Théorie des semi-conducteurs

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1 Théorie des semi-conducteurs
Electronique générale 1ère année J. BRESSON

2 Sommaire Conduction de l’éléctricité Les semi-conducteurs
Structure atomique – modèle de Bohr Niveaux d’énergie – niveau de Fermi Isolant, conducteur, semi-conducteur Résistivité, conductivité Les semi-conducteurs Les semi-conducteurs purs ou intrinsèques Les semi-conducteurs dopés ou extrinsèques Les semi-conducteurs extrinsèques type N Les semi-conducteurs extrinsèques type P La jonction PN à semi-conducteur La jonction PN non polarisée La jonction PN polarisée en direct La jonction PN polarisée en inverse Caractéristique courant–tension de la diode Les diodes spéciales En Décembre 1947, trois ingénieurs de la compagnie Bell, John Bardeen, William Schockley et Walter Brattain découvrent l'effet transistor.

3 1- Conduction électrique
Un corps est isolant s’il ne contient pas d’électrons mobiles. Dans un conducteur, les électrons peu liés aux noyaux peuvent se déplacer. La densité de courant s’écrit : La vitesse des électrons est proportionnelle à la force à laquelle ils sont soumis donc au champ électrique : Loi d’Ohm : Si : alors : soit :

4 2- Structure atomique – modèle de Bohr
Dans l’atome isolé, les électrons occupent des niveaux d’énergie discrets. Le nb d’électrons est données par : Dans un cristal, suite aux interactions entre atomes, ces niveaux discrets s’élargissent et deviennent des bandes d’énergie permises séparées par des bandes interdites. 2-8-4=14e =32e bande interdite : gap

5 2- Niveaux d’énergie – niveau de Fermi
La répartition des électrons obéit aux lois de la thermodynamique statistique. Au zéro absolu (-273°C), seuls les niveaux les plus bas (proche du noyau) sont peuplés. pour déplacer un électron d’une orbite inférieure vers une orbite plus haute, il faut lui fournir une énergie (chaleur, lumière,…). Donc plus on s’éloigne du noyau plus l’énergie potentielle est grande. Ainsi, à toute autre température que le 0°K, la probabilité qu’un électron appartienne à un niveau d’énergie est donnée par la statistique de Fermi-Dirac :

6 2- Niveaux d’énergie – absorption/émission
Inversement, lorsqu’un électron redescend de la BC vers la BV, le semi-conducteur restitue l’énergie sous forme de chaleur ou de lumière. Le photon émis a une énergie égale à :

7 3- Isolant, conducteur, semi-conducteur
Dans les isolants, la hauteur de la bande d’énergie grande (~5eV) interdit toute conduction. La résistivité est très grande. Dans les conducteurs, la dernière bande est partiellement remplie. Il existe beaucoup de niveaux disponibles et la conduction est grande. Dans les semi-conducteurs, le taux de remplissage de la dernière bande occupée est soit très faible soit très important. Le gap est faible (~1eV) et la conduction faible varie beaucoup avec la température.

8 4- Résistivité, conductivité
Isolants Conducteurs Semi-conducteurs

9 5- Les semi-conducteurs
La structure atomique du silicium et du germanium est la même que celle du diamant (cubique). Chaque atome est lié à 4 voisins placé aux sommets d’un tétraèdre par une liaison covalente : il s’agit d’atone «tétravalent »

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11 6- Les semi-conducteurs purs ou intrinsèques
Dans un semi-conducteur pur, le gap est assez faible pour autoriser, à température ambiante, le passage d’un petit nombre d’électrons de la BV dans la BC. L’électron dans la BC devient libre. Il laisse dans la BV un excès de charge positive le «trou» qui à son tour va être comblé par un électron voisin. Génération de paire électron-trou.

12 6- Les semi-conducteurs purs ou intrinsèques
A chaque électron (masse positive, charge négative) correspond un trou (masse négative, charge positive). La neutralité du matériau impose que les trous (p) et les électrons (n) soient en nombres identiques, leur nombre dépend de la température et du gap (Si ou Ge) : Au déplacement des électrons dans un sens correspond le déplacement contraire pour les trous. Pour le silicium pur à 300K : La conductivité intrinsèque est très faible et vaut :

13 7- Les semi-conducteurs dopés ou extrinsèques
Le dopage consiste à introduire des impuretés pour accroitre le nombre d’électrons ou de trous libres. On obtient ainsi une conduction extrinsèque.

14 8- Les semi-conducteurs extrinsèques type N
On introduit dans le cristal de silicium pur des d’atomes d’impuretés pentavalents (5e sur la couche de valence) tels que le phosphore P, l’arsenic AS et l’antimoine Sb. Chaque atome d’impureté amène un électron de valence (l’orbite de valence ne peut accepter que 8e). Cet électron interstitiel peu lié aux noyaux (E~0,01eV) se retrouve rapidement libre dans la BC. Chaque atome pentavalent ou donneur génère ainsi un électron interstitiel : Comme le nombre d’impuretés est connu et important : Les électrons sont les porteurs Majoritaires Les trous sont les porteurs minoritaires La conductivité est assurée par les électrons : type N

15 8- Les semi-conducteurs extrinsèques type N

16 9- Les semi-conducteurs extrinsèques type P
On introduit dans le réseau de silicium pur des d’atomes d’impuretés trivalents (3e sur la couche de valence) tels que le bore B, l’aluminium Al, le gallium Ga ou l’indium In. Chaque atome d’impureté amène un trou en excès (l’orbite de valence ne peut accepter que 8e). Cet emplacement ou trou vite comblé par un électron voisin (E~0,05eV) se déplace facilement dans la BV. Chaque atome trivalent ou accepteur génère ainsi un trou mobile : Comme le nombre d’impuretés est connu et important : Les trous sont les porteurs Majoritaires Les électrons sont les porteurs minoritaires La conductivité est assurée par les trous : type P

17 9- Les semi-conducteurs extrinsèques type P

18 10- La jonction PN Une jonction PN est une région de faible épaisseur où la conductibilité du semi-conducteur passe progressivement du type P au type N Fabrication d’une jonction PN

19 10- La jonction PN non polarisée
Plaçons deux régions en contact, il y aura passage des porteurs de la région à grande concentration vers la région à faible concentration (électrons de NP, trous de PN). Coté N, on assiste à des pertes de charges négatives d’où ions positifs. Idem côté P, apparition d’ions négatifs. Cela génère une différence de potentiel Vo, un champ électrique Eo qui favorise le passage des porteurs minoritaires et s’oppose au passage des porteurs majoritaires. Donc équilibre. Disparition totale de charge mobile dans la zone centrale ou zone de déplétion. Le courant des porteurs minoritaires est contrebalancé par le courant des porteurs majoritaires qui ont assez d’énergie pour passer la barrière de potentiel. A 25°C Vo=0,3V pour le Ge et 0,7 V pour le Si. Donc Isat Si < Isat Ge. Pour cette raison la préférence est donnée au Si

20 10- La jonction PN non polarisée
Le courant des porteurs minoritaires est contrebalancé par le courant des porteurs majoritaires qui ont assez d’énergie pour passer la barrière de potentiel.

21 11- La jonction PN polarisée en direct
Les électrons en provenance du (-) du générateur envahissent la zone N et se déplacent vers la jonction où ils se recombinent devenant ainsi des électrons de valence. Puis se déplacent dans la zone P pour ressortir en direction de la borne (+) du générateur. Côté énergie : la DDP Vd s’oppose à Vo donc passage de plus de porteurs majoritaires d’une zone vers l’autre  fort courant direct. La jonction conduit. Le courant total dans le circuit vaut : Soit :

22 12- La jonction PN polarisée en inverse
La DDp extérieure Vinv s’ajoute à la barrière de potentiel Vo, la zone de déplétion augmente. Il n’existe plus qu’un faible courant minoritaire Isat. La résistance interne devient alors grande, la jonction est bloquée. Soit : Le courant de saturation ne dépend que de la température et n’augmente pas lorsque Vinv croît. En moy, Isat double tous les 10°C.

23 13- Caractéristique courant–tension de la diode
En direct, en dessous du seuil Vs, le courant est faible. Au-delà, le courant augmente fortement et croît exponentiellement. La diode conduit. Vs = 0,2 à 0,4V pour le Ge Vs = 0,6 à 0,7V pour le Si En inverse, le courant est très faible, la diode est bloquée. Au-delà d’une certaine valeur de Vinv, il y a claquage de la jonction par : Effet d’avalanche : les porteurs minoritaires accélérés par le champ électrique entrent en collision avec d’autres atomes  ionisation par choc (effet destructif).

24 14- Les diodes spéciales 14-1 Diode Zener
En inverse, lorsque en un point existe un champ très élevé (106V/cm), il y a extraction directe des électrons de leurs atomes puis effet d’avalanche : cet effet Zener est réversible et non destructif. 14-2 Diode Schottky Utilise une jonction métal-SC. Pas de zone de déplétion ce qui lui permet de fonctionner à des fréquences plus élevées que les diodes classiques (F>300MHz).

25 14- Les diodes spéciales 14-3 Diode Varicap 14-4 Diode Tunnel
En inverse, la zone de déplétion apparaît comme un isolant et augmente d’autant plus que la tension inverse croît. La jonction se comporte comme un condensateur dont la capacité est fonction de la tension 14-3 Diode Varicap Evolution de la capacité en fonction de v inverse 14-4 Diode Tunnel A partir d’une jonction crée avec des semi-conducteurs fortement dopés, les électrons en mouvement peuvent franchir une barrière de potentiel supérieure à leurs énergies cinétiques. Cela entraîne une caractéristique I=f(V) qui présente une résistance négative. Cette particularité est mise à profit dans les oscillateurs pour compenser la résistance d’un circuit LC. 25

26 14- Les diodes spéciales 14-5 Diode électroluminescente (LED)
En direct, cette diode a la particularité d’émettre un rayonnement visible (ou infrarouge) dont la couleur dépend du gap (entre 1 et 3eV) du semi-conducteur utilisé. La caractéristique tension-courant reste la même qu’une diode classique avec toutefois une tension de seuil plus élevée (~ 2V). 14-5 Diode électroluminescente (LED) 14-6 Photodiode – cellule photovoltaïque Cette jonction PN lorsqu’elle reçoit de l’énergie lumineuse produit des porteurs minoritaires dans la diode en inverse. Plus la lumière augmente, plus le courant croît. L’association de photodiodes est à la base de la construction des panneaux photovoltaïques. 26

27 Conductivités et supraconductivité
Bibliographie De l'atome au cristal : les propriétés électroniques des matériaux (Antoine GEORGES) Conductivités et supraconductivité (LEWINER Jacques ) QCM Fin du diaporama