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Rappel sur les Semi-conducteurs, conducteurs et Isolants Si lon classe les éléments chimiques solides à la température ambiante en fonction de leurs résistivités,

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1 Rappel sur les Semi-conducteurs, conducteurs et Isolants Si lon classe les éléments chimiques solides à la température ambiante en fonction de leurs résistivités, on constate quil se place dans leurs grande majorités en deux groupes. Isolant [ ρ ] Ω Cm Conducteur [ ρ ] Ω Cm Semi-conducteur Quelques éléments ont une résistivité intermédiaires. Pour cette raison ils ont le nom de semi-conducteur [ ρ 10 6 ] Ω Cm

2 Par leurs propriétés électriques, les matériaux peuvent être classés en trois groupes: les conducteurs, les semi-conducteurs et les isolants. 1- Conducteurs Un conducteur est un matériau qui conduit aisément le courant électrique. Les meilleurs conducteurs sont des matériaux constitués dun seul élément comme le cuivre, largent, lor et laluminium, ces éléments étant caractérisés par un seul électron de valence faiblement lié à latome. Ces électrons de valence peu retenus peuvent facilement se détacher de leur atomes

3 2- Isolants Un isolant est un matériau qui ne conduit pas le courant électrique sous des conditions normales. La plupart des bons isolants sont des matériaux composés de plusieurs éléments, contrairement aux conducteurs. Les électrons de valence sont solidement rattachés aux atomes, laissant très peu délectrons libres de se déplacer dans un isolant. 3- Semi-conducteurs Un semi-conducteur est un matériau se situant entre le conducteur et lisolant. Un semi-conducteur à létat pur (intrinsèque ) nest pas un bon conducteur ni un bon isolant. Les éléments uniques les plus utilisés pour les semi-conducteurs sont le Silicium, le Germanium et le carbone.

4 Des éléments composés tels lArséniure de gallium sont aussi couramment pour les semi-conducteurs. Les semi- conducteurs à élément unique se caractérisent par des atomes à quatre électrons de valence La couche de valence dun atome représente une bande dun certain niveau énergétique et que les électrons de valence sont confinés à cette bande. Lorsquun un électron acquiert assez dénergie additionnelle dune source externe, il peut quitter la couche de valence, devenir un électron libre et exister dans ce que lon désigne comme étant la bande de conduction. 4- Bandes dénergie

5 En terme dénergie, la différence entre la bande de valence et la bande de conduction est appelée un écart énergétique. La figure.1 montre les diagrammes dénergie pour un isolant, un semi-conducteur et un conducteur. Energie Bande de conduction 0 Bande de valence Ecart énergétique Isolant Un vaste écart énergétique entre les bandes. Les ès de valence ne peuvent sauter vers la bande de conduction. Fig.1

6 Energie Bande de conduction 0 Bande de valence Ecart énergétique Semi-conducteur Un semi-conducteur possède un écart énergétique plus restreint, permettant à quelques électrons de sauter vers la bande de conduction et devenir des électrons libres (figure.2). Fig.2

7 Energie Bande de conduction 0 Bande de valence Chevauchement Conducteur Les bandes énergétiques se chevauchent dans un conducteur.Dans un matériau conducteur, il existe toujours un grand nombre délectrons libres figure.3). Fig.3

8 5- Conduction des semi-conducteurs a)Electrons de conduction et trous Un cristal de silicium intrinsèque (pur ) à la température ambiante tire de lénergie thermique de lair environnant. Quelques électrons de valence absorbent alors lénergie suffisante pour traverser lécart entre la bande de valence et la bande de conduction, devenant ainsi des électrons libres de dévier, non liés à un courant atome. Les électrons libres sont aussi appelés électrons de conduction. Cette situation est illustrée dans le diagramme énergétique de la figure 4.

9 Energie Electron libre 0 Trou Bande de conduction Paire électron -trou Bande de valence Fig.4 Création dune paire électron-trou dans un atome excité de silicium.Un électron dans la bande de conduction est un électron libre.

10 Courant délectron et courant de trou Lorsquon applique une tension à travers une pièce de silicium, les électrons libérés par énergie thermique dans la bande de conduction, libres de mouvoir aléatoirement dans la structure du cristal, sont alors facilement attirés vers la borne positive. Ce mouvement délectrons libres est un type de courant dans un matériau semi-conducteur et on lappelle courant délectron. Un autre type de courant se produit au niveau de valence, où subsistent les trous créés par les électrons libres. Les électrons situés dans la bande de valence sont toujours liés à leurs atomes et ne sont pas libres de se mouvoir au hasard dans la structure du cristal. Cependant, un électron de valence peut se déplacer dans un trou à proximité avec un peu de changement à son niveau énergétique, laissant lui-même un autre trou. En réalité, le trou sest déplacé, quoique non physiquement, dun endroit à un autre dans la structure du cristal.. Ce courant est appelé courant de trou.

11 Semi-conducteurs de type N et de type P 1 - Dopage : Les conductibilités du silicium et du germanium peuvent être augmentées de façon drastique ( sévère) et contrôlées par laddition dimpuretés dans le semi-conducteur intrinsèque ( pur ). Ce procédé, appelé dopage, augmente le nombre de porteurs de courant ( électrons et trous ). Les catégories dimpuretés sont de type N et de type P. 2- Semi-conducteurs de type N Pour augmenter le nombre délectrons de la bande de conduction dans un silicium intrinsèque, on ajoute des atomes dimpureté pentavalents. Ce sont des atomes avec cinq électrons de valence, tels larsenic ( As), le phosphore ( P), le bismuth ( Bi) et lantimoine ( Sb). Dans un semi-conducteur de type N, les électrons libres sont majoritaires alors que les trous sont minoritaires (figure.5).

12 Si Sb Electron libre de latome dantimoine Atome dimpureté pentavalent dans un cristal de silicium. Un atome dimpureté dantimoine (Sb) est illustré au centre. Fig.5

13 Les atomes donneurs sont des atomes pentavalents que lintroduit dans le semi-conducteur pour le rendre extrinsèque; ces atomes sont susceptibles de donneur un libre. On parle dun dopage de type N. Semi-conducteur de type P Pour augmenter le nombre de trous dans le silicium intrinsèque, on ajoute des atomes dimpureté trivalents. Ce sont des atomes avec trois électrons de valence, tels laluminium ( Al ), le bore (B) et la gallium ( Ga) (fig.). Le nombre de trou peut être contrôlé par la quantité dimpureté trivalents ajoutée au silicium. Un trou crée par cette méthode de dopage nest pas accompagné dun électron de conduction ( libre). Dans un semi-conducteur de type P, les trous sont majoritaires et les électrons sont minoritaires (figure.6).

14 On appelle atomes accepteurs les atomes trivalents que lintroduit dans le semi-conducteur pour le rendre extrinsèque de type ; ces atomes sont susceptibles daccepter un électron de valence. On parle dun dopage de type P. Si B Trou de latome de bore Atome dimpureté trivalent dans un cristal de silicium. Un atome dimpureté de bore (B) est illustré au centre. Fig.6

15 Conductivité : La conductivité est un paramètre qui indique la faculté de conduction de courant électrique dun matériau, plus elle est grande, plus le matériau est un bon conducteur de courant. Pour un semi-conducteur elle sexprime en fonction des densités de porteurs et de leurs mobilités. =q ( n n + p p ) n : Mobilité pour les électrons p : Mobilité pour les trous n:densité des porteurs pour les électrons p:densité des porteurs pour les trous

16 Mobilité La mobilité est un paramètre qui rend compte de linertie du réseau cristallin ou des frottements quexerce ce réseau sur les électrons et sur les trous. Cest une constante pour un matériau donné à une température donnée. Diffusion Mouvement dun ensemble de particule dans un milieu, sous laction de différence concentration, température… etc. Résistivité La résistivité est linverse de la conductivité, cest un paramètre qui indique le pouvoir isolant du matériau. Plus la résistivité est élevé plus le matériau est isolant.

17 Relation dENSTEIN U T = D µ D : Constante de diffusion U T :Potentiel thermodynamique U T = KT q K: Constante de Boltzmann T: Température ambiante q:charge délectricité U T = mV # 26 mV à 300°K

18 Exemple de coefficient de diffusion pour certains matériaux: Germanium: Dn : 90 cm²/s pour les électrons Dp : 44 cm²/s pour les trous Dn : 31 cm²/s pour les électrons Dn : 13 cm²/s pour les trous Silicium

19 1- Définition: - On appelle jonction P N, un monocristal semi-conducteur dans lequel existent deux régions dopées avec des impuretés de signe contraires de densité N A côté P, et N D côté N séparées par une surface plane. - Une diode est une valve électronique qui ne permet le passage du courant que dans un seul sens. Son symbole et sa structure schématique sont représentés par les figures 7.( a et b ). Jonction Contact métallique P NANA Fig.7 a NANA N

20 Anode Cathode A C i V AC = V A -V C Le terme jonction PN, au sens large généralement, désigne la zone de charge spatiale qui sétend de part et dautre de la jonction métallurgique.La jonction métallurgique est la surface de transition entre une région P et une région N. Fig.7 b

21 Le terme jonction PN, au sens large généralement, désigne la zone de charge spatiale qui sétend de part et dautre de la jonction métallurgique.La jonction métallurgique est la surface de transition entre une région P et une région N. 2- Polarisation directe : Pour polariser une jonction PN, il suffit dappliquer une tension continue externe à travers cette jonction. Le potentiel de lanode doit être relié à la borne plus ( +) de lalimentation et la cathode doit être connectée à la borne moins ( – ) de lalimentation comme lindique la figure 7 c. La polarisation directe est la condition qui permet le passage du courant à travers la jonction PN. La résistance R limite le courant direct Id à une valeur qui nendommagera pas la structure de la jonction.

22 N P + - R Id Va Fig.7 c Contacts ohmiques

23 3- Polarisation de la jonction en sens inverse La jonction est polarisée en sens inverse si le pôle négatif de la source P N + - R I inverse Va Fig.8

24 Va est relié à la région P et le pôle positif de la source Va est relié à la région N comme lindique la figure Champ électrique résultant Trou Electron Zônes de charge déspace Zône neutre PN

25 La polarisation inverse est la condition dans laquelle le courant ne traverse pas la jonction PN. Il faut aussi noter que la région dappauvrissement ( zones de charge despace) est beaucoup plus large quen polarisation directe ou en condition déquilibre. Le fonctionnement dune jonction en polarisation inverse est illustré à a figure 8. Puisque les charges contraires sattirent, la borne positive de la source > les électrons libres, qui sont les porteurs majoritaires dans la région N, loin de la jonction PN.

26 A mesure que les électrons affluent vers la borne positive de la source, des ions positifs additionnels sont créés, ce qui élargit la région dappauvrissement et diminue le nombre de porteurs majoritaires. Dans la région P, les électrons près de la borne négative de la source entrent tels des électrons de valence, se déplaçant de trou en trou à travers la région dappauvrissement ou se crée des ions négatifs additionnels. Cette situation élargit la région dappauvrissement et diminue le nombre de porteurs majoritaires. 4-Diagrammes énergétiques des polarisations directe et inverse Les figures 9 (a, b et c ) illustrent les diagrammes énergétiques à léquilibre, en polarisation inverse et directe

27 Energie Région P Région N Jonction PN et région d appauvrissement Bande de conduction Bande de valence A léquilibre Fig.a

28 Energie Région P Région N Jonction PN et région d appauvrissement Bande de conduction Bande de valence Colline énergétique Polarisation directe Électrons Fig.b

29 Energie Région P Région N Jonction PN et région d appauvrissement Bande de conduction Bande de valence Polarisation inverse Colline énergétique Électrons minoritaires Fig.c

30 5- Résumé de la polarisation de la jonction 5-1 Polarisation direct - Brancher la borne de polarisation positive à la région P et la négative à la région N. - La tension de polarisation doit être supérieure à la barrière de potentiel. - Barrière de potentiel : 0.7 V pour le Si et 0.3 V pour le Ge - Les porteurs majoritaires procurent le courant avant (direct ). - Les porteurs majoritaires traversent la jonction PN. - La région dappauvrissement se rétrécit.

31 5-2 Polarisation inverse - Brancher la borne de polarisation positive à la région N et la négative à la région P. - La tension de polarisation doit être inférieure à la tension de claquage. - Les porteurs minoritaires procurent un faible courant inverse. - Les porteurs majoritaires séloignent de la jonction PN durant la courte période transitoire. - La région dappauvrissement est élargit.

32 Fig.10 6 Caractéristique courant tension( I-V) en polarisation direct dune jonction ( figure 10) Id R E V

33 R: résistance de protection de la diode: E : Tension de polarisation Id : Courant qui circule dans la diode V: tension aux bornes de la diode La théorie au premier ordre nous donne la caractéristique courant tension de la diode. Id = Is ( Exp ( V/nU T - 1) )(1) Is = qAn²i[D p /(N D L p Th(W N /L p ) + D n /(N A L n Th(W p /L n ) ] Is : courant de saturation, il est lié directement à la structure physique ( dopage, lépaisseur,géométrique, lépaisseur effective de la zone de diffusion, lépaisseur de la zone de charge despace, la constante de diffusion et la longueur de diffusion.

34 Le plus souvent, on utilise la relation simplifié. Is # qAn² i D/(NW N ) # qAn² i D/(NW X ) Is = CT 3 Exp ( -Eg/KT )(2) Ordres de grandeurs : Si on considère une diode Si ( matériau actuellement le plus utilisé) et dopage denviron /cm 3, A:10 -3 cm² ( 300 µm x 300 µm ) Le courant Is # 0.1 pA. n:coefficient démission. ( 1> qq nU T Léquation ( 1) peut sécrire sous la forme suivante: Id # Is Exp ( V/nU T )(3)

35 Id # Is Exp ( V/nUT) Id (mA) Caractéristique direct courant –tension dune jonction (figure.10 ) V ( v) V d = V 0 Fig.10

36 Vd est appelée tension de seuil ( coude, déchet ): cest la tension au de là de laquelle la diode est passante ( conductrice ). La tension de seul varie en fonction de la technologie : Silicium : Vd = 0.6 V à 0.7 V Germanium : Vd = 0.3 V Arséniure de Gallium: Vd = 1.2 V à 1.4V 7- Résistance ohmique de la diode La résistance ohmique dun composant se déduit de la loi dOhm. Daprès la relation (1) on peut écrire : (Id + Is)/Is = Exp V/nU T R = Id/V= nU T l n (1+ Id/Is)/Id

37 La relation précédente ( 4) peut être simplifié : R # nU T l n (Id/Is)/Id(4) 7- Résistance dynamique de la diode La résistance dynamique ( rd) est la pente de la caractéristique (I-V) au point de fonctionnement r d = d V /dI d = (nU T )/ ( Id + Is) r d # (nU T )/ ( Id)( 5) Pour un courant Id de 1 mA à température ambiante la résistance dynamique est de lordre de 26 ohms. Elle diminue quand le courant Id augmente.

38 Si on modélise les pertes ohmiques par une résistance Rs,on peut calculer la résistance dynamique ( rd) de la manière suivante: r d = d V /dI d =Rs+dVj/dI d r d =Rs+ (nU T )/ ( Id + Is) r d # Rs + (nU T )/ ( Id) Rs Id V rdrd 1/Id Rs Vj

39 8- Caractéristique courant tension( I-V) en polarisation inverse dune jonction ( figure 11) Iinv R E V Fig.11

40 En polarisation inverse la relation de léquation ( 1 ) devient : Id = Is ( Exp ( -V/nUt - 1) )(6) Lorsque la tension aux bornes de la diode est nulle, il n y a aucun courant inverse. A mesure que la tension négative augmente, il nexiste quun très faible courant inverse tandis que la tension aux bornes de la jonction augmente. La relation précédente peut sécrire devient : Id # - Is = I nverse. Lorsque la tension aux bornes de la diode augmente suffisamment et que la tension inverse aux bornes de la diode atteint la valeur de claquage ( V BR ), le courant inverse commence augmenter rapidement. Si lon croit encore la tension, le courant sintensifie très rapidement tandis que la tension aux bornes de la jonction surpasse

41 A peine la tension de claquage V BR, comme le montre la figure 12. Le claquage nest pas un mode opérationnel normal pour la grande majorité des composants à jonction PN. Inverse(pA) Vinverse V BR A B Fig.11 Is # Constant

42 9- Caractéristique courant tension( I-V) complète dune jonction ( figure 12) Fig.12 En combinant les deux courbes de polarisation directe et de polarisation inverse, nous obtenons la courbe caractéristiques I-V complète dune jonction PN comme le montre la figure.12 Id( mA) V( v) I R ( pA) VRVR Vd


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