Semi conducteurs du semi-conducteur intrinsèque à la jonction PN. BR, Hell

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1 Semi conducteurs du semi-conducteur intrinsèque à la jonction PN BR, Hell

2 Matériaux semi-conducteurs Les matériaux semi conducteurs, Si, Ge, appartiennent à la colonne IVB de la classification périodique des éléments. Ils sont placés sous le carbone ce qui en fait des non métaux pas trop électronégatifs. En clair, avec 4 é-é externes ils cherchent à perdre ou à gagner électrons pour avoir leur couche externe à 8 é-. é

3 Conductibilité intrinsèque Les semi conducteurs purs, (non dopés) sont de mauvais conducteurs Valeurs de σ =4,10-4 S.m -1 pour Si σ = 2,1 S.m -1 pour Ge La conductibilité croît t avec la température, contrairement aux métaux. m C est la propriété fondamentale.

4 Un minimum de physique quantique Quand on étudie les particules : ici les électrons dans un cristal, la physique classique, la mécanique est dépassée. L énergie d un électron ne varie pas comme l énergie d un ballon.

5 Bandes permises pour un é-é dans un semi conducteur Les niveaux d'énergie accessibles sont groupés en deux bandes dites bandes de valence (qui sert à lier) et bande conduction pour laquelle l'é- est libre de se déplacer dans le matériau. A 0 K, tous les électrons sont dans la bande de valence la conductivité est nulle personne pour se déplacer, le semi conducteur est isolant.

6 Bandes permises pour un é-é dans un semi conducteur Bande de valence en bas, de conduction en haut. Conduction : électron mobile transition Énergie interdite : gap Valence : électron fixe

7 Limites de la conduction intrinsèque Le nombre d'électrons qui parviennent à s'échapper est faible : un é de conduction pour 3000 milliard d'atomes. La population des électrons de conduction croît avec T K Rappel pour le cuivre : un é libre pour un atome.

8 Loi d action de masse Comme en chimie la création d une paire électron - trou est gouvernée par une loi du style + rien é + trou + é. trous = n ²( T ) i

9 Comparaison métal semi conducteur Dans un métal,r augmente avec T car le réseau freine en s agitant. (boîte de nuit). Dans un semi conducteur le nombre de porteurs de charges croît avec la température, des porteurs naissent quand il fait chaud.

10 Le dopage est autorisé pour les semi conducteurs Le dopage permet de faire varier la résistivité d un semi conducteur de 10-3 Ω.cm à 10 6 Ω.cm, Le matériau est disponible pour sculpter des circuits actifs. L action du dioxygène permet d obtenir la silice, un isolant absolu, bien costaud. Si + O SiO 2 2

11 Électrons de valence autour d'un atome Si : 8=4 doublets Un Si et ses 4 voisins

12 Électrons de valence autour d'un atome Si : 8=4 doublets Un cristal de Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si

13 Électrons de valence autour d'un atome Si : 8=4 doublets Un atome de Si et ses 4 voisins Si Si Si Si Si

14 Électrons de conduction et trous correspondants Le départ d'un électron de valence crée un trou positif Si trou transition Si Si Si Si

15 Électrons de conduction et trous correspondants Il y a dans un semi conducteur non dopé, intrinsèque, autant de porteurs + que de porteurs -.

16 Loi d action de masse, bis La loi d action de masse traduit l équilibre entre la création et la recombinaison, un électron, évadé, trouve toujours son trou. rien é + trou + + é. trous = n ²( T ) i + é + trou rien

17 Le dopage est autorisé pour les semi conducteurs En insérant dans le réseau cristallin des atomes des colonnes voisines : 5 électrons ou 3 électrons externes, on crée des charges supplémentaires disponibles ou au contraire des déficits (trous). Attention, ce dopage laisse le cristal neutre, mais apporte des porteurs de charges mobiles

18 Semi conducteur dopé N atome d'as (arsenic) L'atome dopant vient, neutre, avec un électron de trop, disponible pour conduire le courant. As

19 Semi conducteur dopé P, atome de d In indium ou B (bore) L'atome dopant vient, neutre, avec un électron de moins,, donc un trou de trop, disponible pour conduire le courant. Trou dispo As In

20 Procédés de dopage Les procédés sont divers : On peut mélanger le Si fondu, avant cristallisation. On bombarde avec des ions des éléments dopants accélérés. On recuit le cristal après. On cuit en présence d'un gaz contenant le dopant. Le recuit en couches minces peut être fait au laser.

21 Conséquence du dopage Le dopage, contrôlé, permet de contrôler la densité de porteurs de charges, positifs ou négatifs, ceci à la demande. On fait varier la résistivité sur plusieurs dizaines de zéros La proportion doit rester faible :1 pour un million, sinon ça fait des grumeaux. La conductibilité extrinsèque, due au dopage, est grande devant l'intrinsèque, que l'on négligera.

22 Représentation simplifiée d'un semi conducteur dopé P les bleus sont des ions fixes les verts des trous + mobiles

23 Représentation simplifiée du semi conducteur dopé N, on inverse

24 La jonction PN + - Dopé N : électronsmobiles Dopé P : trous+ mobiles

25 Jonction PN On dope N et P deux zones d'un même substrat. Les trous diffusent de la région P vers la région N, ils sont attirés pour piéger des é-, é il y a recombinaison électron trou. Les électrons laissent une zone chargée +, les trous une zone chargée - Un champ électrique se crée à mesure dans le sens NP dans le sens de N vers P ce champ étouffe la diffusion jusqu à stabilisation. La zone est désertée.

26 Mouvement des porteurs libres, formation de la jonction + Dopé N : - électronsmobiles Dopé P : trous+ mobiles

27 Mouvement des porteurs libres, formation de la jonction - Dopé N : + électronsmobiles Dopé P : trous+ mobiles

28 Jonction PN Des deux côtés N et P de la jonction, Après la recombinaison électron trou : La zone désertée est d autant plus profonde que la densité de charge est faible,, car il faut aller chercher les charges plus loin.

29 La jonction PN Dans quel sens est le champ créé par les charges d espace dans la zone désertée? Zone désertée P neutre, P déserté chargé - N désertée chargée + N, neutre

30 La jonction PN Zone désertée P neutre, P déserté chargé - N désertée chargée + Champ E interne N, neutre

31 Propriétés de la jonction La jonction est globalement neutre mais en deux parties chargées de signes opposés. La jonction désertée par les charges mobiles est isolante. La jonction est une barrière. E i champ interne arrête la recombinaison.

32 La jonction PN polarisée, branchée Générateur continu P neutre, P déserté chargé - N désertée chargée + Champ E interne N, neutre

33 La jonction PN polarisée Champ E externe P neutre, P déserté chargé - N désertée chargée + Champ E interne N, neutre

34 La jonction PN polarisée P neutre, P déserté chargé - N désertée chargée + N, neutre Champ Ei

35 On a une diode Le courant ne passe pas si le champ appliqué renforce l'effet du champ du à la jonction. Si le champ s'oppose au champ de la jonction,, la jonction maigrit. Aidés par le champ externe,, les porteurs peuvent passer, la diode conduit. Reprendre la diapos et expliquer le mouvement des trous et des électrons.

36 Effets dans une diode Effet ZENER : sous l effet d une tension inverse importante,, les liaisons entre les ions fixes et les porteurs mobiles cassent le courant passe.. À l envers. Effet d avalanche : les porteurs libérés par le champ inverse intense percutent, bousculent,, les porteurs fixes, leur donnent l énergie, c est l avalanche,, les deux phénomènes ont lieu simultanément.

37 Jonction PN et lumière Si la jonction est approvisionnée en porteurs des recombinaisons électrons trous ont lieu avec de l énergie dégagée,, pour certaines conditions, cette énergie peut sortir de la diode sous forme lumineuse. C est la DEL

38 Le transistor bipolaire PNP présentation U EB U BC P faiblement dopé E EB Champ E interne N, étroit, E BC Champ E interne P fortement dopé

39 Le fonctionnement du transistor PNP La jonction Base Emetteur est isolante en l absence de champ externe. Sous l effet d un champ contraire U EB >O on rétrécit la zone désertée, des porteurs (+ trous) franchissent la barrière. Les porteurs abordent la jonction NP, (EB) on crée un courant IEB. Certains porteurs sont relancés par le champ interne additionné du champ UBC.. Un courant de collecteur est amorcé par un courant de base. Un petit courant i BE commande un gros courant I CE

40 Le transistor bipolaire PNP montage de base R1 Rc Ib ma Uec Rb Ueb

41 Le transistor bipolaire fonctionnement P fortement dopé, N, etroit, P faiblement dopé,

42 Reprendre la jonction be, flécher le champ interne Donner le sens du champ permettant la diffusion des porteurs Expliquer la possibilité des porteurs de traverser la jonction BC P fortement dopé, N, etroit, P faiblement dopé,

43 Les transistors à effet de champ FET, (field( effect transistor) Caractéristique principale : une tension commande un courant. un courant plus faible peut rendre le transistor conducteur.

44 Le JFET à appauvrissement Grille,gate Drain Source P N canal P fortement dopé,

45 Sur la diapo précédente Placer les zones désertées correspondants aux jonctions. Placer les champs internes des deux jonctions. Quel signe donner à Vd pour appauvrir complètement le canal n?

46 Avec la légende Grille,gate Source Drain P N canal P fortement dopé, Si Vg est négative,, le champ repousse les é-é et attire les porteurs minoritaires p, formant un canal p le courant est commandé par la tension Vg< 0.

47 Le MOSFET à enrichissement Si Vg est négative,, le champ repousse les é- et attire les porteurs minoritaires p, formant un canal p le courant est commandé par la tension Vg< 0. P mos N canal P

48 Reprendre la jonction be, flecher le champ interne Donner le sens du champ permettant la diffusion des porteurs Expliquer la possibilité des porteurs de traverser la jonction BC P fortement dopé, N, etroit, P faiblement dopé,

49 Les dispositifs sont innombrables Mais la base est toujours la jonction np

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