1-IÈRE PARTIE: ÉLECTRONIQUE ANALOGIQUE

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1 1-IÈRE PARTIE: ÉLECTRONIQUE ANALOGIQUE 1. DES CHARACTÉRISTIQUES ÉLECTRIQUES DE LA MATIÈRE CONDENSÉE 1.1. INTRODUCTION Pour pouvoir comprendre comment les semi-conducteurs fonctionnent, il est utile, de s'occuper d abord de la structure et des caractéristiques électriques de la matière condensée LES ATOMES, BASE DE LA MATIÈRE But de ce chapitre: Donner un aperçu de la structure atomique de la matière. Présenter le modèle atomique moderne et les niveaux d énergie. Comprendre ce qu est l ionisation et les électrons de valence. Mots clés: Modèle atomique, niveaux d énergie, ionisation, électrons de valence LA STRUCTURE ATOMIQUE L atome d un gaz rare (néon) et d un métal (cuivre). P. Walther, T. Kluter

2 Le noyau de l'atome est responsable du poids de l atome et les électrons contribuent surtout au volume. Les électrons sont responsables de la structure atomique et: des liaisons atomiques de l'émission de lumière et absorption du courant électrique Quelques exemples d orbites: Couches d'électrons pour différentes excitations. La dénomination des couches d électrons est: K, L, M, N, O, etc. P. Walther, T. Kluter

3 Encadré, les éléments possibles pour des éléments électroniques Voire: www://flf-services.de P. Walther, T. Kluter

4 Nombre d'électrons dans les différentes couches (K...Q) des éléments existants. Les métaux possèdent peut d'électrons dans la couche externe. Les semi-conducteurs, utilisables comme éléments électroniques de base en possèdent quatre (Si, Ge, C ). P. Walther, T. Kluter

5 1.2.2 DES NIVEAUX D'ENERGIE DES ATOMES Spectre atomique de l'hydrogène théorique Spectre atomique de l'hydrogène mesuré Transitions possibles entre différentes couches P. Walther, T. Kluter

6 Quelle: Atomos; Uni Würzburg Niveaux d'énergie de l'hydrogène. Seulement des niveaux discrets sont possibles, correspondantes aux différentes orbites de l'électron. L'excitation d'un niveau à l'autre peut être causée par un photon de l'énergie correspondante. P. Walther, T. Kluter

7 L IONISATION Si l'énergie d'excitation dépasse une valeur bien définie, l'électron est séparé du noyau et l'atome est ionisé LES ELECTRONS DE VALENCE Les électrons de valence sont responsables pour les liaisons entre des atomes voisins. Questions de répétition: 1. Quelle est le rôle des électrons? 2. Quelle est la dénomination des différentes couches d électrons? 3. Quelle configuration des électrons est typique pour les métaux? 4. Quel rôle jouent les électrons des couches extérieurs? 5. Qu'est-ce que l'ionisation? 6. Chercher les éléments d une valence de 3, 4, et 5 dans la tabelle des éléments. P. Walther, T. Kluter

8 1.3. LA MATIÈRE CONDENSÉE But de ce chapitre: Faire connaissance de la structure atomique de la classification de la matière selon les caractéristiques électriques du modèle des bandes des solides du mécanisme de la conduction électrique de l influence du dopage des semi-conducteurs sur leurs conductances électrique Mots clés: Conducteurs, non-conducteurs, semi-conducteurs, réseau cristallin, dopage LA STRUCTURE CRISTALLINE Tous les métaux, les semi-conducteurs, quelques isolateurs comme le mica, le quartz, des sels, comme le NaCl, KCl, etc., montre un réseau atomique régulier. Il y a totalement 14 réseaux atomiques de base, qui sont montrés ci-dessous. Pour l électronique la structure du diamant (Zinkblende) joue un rôle important. P. Walther, T. Kluter

9 Voici un exemple d un réseau atomique sous forme de cube avec atome au centre. Les vecteurs de base servent à décrire les places des atomes. Pour s imaginer un peut mieux l ordre des distances entre les atomes dans un réseau atomique, voici quelques exemples de métaux ordinaires. Comme déjà mentionné, la structure du réseau atomique du diamant est très important pour l électronique. Le silicium et le germanium possèdent la même structure. Tous ont une valence de quatre. Les quatre liaisons vers les atomes voisins sont bien visibles P. Walther, T. Kluter

10 Dans la tabelle ci-dessous quelques exemples des distances atomiques des réseaux atomiques d une structure de diamant. o o La figure ci-après montre des diamètres des éléments et leurs ions en A, (1A = 1*10-10 m) LE MODÈLE DE BANDES Les molécules qui sont constitués d atomes montrent des niveaux d énergie différentes à ceux d un atome simple à cause de l influence mutuel. Un seul atome montre des niveaux exactes. Quelques atomes dans un molécule montrent des niveaux avec multiple lignes. Si le nombre d atomes augmente beaucoup, ce qui P. Walther, T. Kluter

11 est le cas dans les réseaux cristallin des solides, les lignes ne sont plus à distinguer. Les lignes deviennent des bandes LES ISOLANTS Les isolants ne possèdent pas d électrons dans leur structure cristalline. Ils ont une bande de conduction, mais le fait que la différence d énergie entre la bande de valence et le bande de conduction ne permette pas une conduction électrique. À la température ambiante il n est pas occupé d électrons. À des températures très élevées la bande est occupée d électrons mais la structure cristalline est à ces températures détruite. À ces températures ils se comportent comme des conducteurs électriques LES MÉTAUX Chez les métaux, les bandes de valence et de conduction se trouvent l une près de l autre. Il y a quelques métaux, où il y a même une superposition de ces bandes. Dans ce cas, aucune énergie externe est nécessaire pour occuper la bande de conduction d électrons. La bande est déjà occupée. Ce sont en général des électrons de la couche d électrons extérieure de l atome. Une conséquence de ce fait est la faible dépendance de la conduction électrique de la température. Drude proposait un modèle pour la conduction électrique des métaux. Dans ce modèle, le noyau de l atome et les électrons du corps sont fixés dans le réseau cristallin et les électrons libres forment un lac d électrons. Ces électrons peuvent se déplacer librement à gauche et à droite. P. Walther, T. Kluter

12 L atome du cuivre Le modèle de Drude expliquant la conduction électrique des métaux LES SEMI-CONDUCTEURS Chez les semi-conducteurs, la bande de conduction est séparée de la bande de valence, comme chez les isolateurs. La différence entre les deux bandes est moins grande pour les semi-conducteurs que pour les isolateurs. Elle est si petite, que déjà à une température ambiante de 20 C la bande de conduction est pleine d électrons qui rendent le semi-conducteur plus ou moins conducteur. La conductance dépend beaucoup de la température et est nul à la température absolue. Ici il y a une différence fondamentale de la conduction électrique entre les métaux et les semi-conducteurs. P. Walther, T. Kluter

13 Questions de répétition: 1. Qu est ce qu un quartz, le mica, le cuivre, le diamant, et le silicium du point de vue conduction? 2. Quelle est la structure cristalline de cuivre? 3. Quelle est la longueur d une coté du cube pour silicium? 4. Qu est-ce que la bande de valence? 5. Qu est-ce qui est typique pour des métaux concernant les bandes de valence et de conduction? 6. Et pour des semi-conducteurs? P. Walther, T. Kluter

14 1.4. LA CONDUCTION INTRINSÈQUE DES SEMI-CONDUCTEURS PURS But de ce chapitre: Faire connaissance de la conductance des semi-conducteurs Comprendre le comportement thermique de semi-conducteurs Apprendre ce qu est un courant par trous Mots clés: Valence, Conductance intrinsèque, des porteurs minoritaires, des porteurs majoritaires Si le semi-conducteur consiste en silicium ou de germanium pur tous les électrons de valence sont occupés pour des liaisons avec les atomes voisins et il n y a pas d électrons libres. Alors un semiconducteur ne conduit en principe pas le courant électrique. Ce n est juste que pour de très basses températures. A des températures ambiantes la vibration des atomes est si forte, que quelques liaisons entre des atomes lâchent et sont libres pour un certain moment. Ce phénomène se produit assez souvent se qui permet au semi-conducteur une certaine conductance électrique LE COURANT PAR DES TROUS A l endroit où une liaison dites a changé de la bande de valence dans la bande de conductance un électron manque et un trou apparaît avec une charge positive. L électron libre saute un moment plus tard dans un autre trou dans l environnement. Si une tension est appliquée sur le cristal les électrons P. Walther, T. Kluter

15 propagent vers le pôle positif et les trous propagent vers le pôle négatif. Le mouvement apparent des trous est appelé courant par trous. Puisque chaque électron libre produit un trou, les concentrations d électrons et de trous sont égaux. n=p n, concentration d électrons p, concentration de trous Mais aussi la concentration des pairs électrons-trous z est pareille z=n=p. La conductance électrique G des semi-conducteurs dépend fortement de la température est se comporte comme suivant: G T G e WB kt Pour la résistance électrique R on a: R T R e WB kt Pour des raisons pratiques une résistance de référence à une température de référence p.ex à 20 C sert pour le calcul: R T2 R 1 1 B( ) T2 T1 T1e Le coefficient B est indiqué par le fabriquant. R T1 est la résistance de référence pour T 1. P. Walther, T. Kluter

16 La résistance ohmique R d un semi-conducteur en fonction de la température R=f(T). P. Walther, T. Kluter

17 Questions de répétition: 1. Qu est ce que la conduction intrinsèque? 2. Qu est ce que le courant par trous? 3. Pourquoi augmente la conductance des semi-conducteurs purs si la température augmente? P. Walther, T. Kluter

18 1.5. LA CONDUCTANCE DES SEMI-CONDUCTEURS DOPÉS But de ce chapitre: Comprendre comme la conductance de semi-conducteurs peut être influencée Donner la base pour comprendre le fonctionnement des diodes et transistors etc. Mots clés: Atomes à 5 et à 3 valences, doper, donateur, Zone-N Zone-P DES ATOMES D IMPURETÉS À CINQUE VALENCES DANS LE RÉSEAU ATOMIQUE Arsenic (As), antimon (Sb) ou phosphore (P) ont une valence de cinq, voire tabelle au début du cours. Si on ajoute une très petite quantité d un des matériaux mentionnés ci-dessus à p.ex. du silicium, la concentration d électrons libres est augmentée et celle des trous est diminuée. Cet action est appelée doper. La conduction du semi-conducteur ainsi traité augmente. Si le dopage est très prononcé la conductance peut même atteindre des valeurs du métal. Attention: le semi-conducteur reste neutre! Un tel semi-conducteur est aussi nommé conducteur-n. Ici les électrons contribuent à la conductance. Dans un conducteur N les électrons sont les porteurs majoritaires trous sont les porteurs minoritaires DES ATOMES D IMPURETÉS À TROIS VALENCES DANS LE RÉSEAU ATOMIQUE Les éléments gallium (Ga) et indium (In) sont des atomes à 3-valences. Le dopage avec de tels atomes augmente la concentration des trous dans un semi-conducteur à 4-valence. La concentration des électrons diminue correspondement. Ainsi un conducteur-p est réalisé. Un tel semi-conducteur est aussi neutre du point de vue charges électriques. Dans un conducteur P les trous sont les porteurs majoritaires électrons sont des porteurs minoritaires. P. Walther, T. Kluter

19 LA RÉSISTANCE ÉLECTRIQUE DE SEMI-CONDUCTEURS DOPÉS Le dopage du matériel semi-conducteur peut augmenter sa conductance énormément. Pratiquement tous les porteurs de charge, qui ont été introduits par dopage contribuent à la conductance. La conductance du matériel ainsi traité dépend moins de la température. Un dopage très prononcé est indiqué par un +, p. ex. +n. Questions de répétition: 1. Quelle sorte de porteurs de charge augmente en dopant avec du matériel à 5 valences? 2. Un semi-conducteur dopé conduit le courant électrique mieux que sans, pourquoi? 3. La dépendance de la température diminue pour des semi-conducteurs dopés, pourquoi? P. Walther, T. Kluter

20 1.6. ÉLÉMENTS ÉLECTRONIQUES DES SEMI-CONDUCTEURS HOMOGÈNE PURS OU DOPÉS But de ce chapitre: Faire connaissance avec d'éléments électroniques avec des caractéristiques non linéaires Mots clés: Des thermistances à coefficient négatif et positif, des VDR, des sondes de Hall, des photo résistances NTC, CONDUCTEURS Á COEFFICIENT THÉRMIQUE NÉGATIF Le nom indique les caractéristiques de l'élément. Il conduit le courant mieux à des températures élevées qu'à des températures basses. Son coefficient de température est négatif et l'éléments est alors aussi nommé NTC (négatif température coefficient). Cet élément est utilisé pour mesurer la température ou pour stabiliser la température d'un circuit. Le symbole d'une thermistance se présente comme suivant: Symbol NTC t Exemple d'application: Diviseur de tension comme capteur thermique: R= 1k +12V R NTC = 15k U B =12V t B=4200 1k U OUT Quelle valeur a la tension U OUT à la sortie du diviseur de tension pour 60 C et pour 90 C? R T2 R 1 1 B( ) T2 T1 T1e 4200( ) RNTC (90 C) e 1202 avec T 2 =273+90=363 C et T 1 =273+25=298 C. P. Walther, T. Kluter

21 Pour 60 C on a: R NTC (60 C)= 3419 Les tensions correspondantes pour U OUT (60 C)= 2,72V et pour 90 C 5,45V. Exemple d'un circuit limitant le courant initial avec une thermistance NTC. NTC Sim Après l enclenchement, la résistance a une basse élevée. Si le dimensionnement est comme il faut, elle devient chaude après un certain moment et sa résistance diminue. Le courant initial est ainsi fortement minimalisé PTC, CONDUCTEURS Á COEFFICIENT THÉRMIQUE POSITIF Une thermistance à coefficient positif fait le contraire, elle conduit mieux à des températures basse qu'à des températures élevées. La résistance d'une thermistance PTC en fonction de la température est montrée dans la figure suivant. La pente raide permet d'utiliser cet élément comme fusible avec mis à l'origine automatique. Dans l'exemple une thermistance PTC est branchée en série avec le tournage primaire d'un transformateur. Si le courant dépasse une certaine valeur à cause à une surcharge, sa température augmente rapidement par conséquent aussi sa résistance. Le courant diminue et le courant résiduel maintien la thermistance chaude et ainsi la résistance reste élevée. P. Walther, T. Kluter

22 La résistance d'une thermistance PTC en fonction de la température. PTC Exemple d'un circuit limitant le courant initial LA PHOTO RÉSISTANCE Dans une photo résistance des liaisons atomiques sont cassées si des photons (photon= particule de lumière, particule neutre sans masse de repos) et la conductance du semi-conducteur augmente. Ce P. Walther, T. Kluter

23 processus diffère d'un matériel à l'autre et le maximum se trouve à d'autre longueur d'ondes de la lumière, voir figure LE GÉNÉRATEUR DE HALL Le générateur de Hall est un capteur de champs magnétiques. De l'électrode 2 à l'électrode 1 un courant i passe de gauche à droite. Symbol du générateur de Hall P. Walther, T. Kluter

24 Sans champ magnétique B perpendiculaire à la plaque, le courant i passe bien reparti par la plaque, et la concentration de porteur de charge aux électrodes 3 et 4 est la même. Avec un champ magnétique B, une différence de potentiel entre l'électrode 3 et 4 est crée par un déséquilibre en porteurs de charge. La différence de potentiel est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique B appliqué LA RÉSISTANCE DÉPENDANT DE LA TENSION Les résistances dépendant de la tension VDR sont fabriquées par frittage de grains de matériel semiconducteur. Là où ses grains se touchent, de toutes petites diodes Zener sont crées (ce sujet sera traité plus tard), branchées en parallèle et en série. La figure ci-dessous montre leur comportement. Ci-dessous un exemple d application avec VDR comme élément de protection contre des surtensions. P. Walther, T. Kluter

25 Questions de répétition: 1. Une thermistance NTC peut être utilisée dans quelle application? 2. Une thermistance PTC peut être utilisée dans quelle application? 3. À quoi sert un générateur de Hall? 4. Comment fonctionne une résistance VDR? P. Walther, T. Kluter