Interprétation microscopique (diode et transistor) CENTRE REGIONAL DES METIERS DE LEDUCATION ET DE FORMATION 2014/2015 Interprétation microscopique (diode et transistor) Réalisé par: Fatima Ezzahra MANSOURI Lamia DAOUDI Fatima AHBAR Sofia SAKRI Encadré par : Mr. KADIRA

Généralités: 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 d’un seul élément comme le cuivre, l’argent, l’or et l’aluminium, ces éléments étant caractérisés par un seul électron de valence faiblement lié à l’atome. Ces électrons de valence peu retenus peuvent facilement se détacher de leur atomes

  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 d’électrons libres de se déplacer dans un isolant. 3- Semi-conducteurs Un semi-conducteur est un matériau se situant entre le conducteur et l’isolant. Un semi-conducteur à l’état pur (intrinsèque ) n’est 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. Des éléments composés tels l’Arséniure de gallium sont aussi couramment utilisés. Les semi-conducteurs à élément unique se caractérisent par des atomes à quatre électrons de valence

Bandes d’énergie La couche de valence d’un atome représente une bande d’un certain niveau énergétique et que les électrons de valence sont confinés à cette bande. Lorsqu’un un électron acquiert assez d’énergie additionnelle d’une source externe, il peut quitter la couche de valence, devenir un électron libre et exister dans ce que l’on désigne comme étant la bande de conduction. En terme d’énergie, la différence entre la bande de valence et la bande de conduction est appelée un écart énergétique. Les figures suivantes montrent les diagrammes d’énergie pour un isolant, un semi-conducteur et un conducteur.

Bande d’énergie: cas d’isolant Energie Bande de conduction Ecart énergétique Un vaste écart énergétique entre les bandes. Les électrons de valence ne peuvent sauter vers la bande de conduction. Isolant Bande de valence

Bande d’énergie :cas du 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. Energie Bande de conduction Semi-conducteur Ecart énergétique Bande de valence

Bande d’énergie: cas du conducteur Les bandes énergétiques se chevauchent dans un conducteur, il existe toujours un grand nombre d’électrons libres. Energie Conducteur Bande de conduction Chevauchement Bande de valence

Conduction des semi-conducteurs Un cristal de silicium intrinsèque (pur ) à la température ambiante tire de l’énergie thermique de l’air environnant. Quelques électrons de valence absorbent alors l’énergie suffisante pour traverser l’écart entre la bande de valence et la bande de conduction, devenant ainsi des électrons libres de dévier. Les électrons libres sont aussi appelés électrons de conduction. Cette situation est illustrée dans le diagramme énergétique de la figure suivante.

Energie Paire électron -trou Electron libre Bande de conduction Trou Bande de valence Création d’une paire électron-trou dans un atome excité de silicium .Un électron dans la bande de conduction est un électron libre.

Courant d’électron et courant de trou   Lorsqu’on applique une tension à travers une pièce de silicium, les électrons libérés par énergie thermique dans la bande de conduction , libres de se mouvoir aléatoirement dans la structure du cristal, sont alors facilement attirés vers la borne positive. Ce mouvement d’électrons libres est un type de courant dans un matériau semi-conducteur et on l’appelle courant d’électron. 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 s’est déplacé, quoique non physiquement, d’un endroit à un autre dans la structure du cristal.. Ce courant est appelé courant de trou.

Semi-conducteurs de type N et de type P 1-Dopage :   Le dopage consiste à implanter des atomes correctement sélectionnés (nommés « impuretés ») à l'intérieur d'un semi-conducteur intrinsèque afin d'en contrôler les propriétés électriques. La technique du dopage augmente la densité des porteurs à l'intérieur du matériau semi-conducteur. Si elle augmente la densité d'électrons, il s'agit d'un dopage de type N. Si elle augmente celle des trous, il s'agit d'un dopage de type P. Les matériaux ainsi dopés sont appelés semi-conducteurs extrinsèques.

2- Semi-conducteurs de type N Pour augmenter le nombre d’électrons de la bande de conduction dans un silicium intrinsèque, on ajoute des atomes d’impureté pentavalents. Ce sont des atomes avec cinq électrons de valence, tels l’arsenic ( As), le phosphore ( P), le bismuth ( Bi) et l’antimoine (Sb). Dans un semi-conducteur de type N, les électrons libres sont majoritaires alors que les trous sont minoritaires comme le montre la figure suivante. +4 P(V) Electron libre

3-Semi-conducteur de type P Le dopage de type P consiste à augmenter la densité en trous dans le semi-conducteur. Pour le faire, on inclut un certain nombre d'atomes pauvres en électrons dans le semi-conducteur afin de créer un excès de trous. Dans l'exemple du silicium, on inclura un atome trivalent (colonne III du tableau périodique), généralement un atome de bore. Cet atome n'ayant que trois électrons de valence, il ne peut créer que trois liaisons covalentes avec ses quatre voisins créant ainsi un trou dans la structure, trou qui pourra être rempli par un électron donné par un atome de silicium voisin, déplaçant ainsi le trou. Quand 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. +4 Al(iii) Trou

la jonction PN Une jonction P-N est créée par la mise en contact d'un semi-conducteur dopé N et d'un semi-conducteur dopé P. les porteurs de charges mobiles se combinent et il apparaît une zone d'espace vide de porteurs de charges mobiles, donc une zone isolante (figure a). Contact métallique Jonction P N Fig. a Le terme jonction PN, au sens large généralement, désigne la zone de charge spatiale qui s’étend de part et d’autre de la jonction métallurgique. La jonction métallurgique est la surface transition entre une région P et une région N. de

Jonction PN d’une diode semi-conductrice Une diode semi-conductrice est formée d’un semi-conducteur dopé P (anode) et d’un semi-conducteur dopé N (cathode). Lorsque ces deux éléments sont mis en contact, un régime électrique transitoire s’établit de part et d’autre de la jonction, suivi d’un régime permanent. Une succession de phénomènes se produit ainsi, décrits ci-dessous, qui aboutit à l’expression des intensités des courants circulant dans la jonction. Jonction non reliée à une alimentation Donc, il y a diffusion des porteurs majoritaires.

2 -La diffusion des porteurs majoritaires est arrêtée. 1 -Établissement d’un champ électrique de diffusion ED et donc création d’une barrière de potentiel VD = VN − VP ≈ 0,7 V de part et d’autre de la jonction. 2 -La diffusion des porteurs majoritaires est arrêtée. 3 -Il y a déplacement des porteurs minoritaires et donc apparition d’un courant i1. 4- Or la jonction PN n’est pas reliée au circuit. Donc i2 = −i1. Ce courant i2 ne peut être dû qu’aux porteurs majoritaires qui ont réussi à franchir la barrière de potentiel, grâce à la température et donc à leur énergie cinétique.

Diode En observant attentivement la polarité résultante des charges électriques de la zone isolante, on s'aperçoit 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 jonction PN non alimentée est à l'image d'un condensateur, à savoir deux zones conductrices séparées par une zone isolante. Le symbole de la diode représente directement ces deux zones: Une diode est une valve électronique qui ne permet le passage du courant que dans un seul sens. Son symbole est représenté par la figure ( b ).    Anode Cathode A C i VAC = VA-VC Fig. b

Mécanisme de conduction d'une diode Lorsque l'on alimente une diode, donc une jonction PN, l'effet change selon la polarité de la tension appliquée. Une diode ne laisse passer le courant que dans un seul sens. Essayons de comprendre ce phénomène particulier : Polarisation directe : Le PLUS à la zone P: Si l'alimentation (Ug) est supérieure à 0,6 - 0,7 volts, les porteurs de charges mobiles ont suffisamment d'énergie pour "traverser" la zone isolante.    Fig. d Fig. c

Polarisation directe Nous constatons la circulation du courant électrique. La jonction est conductrice en présentant une différence de potentiel de 0,6 - 0,7 volts à ses bornes. La diode conduit et nous pouvons idéaliser ce fonctionnement en remplaçant la diode par un générateur DC et un interrupteur fermé (fig.d). Nous parlons de: polarisation dans le sens passant, ou sens direct; courant direct; La polarisation directe est la condition qui permet le passage du courant à travers la jonction PN.

Polarisation de la jonction en sens inverse Le PLUS à la zone N : La jonction est polarisée en sens inverse si le pôle négatif de la source est relié à la région P et le pôle positif de la source est relié à la région N comme l’indique la figure (fig.e). Les porteurs de charges mobiles sont attirés vers les connexions extérieures par la présence des charges électriques de l'alimentation. Fig. e Fig. f

Polarisation de la jonction en sens inverse La polarisation inverse est la condition dans laquelle le courant ne traverse pas la jonction. Puisque les charges contraires s’attirent, la borne positive de la source << tire >> les électrons libres, qui sont les porteurs majoritaires dans la région N, loin de la jonction PN. Nous constatons l'élargissement de la zone vide de porteurs de charges. La jonction reste isolante. La diode est bloquée et nous pouvons représenter cet état par un interrupteur ouvert (fig. f). Nous parlons ici de: polarisation dans le sens bloquant, ou dans le sens inverse; en anglais « reverse » .

LES TRANSISTORS BIPOLAIRES

Classification sommaire des transistors Les transistors sont réalisés par la jonction de différentes zones de semi-conducteurs de types N et P. Il existe actuellement deux grandes classes de transistors : 1) D’une part les transistors bipolaires constitués de trois zones de semi-conducteurs . Ces trois zones sont reliées aux trois électrodes appelées : émetteur (E), base (B) et collecteur (C) Ces transistors sont appelés «bipolaires » car les deux types de porteurs de charges qui sont les électrons et les trous, participent à la conduction électrique.

2) D’autre part, les transistors unipolaires dans lesquels un seul type de porteurs de charge est responsable du passage du courant. Ce sont les transistors à effet de champ (TEC), ou transistors FET. (Field Effect Transistors). Les trois électrodes sont la source (S), la grille ou porte appelée aussi en anglais gate (G), et le drain (D). Dans la suite de ce projet on va s’intéresser au transistor bipolaire

Les transistors bipolaires Un transistor bipolaire est constitué d’un monocristal de semi-conducteur (principalement le silicium) dopé pour obtenir deux jonctions, disposées en série et de sens opposé. Il existe donc deux types fondamentaux de transistors bipolaires, dits complémentaires: – les transistors NPN dans lesquels une mince couche de type P est comprise entre deux zones de type N (fig.a); – les transistors PNP dans lesquels une mince couche de type N est comprise entre deux zones de type P (fig.b).

Fonctionnement du transistor NPN L’étude sera menée sur un transistor bipolaire de type NPN qui est le plus utilisé et le plus facile à réaliser. Le fonctionnement d’un transistor de type PNP se déduit facilement en échangeant les rôles des électrons ainsi que des trous et en inversant les signes des tensions d’alimentation et des courants. Il est utile de savoir que la zone d'émetteur est fortement dopée, la zone de base est très étroite (de l'ordre du μm) et faiblement dopée, alors que la zone collecteur, dopée moyennement, est par contre la plus large des trois zones et dissipe le plus de chaleur.

Fonctionnement du transistor NPN Le transistor ressemble donc à deux diodes, l'une pouvant être appelée diode collecteur pour la jonction base-collecteur, et l'autre diode émetteur pour la jonction base-émetteur. Le transistor peut se comparer au schéma de deux diodes dont soit les anodes (cas du NPN) ou les cathodes (cas du PNP) sont reliées et symbolisent la base. Ce schéma équivalent des deux diodes représente bien ce que nous pouvons mesurer à l'aide d'un ohmmètre, mais la comparaison s'arrête là car pour que l'effet transistor existe, il faut bien que la base soit très mince et faiblement dopée, le tout sur la même plaquette semi-conductrice.

Effet transistor Si nous alimentons le transistor de telle manière à polariser les diodes collecteur et émetteur dans le sens direct, nous constatons un grand courant du aux porteurs de charges majoritaires amenés par les atomes du dopage. Si au contraire nous alimentons le transistor de manière à polariser les diodes collecteur et émetteur dans le sens inverse, nous constaterons un très faible courant, dû aux porteurs de charges minoritaires amenés par l'agitation thermique. Ce courant est souvent négligeable, mais il existe néanmoins.

Effet transistor Nous pouvons nous attendre à un courant d'émetteur provenant de la base, puisque la jonction base-émetteur est polarisée dans le sens direct, et à aucun courant de collecteur, car la jonction base-collecteur est polarisée en inverse. Mais ce serait oublier que la base est très mince et faiblement dopée. L'effet transistor peut se résumer (et se simplifier) de la manière suivante: Les électrons venant de l'émetteur (cas du NPN) arrivent dans la région de la base. Deux trajets sont offerts, l'un vers la zone de la base, et l'autre à travers la jonction collecteur et ensuite dans la région du collecteur.

Effet transistor La base étant très mince et remplie d'électrons provenant de l'alimentation de l'émetteur, ceux-ci provoquent un champ électrique sur la jonction collecteur, renforcé par la polarisation inverse de l'alimentation de collecteur, qui entraîne une conduction par effet d'avalanche. En fait, dans la plupart des transistors, plus du 95% des électrons vont dans la région du collecteur, et moins de 5% des électrons vont dans la région de la base et passent au conducteur externe de la base. L'effet transistor n'existe donc que si la diode émetteur est polarisée dans le sens direct et la diode collecteur dans le sens inverse. Si ces conditions sont remplies, nous constatons deux évènements essentiels pour l'utilisation du transistor, à savoir :

Effet transistor 1 - Le courant de collecteur est à peu près égal au courant d'émetteur. (IE = IC à 5% près) 2 - Le courant de collecteur n'est existant que si la jonction base-émetteur est polarisée dans le sens direct (UBE = 0,6V) ce qui implique un courant de base IB. et dans ce cas le transistor devient une source de courant commandée : Le faible courant de base commande un fort courant d'émetteur ( et donc de collecteur )

Effet transistor Le transistor peut se représenter à l'aide d'un schéma équivalent composé d'une source de courant (commandée) et d'une diode.

Gain en courant β En premier lieu, supposons que seule la jonction BC soit polarisée et qu’elle le soit en inverse. Elle est traversée par un courant très faible dû aux porteurs minoritaires appelé ICB0. Polarisons maintenant la jonction base-émetteur en direct. Les électrons qui sont majoritaires dans la région de l’émetteur (type N) diffusent en grande quantité à travers la jonction émetteur-base, polarisée en direct, créant ainsi un courant émetteur IE. Les électrons de l’émetteur traversent en majorité la base et arrivent jusqu’au collecteur. Ainsi l’émetteur « injecte » ou « émet » des porteurs majoritaires et le collecteur les collecte.

Gain en courant β IC = −α IE + ICB0 ≈ − α IE ≈ −IE Nous appelons α la proportion des électrons dans le cas du transistor NPN émis par l’émetteur, qui parviennent jusqu’au collecteur ; α est généralement proche de l’unité. Le courant total sera donné par la formule suivante : IC = −α IE + ICB0 ≈ − α IE ≈ −IE

IC= α/(1- α).IB +1/(1- α).ICB0 Gain en courant β À l’équilibre, nous n’avons pas de variation de charges à l’intérieur du transistor. En choisissant les sens des courant conformément à la convention des réseaux (tout courant qui arrive à un nœud est positif et tout courant qui en sort est négatif), nous pouvons écrire la loi de Kirchhoff : IE+IB+IC=0 En éliminat IE nous obtenons: IC=α(IB+IC)+ICB0 IC= α/(1- α).IB +1/(1- α).ICB0 Nous posons β=1/(1-α), d’où: IC=βIB+ICE0

Gain en courant β Cette dernière relation caractérise l’effet transistor : en injectant un courant IB très faible dans la base, nous commandons un courant de collecteur IC beaucoup plus intense. β varie dans de grandes proportions d’un transistor à l’autre. En effet, β dépend surtout de la différence de dopage entre l’émetteur et la base ainsi que de celle-ci. Mais à une température fixe, β reste à peu près constant pour un transistor donné et pour une large variation du courant IC.

Merci pour votre aimable attention