Guide de la conductivité : métaux, semi-conducteurs et transistors

Conductivité des métaux et semi-conducteurs

Les métaux sont de très bons conducteurs d'électricité. Leur conductivité élevée est due à la présence d'électrons libres dans la dernière couche d'atomes, qui peuvent se déplacer librement entre les atomes de métal.

Dans l'argent (Ag) et le cuivre (Cu), la dernière couche contient un seul électron. Comme il est faiblement lié au noyau, il se déplace de manière aléatoire dans le métal solide.

Entre les conducteurs métalliques et les isolants se trouvent les corps semi-conducteurs, ainsi nommés car ils sont moins bons conducteurs que les métaux, mais meilleurs que les isolants.

Les semi-conducteurs les plus importants sont le germanium (Ge) et le silicium (Si), qui possèdent quatre électrons sur leur couche de valence.

Liaisons covalentes et dopage des cristaux

Pour l'étude des semi-conducteurs, nous nous concentrerons sur la liaison covalente, caractérisée par le partage des électrons de valence deux à deux entre atomes adjacents.

Un cristal de germanium ou de silicium pur ne possède pas d'électrons libres et n'est pas conducteur. Cependant, si l'on ajoute d'autres substances (impuretés) à la structure cristalline, la conductivité augmente.

• Type N : Si l'on ajoute des atomes possédant 5 électrons, la nouvelle structure crée un électron libre, car les 8 autres sont partagés par les liaisons covalentes. Ce matériau est dit de type N ou donneur d'électrons.
• Type P : Si l'on ajoute des atomes possédant 3 électrons, la nouvelle structure crée un trou (absence d'électron) pour remplir la dernière couche. Ce matériau est dit de type P ou accepteur d'électrons.

Fonctionnement de la diode et jonction PN

Lorsque l'on joint du silicium ou du germanium de type P et de type N, un échange de charges se produit à la surface de contact par diffusion. Les trous du semi-conducteur de type P passent vers le type N et s'y recombinent avec les électrons. De même, les électrons du type N passent vers le type P pour s'y recombiner.

Si l'on polarise directement la jonction, la zone diélectrique disparaît. Si elle est polarisée en inverse, cette zone s'élargit, bloquant le passage du courant. Une diode ne peut maintenir sa propriété de blocage que jusqu'à une certaine tension inverse ; au-delà, une rupture électrique se produit dans la barrière de potentiel, établissant un courant inverse important, appelé courant de perturbation.

Le transistor : structure et fonctionnement

Le transistor est un composant semi-conducteur comportant trois régions consécutives de types P et N. Il existe des transistors NPN et PNP.

La structure se compose de :

• La base (B) : région centrale.
• L'émetteur (E) et le collecteur (C) : les deux régions extérieures.

L'intensité du courant de base est fonction de la tension entre l'émetteur et le collecteur. Si cette tension est nulle, aucun courant ne circule dans la base, et donc aucun courant ne circule entre l'émetteur et le collecteur. En augmentant la tension de base, le courant d'émetteur augmente rapidement pour atteindre des valeurs élevées. Plus le courant d'émetteur est intense, plus les électrons arrivent à la base.

Applications principales du transistor

Le transistor est principalement utilisé comme :

• Amplificateur de tension et de courant.
• Commutateur électronique.