Notes de cours : Électronique. Jean-Baptiste Théou

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1 Notes de cours : Électronique Jean-Baptiste Théou 12 septembre 2009

2 Chapitre 1 Présentation Il y a deux parties en électronique : L électronique analogique, qui traite les signaux continues (Voix, tension, intensité), et l électronique numérique, qui traite des signaux à niveau discret. Tous les signaux A sont des signaux analogique. Le passage à l électronique numérique, qui permet une plus grande facilité d exploitation du signal, nécessite donc une conversion d un signal analogique. Il existe une contrainte liée à la numérisation de ces signaux : La vitesse d évolution du signal. En pratique, on ne sait pas numériser B des signaux de fréquence supérieur à 1 Ghz. Il existe aussi une limitation pour les signaux analogique, mais la fréquence limite est bien plus importante C. 1.1 Choix d une fréquence d émission Le choix d une fréquence d émission se base sur plusieurs choses : 1. Plus la fréquence d un signal est élevé, plus la porté de ce signal est faible. 2. La taille de l antenne réceptrice est proportionnel à la longueur d onde λ D. A Ou tout du moins le plus grand nombre. B Avec un taux d échantillonnage, c est à dire le nombre de points pris sur le signal analogique, important. C De l ordre de 60 GHz D L antenne doit mesurer λ. Ceci justifie l utilisation du GHz pour les communications entre 4 téléphones portables. 1

3 Chapitre 2 Éléments de physique des semi-conducteurs Si on considère un atome, nous avons différents niveaux d énergie. Si on considère maintenant un solide, composé d une multitude d atomes, nous avons affaire à des bandes d énergie. Les différentes bandes d énergie sont séparés par des zones interdites, appelé gap. La dernière bande rempli est appelé bande de valence. Elle assure la cohésion de la structure cristalline du solide. La bande d énergie qui suit est appelé bande de conduction. On défini la probabilité d occupation d un niveau d énergie à l aide de la formule A suivante : Avec : 1. E l énergie f(e) = e E E F kt 2. E F l énergie dites de Fermi (Spécifique du solide), cette énergie correspond au travail à fournir pour éjecter un électron du solide. 3. k la constant de Boltzman 4. T la température en Kelvin 2.1 Les différents types de solides Conducteur Un conducteur est caractérisé par le fait que l énergie de Fermi, notée E F, se situe dans la bande de conduction du solide A Formule de Fermi-Dirac 2

4 2.1.2 Isolant Dans un isolant, l énergie de Fermi se situe entre la bande de valence et la bande de conduction et il existe entre ces deux bandes un gap important, supérieur ou égal à 2-3 ev. La probabilité qu un électron puisse aller dans la bande de conduction à l aide d une élévation de température est nulle, car la température nécessaire est supérieur à la température de fusion de l isolant Semi-conducteur On caractérise un semi-conducteur de la façon suivante. Tout comme l isolant, l énergie de Fermi est comprise entre la bande de valence et la bande de conduction. Cependant, dans le cas d un semi-conducteur, le gap entre ces deux bandes est faible, de l ordre B de 1 ev. Ce gap faible permet qu un électron, à l aide d une élévation de température, passe de la bande de valence à la bande de conduction C. Le couple électron-trou à une durée de vie faible. Le nombre d électron qui s échappe de la bande de valence dépend énormément de la température. Celle-ci a donc une grande influence sur les semi-conducteurs. Il existe des semi-conducteur dans la nature : Le silicium et le germanium par exemple ou des alliages tels que l arsénur de galium. Nous avons le tableau suivant qui représente un parallèle entre la densité de porteurs D intrinsèque (noté n i ) et la densité atomique pour quatre atomes, à la température de 300 K : Atomes Densité de porteurs (n i ) Densité atomique Si 2, , Ge 1, AsGa 1, , Cu , On observe donc qu à l état naturel, la conduction des semi-conducteurs est très faible par rapport à la conduction d un conduction tel que le cuivre. On utilise donc le procédé de dopage. 2.2 Dopage Considérons un semi-conducteur en silicium. Dans ce semi-conducteur, tous les électrons sont utilisé dans liaisons covalente. Il n y a pas d électron de libre. Doper ce semi-conducteur revient à retirer des atomes de silicium dans la structure du solide pour les remplacer par d autres atomes, soit plus riche en électron (Dopage N ou dopage en électron), soit plus pauvre en électron (Dopage P ou dopage en trou). Pour ce faire, on chauffe le matériau pour perturber la structure B Silicium : 1.12 ev. Germanium : 0.66 ev. Arsénur de galium : 1.43 ev. C Ce qui entraine donc un peuplement de la bande de conduction et un dépeuplement de la bande de valence. Dans un semi-conducteur, la conduction fonctionne donc à l aide du couple électron-trou. D Le couple électron-trou pour un semi-conducteur, l électron pour un conducteur. 3

5 cristalline, le tout sous une atmosphère saturée en phosphore gazeux (Pour le dopage N) ou en bore gazeux (Pour le dopage P). Par diffusion au sein du solide, les atomes ajoutés se positionne dans l ensemble du solide. Le taux de dopage, c est à dire le nombre d atomes remplacé dans le solide, doit être relativement faible, pour garder une structure de silicium, et non d obtenir un alliage Dopage N Par exemple, en remplaçant 1 atome de silicium pour 10 7 atomes de silicium, la densité de porteurs E supplémentaires est de e m 3. On note cette densité n d, pour porteurs dopés. La conduction dans le semi conducteur est maintenant dirigé par les porteurs dopés, car n i n d Dopage N et P L intérêt de ces deux types de dopages est qu ils peuvent être mixés pour obtenir un pont PN, pont qui sert à construite des diodes et des transistors par exemple. 2.3 Mécanisme de transport (de charge) Conduction Soit q = e la charge des porteurs de charge. L expression suivante est une expression vectorielle, mais les vecteurs sont notés sans flèche. Avec : j cn = σ n E = qnµ n E 1. j cn : La densité de courant de conduction électronique. 2. n : La densité électronique (Totale, pas forcément que intrinsèque). 3. µ n : La mobilité des porteurs de charges Nous avons un expression analogue quand on considère les trous : j cp = σ p E Avec cette fois ci p, la densité de trous. E Le couple électron-trou. = qpµ n E 4

6 2.3.2 Diffusion Lors du dopage d un semi conducteur, il existe deux types de zones : 1. Les zones fortement dopées, en surface. 2. Les zones faiblement dopées, en profondeur. La densité électronique n est donc pas homogène dans le semi-conducteur. En l absence de champs électrique, les électrons se diffuse dans le matériau, ce qui entraine la création d un courant, appelé courant de diffusion : j dn = qd n grad(n) Avec D n un coefficient de diffusion propre au matériau et au porteur. On l exprime littéralement de la façon suivante : D n = µ n k B T q De façon analogue pour les trous, nous avons : j dn = qd p grad(p) Cette diffusion n est vrai que dans les semi-conducteurs, car dans les métaux, n i n atomes, donc il n y a pas de gradient de n i. 5