Créée le, 19/06/2015

 Mise à jour le, 02/09/2016

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Semi-Conducteurs N et P :

 

Les semi-conducteurs utilisés pour la fabrication des dispositifs de même nom ne sont quasiment jamais du type intrinsèque. Au semi-conducteur intrinsèque est généralement ajouter une certaine quantité de substances étrangères qui se répandent dans tout le cristal et modifient l'état électrique du réticule cristallin. Pour cette raison, nous allons examiner les conséquences de la présence d'atomes étrangers, dans le réseau cristallin de semi-conducteurs intrinsèques.


1. - SEMI-CONDUCTEURS N ET P


Supposons qu'il soit possible d'intervenir directement dans la structure d'un minuscule cristal de germanium très pur et parfait, à l'intérieur duquel il y a un nombre bien défini d'électrons libres et un nombre égal de trous.

Dans ce cristal et à tout moment, une partie des électrons libres revient à la bande de valence, à la suite de pertes d'énergie dues aux chocs, mais en même temps, d'autres électrons passent de la bande de valence à celle de conduction. Si la température du cristal reste constante, le nombre des électrons libres et des trous restent lui aussi constant.

Imaginons maintenant que dans l'espace du réticule cristallin, il y ait seulement deux électrons libres et deux trous. En intervenant dans la structure du cristal, on remplace trois atomes de germanium par autant d'atomes d'antimoine (figure 1).

 J1

Il s'agit là bien sûr d'un exemple dont le seul but est de faciliter la compréhension. En pratique, il n'arrive jamais qu'un cristal placé à la température ambiante normale, n'ait que deux électrons libres et deux trous et encore moins un nombre d'atomes d'antimoine proche de celui des électrons libres. En réalité, les électrons libres et les trous contenus dans un centimètre cube (cm3) de cristal sont plusieurs milliers de milliards et les atomes d'antimoine se trouvent à peu près dans un rapport de 1 sur 1 000 000 d'atomes de germanium.

L'introduction d'impuretés (ici de l'antimoine) dans un semi-conducteur est appelé dopage. Ce semi-conducteur est alors dopé.

L'antimoine est un élément qui appartient au groupe V de la classification de MENDELEYEV (voir la leçon semi-conducteur précédente). La couche externe de son atome comporte, en effet cinq électrons. Quatre de ces derniers contribuerons à rétablir les liens covalents avec les atomes de germanium proches, tandis que le cinquième, ne trouvant pas de place dans les liens covalents, restera lié à son propre atome.

Le lien entre le cinquième électron périphérique de l'antimoine et l'atome correspondant n'est toutefois pas aussi fort que les liens covalents. Il se cassera donc facilement et le cinquième électron entrera très rapidement dans la bande de conduction pour se rendre dans les électrons libres du cristal.

Revenons à l'exemple donné précédemment qui consistait à substituer trois atomes de germanium par trois atomes d'antimoine. Par cette opération, on introduit dans le réticule du cristal, trois nouveaux électrons libres qui, ajoutés aux deux premiers, portent le nombre des électrons libres à cinq.

On pourrait penser que le réticule comprend ainsi cinq électrons libres et deux trous. En réalité, un certain temps après la substitution du germanium par l'antimoine (et ceci lorsque la température reste constante), il ne peut y avoir dans le cristal que quatre électrons libres et un seul trou (figure 2).

J2

On explique ce phénomène par le fait qu'un certain nombre d'électrons libres occupent un nombre égal de trous, ce qui entraîne forcément la disparition de ces derniers.

En définitive, l'opération de substitution d'atomes de germanium par des atomes d'antimoine entraîne bien une augmentation du nombre d'électrons libres qui ne correspond plus, à un moment donné, à la somme des électrons libres amenés par l'antimoine et ceux existants déjà. Il y a recombinaison d'une partie des électrons libres et des trous pour former des électrons de valence.

Compte tenu de ce qui vient d'être dit, nous pouvons déjà tirer la règle suivante :

Pour toute augmentation des électrons libres dans un cristal semi-conducteur à température constante, on a une diminution de nombre de trous, de manière à ce que le produit du nombre d'électrons libres par le nombre de trous reste constant.

Dans l'exemple de la figure 1, nous avons vu au départ deux électrons libres et deux trous.

Le produit est donc de 2 x 2 = 4

Après substitution des trois atomes de germanium par trois atomes d'antimoine, le nombre des électrons libres augmente, passant de 2 à 4, tandis que le nombre de trous diminue, passant de 2 à 1.

Le produit reste inchangé, c'est-à-dire 4 x 1 = 4.

On obtient une situation analogue en remplaçant les trois atomes de germanium par trois atomes d'indium (figure 3).

J3

L'indium est un élément qui appartient au groupe III de la classification de MENDELEYEV (voir la leçon semi-conducteur précédente). La couche externe de son atome comporte en effet trois électrons, c'est-à-dire un en moins par rapport aux quatre demandés pour compléter les liens covalents avec les atomes de germanium voisins. Après substitution des trois atomes de germanium par trois atomes d'indium, nous avons à l'intérieur du réticule cristallin, trois liens covalents affaiblis par l'absence d'un électron, donc formation des trois nouveaux trous.

Les liens affaiblis sont représentés figures 3 et 4, par les lignes en pointillé, allant des atomes d'indium à l'un des quatre atomes de germanium environnants.

 J4

Les trous qui apparaissent avec les liens affaiblis sont représentés par des petits ronds blancs, comme ceux qui se sont formés dans les liens covalents, à la suite de la libération d'un électron de valence. 

Si l'on ajoute les trois trous introduits avec les atomes d'indium aux deux autres trous existant dans le germanium intrinsèque, nous devrions avoir cinq trous et deux électrons libres. En réalité et toujours à une température constante, on ne peut avoir, après substitution du germanium par l'indium, que quatre trous et un seul électron libre (figure 4).

Là encore, on explique ce phénomène par le fait qu'une partie des électrons libres tombe dans les trous et y demeure.

En définitive, l'opération de substitution d'atomes de germanium par des atomes d'indium entraîne bien une augmentation du nombre de trous qui ne correspond plus, à un moment donné, à la somme des trous amenés par l'indium et ceux existants déjà. Il y a recombinaison d'une partie des trous et des électrons libres pour former les liaisons covalentes.

Nous pouvons ici encore en tirer la conclusion suivante :

Pour toute augmentation de trous dans un semi-conducteur à température constante, on a une diminution d'électrons libres, de manière à ce que le produit du nombre des trous par les électrons libres reste constant.

Dans l'exemple des figures 3 et 4, comme dans celui des figures 1 et 2, le produit initial des trous par les électrons libres est égal à 4.

Après substitution des trois atomes de germanium par les trois atomes d'indium, le nombre des trous augmente, passant de 2 à 4, tandis que celui des électrons libres diminue, passant de 2 à 1.

Le produit reste bien inchangé : 4 x 1 = 4.

Compte tenu de ce qui vient d'être dit, on peut déjà départager les semi-conducteurs en trois catégories distinctes.

- Les semi-conducteurs intrinsèques possédant un nombre d'électrons libres égal à celui des trous (figure 5-a).

- Les semi-conducteurs N, obtenus en introduisant dans un cristal semi-conducteur des atomes d'éléments appartenant au groupe V du tableau de MENDELEYEV. Ici, le nombre des électrons libres est bien supérieur à celui des trous (figure 5-b).

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- Les semi-conducteurs P, obtenus en introduisant dans un cristal semi-conducteur des atomes d'éléments appartenant au groupe III du tableau de MENDELEYEV. Ici, le nombre des trous est bien supérieur à celui des électrons libres (figure 5-c).

Les éléments du groupe V du tableau MENDELEYEV utilisés pour former les semi-conducteurs N sont l'antimoine, l'arsenic et le phosphore ; on les appelle donneurs.

Les éléments du groupe III utilisés pour former les semi-conducteurs P sont l'indium, le bore, le gallium et l'aluminium ; on les appelle accepteurs ou receveurs.

Voyons maintenant comment s'effectue la conduction électrique dans les trois types de semi-conducteurs énumérés ci-dessus.

La figure 5-a représente un petit bloc de germanium intrinsèque traversé par le courant que produit une pile. On remarque à l'intérieur du semi-conducteur, la naissance de deux flux de charges électriques.

Le premier est constitué d'électrons libres qui vont de l'extrémité B (côté négatif de la pile) à l'extrémité A (côté positif de la pile). Le second flux est constitué de trous qui en se déplaçant d'un atome à l'autre à l'intérieur du réticule cristallin, vont dans le sens opposé au précédent, c'est-à-dire de l'extrémité A vers l'extrémité B. Les deux flux sont constitués de quantités égales de charges électriques, puisque dans les semi-conducteurs intrinsèques, le nombre des électrons libres est égal à celui des trous.

Les liaisons placées entre l'extrémité du semi-conducteur et la pile sont au contraire traversées par un seul flux constitué uniquement par des électrons.

Signalons que le courant produit par une pile est continu et que son intensité est invariable dans chaque section et en tout point du conducteur. Cela signifie qu'à tout instant, la même quantité d'électrons entre dans le fil conducteur par l'extrémité A et sort par l'extrémité B. La même quantité d'électrons sort et entre également par les extrémités du petit bloc (figure 5-a).

Pour simplifier tout cela, imaginons qu'à l'intérieur du semi-conducteur et à tout instant, un électron sort par l'extrémité A et qu'un autre électron entre par l'extrémité B. Nous constatons donc que le nombre des électrons entrant est toujours égal à celui des électrons sortant.

L'électron sortant appartient à la bande de conduction, c'est-à-dire qu'il s'agit d'un électron libre. Ainsi, n'ayant pas de liens avec le réticule cristallin, il peut librement quitter le semi-conducteur et se diriger vers le positif de la pile.

A l'autre extrémité, l'électron entrant rencontre les trous qui peuvent se déplacer dans le réticule et se concentrer dans l'extrémité reliée au négatif de la pile, mais ne peuvent toutefois pas quitter le réticule. Ces trous sont en effet constitués essentiellement de places vides dans la bande de valence des atomes du semi-conducteur.

Lorsque l'électron provenant du négatif de la pile rencontre les trous, il occupe une place vide dans la bande de valence, faisant ainsi disparaître un trou.

En résumant ce qui vient d'être dit, nous pouvons tirer la conclusion suivante :

Lorsqu'un électron sort et qu'un autre entre, on a en permanence dans le semi-conducteur la perte d'un électron libre et la disparition d'un trou.

Si ce processus se répétait autant de fois qu'il y a d'électrons libres ou de trous, on pourrait s'attendre à un certain moment que le semi-conducteur reste sans électrons libres et sans trous. En réalité, le nombre d'électrons libres et de trous présents dans le réticule dépend exclusivement de la température du matériau. En effet, si la température du bloc semi-conducteur reste constante, pour chaque couple électron-trou disparu, il se forme en un point du semi-conducteur un autre électron libre et un autre trou.

Ainsi, les deux flux, celui des électrons libres (qui va de l'extrémité B à l'extrémité A) et celui des trous (qui dans le même semi-conducteur circule en sens inverse) sont alimentés en continuité, tant que dure la production de courant par la pile.  

Dans un bloc de semi-conducteur N traversé par le courant délivré par une pile (figure 5-b), les phénomènes de la conduction électrique diffèrent de ceux qui viennent d'être décrits étant donné que le nombre d'électrons libres est supérieur au nombre de trous. Dans ce cas, il se forme à l'intérieur du semi-conducteur deux flux de charges électriques, l'un étant plus fort que l'autre. Les électrons libres qui constituent le flux supérieur sont appelés porteurs majoritaires, tandis que les trous qui constituent le flux inférieur sont appelés porteurs minoritaires. Il y a en effet, dans le semi-conducteur N, beaucoup plus d'électrons libres que de trous.

On peut donc facilement comprendre qu'une grande partie des électrons provenant de l'extrémité B, traverse facilement le bloc semi-conducteur, en restant toujours dans la bande de conduction.

Dans le semi-conducteur P (figure 5-c), il se forme également deux flux, mais cette fois, le flux le plus fort est constitué de trous (porteurs majoritaires) et le flux le plus faible, d'électrons libres (porteurs minoritaires). Il est donc peu probable qu'un électron libre puisse traverser tout le bloc de l'extrémité B à celle de A.

Les électrons libres qui sortent du semi-conducteur et les trous qui vont d'une extrémité à l'autre de ce même semi-conducteur prennent naissance en général à proximité de la face A. A partir de ce point, les deux charges opposées se séparent. L'électron se dirige vers le pôle positif de la pile à travers la liaison et le trou se dirige vers l'extrémité B du bloc, où il disparaîtra dès que sa place sera occupée par un électron provenant du négatif de la pile.

 

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