SEMICONDUCTEURS I L'atome Il comprend un noyau constitué de : protons (p) : charge 1,6 10 19 C (m = 1,67 10 27 kg), neutrons (n) : charge nulle (m = 1,67 10 27 kg), et des électrons (e ) charge 1,6 10 19 C (m = 9,1 10 31 kg). Le nombre de protons étant égal au nombre d'électrons, un atome est électriquement neutre. La dernière couche, appelée couche de valence, définit les propriétés chimiques et électriques des atomes. On peut donc représenter un atome par sa couche de valence et par un coeur qui regroupe le noyau et les couches internes Polytech'Nice Sophia 1 6 carbone 4
SEMICONDUCTEURS La couche de valence peut comporter de 1 à 8 électrons. Pour n = 8, la couche est dite saturée (sauf pour la première couche n sat = 2). Les atomes ayant 1 électron périphérique forment les matériaux conducteurs. Les atomes ayant 8 électrons périphériques forment les matériaux isolants. Les atomes ayant 4 électrons périphériques forment les matériaux semiconducteurs. n éléments 1 Cu, Ag, Au 3 B, Al, Ga, In, Tl (Thallium) 4 C, Si, Ge, Sn (étain), Pb 5 N (Azote), P, As, Sb (Antimoine), Bi (Bismuth) 8 He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn (Radon) Polytech'Nice Sophia 2
SEMICONDUCTEURS II Le cristal Lorsque des atomes ayant 4 électrons périphériques s'assemblent sous la forme d'un solide, ils peuvent s'ordonner selon un motif régulier appelé cristal. Dans ce cristal, chaque atome partage ses électrons avec ses voisins. Chaque atome «voit» ainsi huit électrons périphériques. Chaque atome ayant huit électrons sur sa couche de valence, le cristal est isolant à température ambiante. Polytech'Nice Sophia 3
SEMICONDUCTEURS Lorsque la température augmente, on apporte de l'énergie au semiconducteur. Certains électrons peuvent alors utiliser cette énergie pour augmenter leur vitesse et quitter leur orbite. Le départ de l'électron crée un vide dans la couche de valence appelé «trou». Ce dernier se comporte comme une charge positive car la perte d'un électron entraîne l'apparition d'un ion positif. Le nombre d'électrons libres et de trous est identique. Lorsque qu'un é est attiré par un ion positif, il «tombe» dans le «trou» : c'est la recombinaison. L'ion positif disparaît. Polytech'Nice Sophia 4
SEMICONDUCTEURS III Le semiconducteur intrinsèque C'est un semiconducteur pur. A température ambiante, i = U i E Polytech'Nice Sophia 5
SEMICONDUCTEURS III Le semiconducteur intrinsèque C'est un semiconducteur pur. A température ambiante, i = Lorsque la température augmente. Le courant i dans le semiconducteur correspond à la somme de deux flux, celui des électrons dans un sens et celui des trous dans l'autre. Les électrons et les trous sont appelés porteurs car ils «transportent» des charges d'un endroit à un autre. U i E Polytech'Nice Sophia 6
SEMICONDUCTEURS Pour obtenir un cristal conducteur à température ambiante, il faut ajouter des porteurs libres. Ceci est obtenu par dopage. IV Le semiconducteur extrinsèque Le dopage consiste à insérer dans le cristal des atomes : pentavalents (ayant 5 électrons périphériques), trivalents (ayant 3 électrons périphériques), trivalents pentavalents Bore Silicium Arsenic Gallium Germanium Antimoine Phosphore Polytech'Nice Sophia 7
SEMICONDUCTEURS IV.1 Dopage par atome pentavalent 5 e é Si Si Si Si As Si Si Si Si Il n'y a que huit places sur la couche de valence. L'électron exédentaire devient un électron libre. On peut donc considérer que l'atome dopant devient un ion positif accompagné d'un électron libre. Le semiconducteur dopé reste électriquement neutre. Polytech'Nice Sophia 8
SEMICONDUCTEURS A température ambiante, les porteurs sont des électrons. U i E F = q E Lorsque la température augmente, il y génération de paires électronstrous qui s'ajoutent aux porteurs précédents. La majorité des porteurs sont des électrons (négatifs). Le semiconducteur dopé par atome pentavalent est appelé semiconducteur de type N. Les électrons sont les porteurs majoritaires. U i E Si F = q E Les trous sont les porteurs minoritaires. Polytech'Nice Sophia 9
SEMICONDUCTEURS IV.2 Dopage par atome trivalent trou Si Si Si Si B Si Si Si Si Sur les huit places que comporte la couche de valence, seuls sept sont occupées. Il reste une place libre que l'on peut considérer comme un trou. On peut donc considérer l'atome dopant comme un ion négatif accompagné d'une charge positive, le trou. ou Le semiconducteur dopé reste électriquement neutre. Polytech'Nice Sophia 10
SEMICONDUCTEURS A température ambiante, les porteurs sont des trous. U i E F = q E Lorsque la température augmente, il y génération de paires électronstrou qui s'ajoutent aux porteurs précédents. La majorité des porteurs sont des trous (positifs). Le semiconducteur dopé par atome trivalent est appelé semiconducteur de type P. Les trous sont les porteurs majoritaires. U i E Si F = q E Les électrons sont les porteurs minoritaires. Polytech'Nice Sophia 11
SEMICONDUCTEURS III La jonction PN Elle est réalisée dans un cristal semiconducteur unique divisé en deux zones dopées, l'une par des atomes trivalents, l'autre par des atomes pentavalents. A la limite des deux zones, il se produit des modifications dans une région de faible épaisseur (1 µm). Dans cette zone de déplétion, les ions fixes génèrent un champ électrique E. Ce champ électrique empêche la circulation d'électrons à travers la jonction. Les électrons libres de la zone N sont piègés par les trous de la zone P. Il en résulte une zone déplétée en porteurs : la zone de déplétion. Le champ électrique est équivalent à une différence de potentiel appelée barrière de potentiel. A 20 C, elle vaut 0,6 V pour le silicium. Polytech'Nice Sophia 12
SEMICONDUCTEURS III.2 La jonction PN polarisée U < Les électrons sont attirés vers l'électrode de droite et les trous sont attirés vers l'électrode de gauche. La zone déplétée s'élargit. Il n'y a plus de porteurs dans la jonction, le courant est nul. C'est la polarisation inverse La jonction est bloquée. Polytech'Nice Sophia 13
SEMICONDUCTEURS 0 < U < barrière de potentiel L'énergie des électrons est insuffisante pour franchir la barrière de potentiel. Le courant est nul. U > barrière de potentiel Les électrons ont assez d'énergie pour franchir la zone déplétée, un courant positif s'établit. C'est la polarisation directe. La jonction est passante. Polytech'Nice Sophia 14
SEMICONDUCTEURS III.3 Le claquage La génération thermique de paires électronstrous dans la zone déplétée donne lieu à un très faible courant de fuite inverse. Ce courant est généralement négligeable. Lorsque la tension inverse est trop grande, les électrons se déplacent plus rapidement. Lors de chocs avec les atomes du réseau, ils peuvent arracher un électron de valence. Ce phénomène produit d'autres porteurs qui vont eux aussi entrer en collision avec les atomes. La progression est géométrique : un électron initial libère un électron de valence, ces deux porteurs vont libérer chacun deux autres électrons de valence pour donner quatre porteurs et ainsi de suite jusqu'à ce que le courant inverse devienne énorme et provoque la destruction de la jonction. Polytech'Nice Sophia 15