducteur initial.

Ces infimes quantités de produit s'appellent souvent impuretés.
L'opération qui consiste à introduire de manière controlée des impuretés s'appelle "dopage"

Avant d'aller plus loin, il nous faut étudier un mode particulier de conduction dit "par trous" !
Puis les types de semiconducteurs types N et P.

 


Conduction par trous
Nous venons d'examiner la conduction par des électrons libres.
Il existe un autre type de porteurs appelés "trous".
Ce ne sont pas des particules mais une fiction mathématico-physique que les théoriciens emploient
pour décrire plus simplement les comportements particuliers de certains électrons
passant de la bande de valence à celle de conduction.

Ces "pseudo-particules" se comportent comme des charges positives +e,
(charge, en valeur absolue, égale à celle, -e, de l'électron ),
et se déplaçant en sens inverse de celui des électrons.

Voici une animation didactique de ce paradoxe.

Elle figure de manière très simplifiée une rangée d'atomes d'un solide cristallin
dont la conduction se ferait par trous.
Ce semiconducteur serait mis sous tension entre deux électrodes métalliques :

  • L'ANODE : reliée au pôle PLUS d'un générateur
  • La CATHODE : reliée au pôle MOINS du même générateur.

Touches d'animation à votre disposition.
1 pas Avant
1 pas Arrière
Début
Fin
Automatique
Arrêt Auto

Observez :

  1. Que les noyaux ne se déplacent pas.mais la position de la charge positive créée par un noyau
    ayant perdu un électron se déplace de gauche à droite (sens conventionnel du courant)

  2. Mais que ce sont bien les électrons qui se dépacent physiquement de droite à gauche
    (cathode vers anode) en passant d'un atome à l'autre.
[ 1 pas Avant ] fait avancer le phénomène pas à pas dans le sens conventionnel du courant
Il est facile de comprendre qu'en raison de ce mécanisme de tranfert
mettant en jeu des interactions successives entre atomes voisins,
la vitesse de déplacement de charges par trous
est inférieure à celle par électrons libres.


C'est la nature du réseau cristallin, donc du semiconducteur,
qui détermine la prévalence d'un mode de conduction sur l'autre.


Semiconducteurs de type N - Semiconducteurs de type P

On appelle :

  • semiconducteur de type N ceux dont les porteurs majoritaires sont des électrons.
  • semiconducteur de type P ceux dont les porteurs majoritaires sont des trous.

Les semiconducteurs de type N ou P sont obtenus par un dopage favorisant la conduction
par porteurs, respectivementen N (électrons) et P (trous).


Qu'est-ce-qu'une JONCTION ?
 
J'arrête là pour aujourd'hui



                                                     
      

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