Semi-conducteurs

ISSLg - Cours d'électronique - Électronique (ELO)

Les semi-conducteurs

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Métaux, isolants et semi-conducteurs

Un atome est constitué d'un noyau (neutrons + protons) et d'électrons tournant autour de ce noyau. Ces électrons se répartissent en plusieurs groupes, chaque groupe ayant sa propre distance de rotation par rapport au noyau. Ces différentes distances sont dénommées orbites et traduisent l'état énergétique (énergie cinétique) des électrons de cette orbite. L'énergie des électrons se mesure en "électronvolt" (1eV = 1,6 × 10⁻¹⁹J), c'est l'énergie qu'acquière un électron en franchissant une différence de potentiel d'un volt. La dernière orbite des électrons (la plus éloignée du noyau), s'appelle la bande de valence, ce sont uniquement ces électrons qui sont susceptibles d'être échangés avec les atomes voisins.

Pour permettre la circulation d'un courant électrique, il faut qu'un électron puisse passer d'un atome à un autre. Pour qu'un électron puisse quitter la bande de valence de son noyau et passer dans la bande de valence du noyau voisin, il doit avoir une certaine énergie. Cette énergie est représentée par la bande de conduction.

Source : wikipedia.org

Dans un métal, les bandes de valence et de conduction se chevauchent : même sans excitation externe les électrons de valence ont suffisamment d'énergie pour passer d'un atome à l'autre. Dans les métaux, des électrons sont ainsi mis en commun entre les différents atomes. Il se produit un courant d'électrons déjà sous une faible différence de potentiel (quelques µV suffisent pour engendrer un courant de quelques pA). La résistivité des conducteurs augmente avec la température, car l'agitation thermique augmente la probabilité de collision des électrons avec les atomes en se déplaçant.

Dans un isolant les bandes de valence et de conduction sont énergétiquement fort écartées (supérieur à 5eV) : les électrons ne peuvent que très difficilement passer d'un atome à l'autre. Il faut appliquer à un isolant une forte tension (plusieurs centaines de Volts par mm d'épaisseurs) pour voir brusquement un courant incontrôlable le traverser (claquage). Rappelez-vous la démonstration au labo avec le générateur d'arc... Lors du claquage, les isolants présentent une résistance négative : plus le courant est élevé, plus leur résistance diminue (phénomène d'ionisation, plasma dû à la chaleur de l'arc...) ! Le claquage est souvent irréversible et détruit l'isolant qui doit être remplacé.

Dans un semi-conducteur les bandes de valence et de conduction sont énergétiquement peu écartées (de l'ordre de 1eV) : les électrons peuvent passer d'un atome à l'autre sous l'influence d'une énergie thermique ou lumineuse. Sous une certaine différence de potentiel (quelques centaines de mV), il se produit un courant d'électron (opposé au sens conventionnel) et un courant de manque d'électron appelé courant de trou (sens conventionnel). Contrairement aux métaux, la résistivité des semi-conducteurs diminue lorsque la température augmente, car l'agitation thermique transmet son énergie aussi aux électrons de valence, leur permettant de passer de la bande de valence à celle de conduction.

Les semi-conducteurs utilisés en électronique

Les semi-conducteurs les plus utilisés en électronique sont quadrivalents (ils ont 4 électrons dans la bande de valence) : le Silicium (Si) et le Germanium (Ge).
Le Silicium s'est imposé car il est plus stable en température, il peut fonctionner entre -65°C et +150°C.
Le Germanium peut fonctionner entre -65°C et +100°C, mais on l'utilise toujours en très haute fréquence (plus rapide) et lorsqu'il faut des tensions de seuil basses (0,3V pour le Ge au lieu de 0,7V pour le Si).

Les LED utilisent le phosphure d'arséniure de gallium (GaAsP) comme semi-conducteur.
Les LDR (résistance diminuant à la lumière) utilisent le sulfure de cadmium (CdS) comme semi-conducteur.
Les CTN (résistance à coefficient de température négatif) sont fabriquées à base d'oxydes de manganèse, cobalt, cuivre et nickel. Ces oxydes sont semi-conducteurs.
Pour la détection infra-rouge et l'imagerie thermique c'est l'antimoniure d'indium (InSb) qui est utilisé.
Des recherches sont en cours sur des semi-conducteurs organiques (à base de Carbone : C) pour la réalisation de panneaux photovoltaïques bon marché ou d'afficheurs (écran OLED).

Le dopage N et le dopage P

Un semi-conducteur intrinsèque est un semi-conducteur ne contenant aucune impureté (ex : monocristal de silicium). Ce semi-conducteur intrinsèque est un mauvais conducteur et un mauvais isolant, il a donc peu d'intérêt en électronique. Mais on peut le transformer en bon conducteur en lui ajoutant d'autres atomes, appelés impuretés. Le procédé qui permet d'ajouter des impuretés à un semi-conducteur intrinsèque (pur) pour augmenter et contrôler la conductibilité est appelé dopage.

Exemple avec du Silicium pur :

Le Silicium a 4 électrons de valence et chaque électron va se lier avec un électron de valence de ses 4 atomes voisins (cristallisation cubique). Tous les électrons sont liés et aucun n'est libre pour faire passer aisément le courant (il faut un ΔE de 1eV pour qu'un électron se mette en mouvement).

Un semi-conducteur quadrivalents (qui a 4 électrons dans la bande de valence) de type N est dopé avec des atomes d'impureté pentavalents (qui ont 5 électrons dans la bande de valence) : Arsenic (As), Phosphore (P), Antimoine (Sb). Les électrons y sont les porteurs majoritaires.
Exemple avec du Silicium dopé avec du Phosphore :

Le Phosphore a 5 électrons de valence, 4 d'entre-eux vont se lier avec un électron de valence de ses 4 atomes de Silicium voisins. Il reste donc un électron non lié qui peut participer à la circulation d'un courant d'électrons (il ne faut qu'un ΔE de 0,01eV pour que cet électron se mette en mouvement).

Un semi-conducteur quadrivalents (qui a 4 électrons dans la bande de valence) de type P est dopé avec des atomes d'impureté trivalents (qui ont 3 électrons dans la bande de valence) : Aluminium (Al), Bore (B) et Gallium (Ga). Les trous y sont les porteurs majoritaires.
Exemple avec du Silicium dopé avec de l'Aluminium :

L'Aluminium a 3 électrons de valence. Il manque donc un électron pour se lier avec un électron de valence de ses 4 atomes de Silicium voisins. Ce manque d'électron est symbolisé par un trou. Ce dopage P permet également le passage du courant, des électrons peuvent en effet passer de trou en trou (il ne faut qu'un ΔE de 0,05eV pour qu'un électron vienne boucher ce trou). Même si physiquement ce sont des électrons qui circulent de trou en trou, pour le différentier du type N, on considère que ce sont les trous qui se déplacent (idem verre à moitié vide ou à moitié plein).

Les courants d'électrons et de trous

Dans un semi-conducteur dopé de type N, c'est un courant d'électrons qui va pouvoir circuler.
Dans un semi-conducteur dopé de type P, c'est un courant de trous qui va pouvoir circuler.

Mais la mobilité des trous est deux fois plus faible que celle des électrons. Un semi-conducteur dopé de type P sera donc deux fois moins performant qu'un semi-conducteur dopé de type N.

La réalisation de composants électroniques

Avec le dopage, on est parvenu à transformer un mauvais conducteur (semi-conducteur intrinsèque) en un excellent conducteur (semi-conducteur de type N ou de type P). Quel est l'intérêt, on aurait pu utiliser directement du Cuivre ?
L'intérêt est que l'on peut combiner les zones de type P avec des zones de type N, par exemple avec du P suivi de N on fabrique une diode, avec du N puis du P puis à nouveau du N on fabrique un transistor NPN !

Toute l'électronique repose sur cette juxtaposition de zones de dopage P et N.

Fonctions	Agencement des dopages	Dessins
Diode	PN
Isolant	PN en sens bloquant , ou oxyde de Si
Transistor bipolaire	NPN ou PNP
Transistor à effet de champ (et résistance)	canal N ou canal P
Thyristor	PNPN

Remarque : à caractéristiques égales (Umax et Imax identiques), comme le P est moins performant que le N, un transistor NPN sera moins cher et plus performant (meilleur gain) qu'un transistor PNP vu que ce dernier contient plus de P ; un transistor canal N sera moins cher et plus performant qu'un transistor canal P.

Pour la fabrication de composants au Silicium par exemple, on part d'un monocristal de Silicium ultra purifié. Ce monocristal est ensuite découpé en tranche (wafer). Sur chaque tranche on imprime avec un vernis photosensible les zones à doper (idem que pour vos PCB). Le dopage est ensuite réalisé. L'opération est répétée autant de fois que nécessaire pour obtenir l'agencement des zones de dopage N et P désiré. Les composants étant très petits, on en réalise plusieurs en même temps, l'un à côté de l'autre, sur une simple tranche (d'où le terme "wafer" qui signifie gaufre en anglais). On peut même les interconnecter pour réaliser un circuit intégré. La tranche est ensuite découpée en composants ou circuits individuels. Chaque composant ou circuit est collé dans un boîtier et soudé aux pins du boîtier qui est finalement scellé. Chaque composant ou circuit est ensuite testé avant d'être mis en vente, en effet, le monocristal de départ n'est jamais parfait, les composants qui sont situés sur ces imperfections sont défectueux. Plus un composant est grand, plus il sera cher, car il faut plus de matière et il a plus de malchance d'avoir une imperfection du monocristal de départ : il y aura une proportion plus grande de composants défectueux lors du test de fin de fabrication. Certains composants sont d'ailleurs testés avant leur mise en boitier afin de ne pas gaspiller les boitiers, ni monopoliser inutilement les robots de mise en boitier.

Auteur : Philippot Marc - 16/11/2020