Les semi-conducteurs : fonctionnement et types

Les semi-conducteurs

Un semi-conducteur est un matériau dont la conductivité électrique se situe entre celle d'un isolant et celle d'un conducteur.

Les semi-conducteurs les plus connus sont le silicium (Si) et le germanium (Ge). Le silicium est plus couramment utilisé dans la fabrication de composants électroniques à l'état solide car son comportement est plus stable que celui du germanium face aux chocs externes qui peuvent faire varier leur réponse normale. Nous nous concentrerons donc sur le silicium, en gardant à l'esprit que le processus est assez similaire pour le germanium.

Comme tout atome, l'atome de silicium a un noyau chargé positivement et des électrons qui gravitent autour de lui. Dans le cas du silicium, il y a 14 électrons. En ce qui concerne les semi-conducteurs, ce qui nous intéresse est leur capacité à donner naissance à un courant, c'est-à-dire à un mouvement d'électrons. Comme vous le savez, un électron est d'autant plus lié au noyau qu'il en est proche. Ainsi, les électrons les moins attirés par le noyau, et donc susceptibles d'être libérés, sont ceux situés sur les orbites extérieures. Ces électrons peuvent, comme mentionné plus haut, être libérés en leur fournissant un peu d'énergie. C'est sur ces électrons que se concentre notre attention. Au lieu d'utiliser le modèle complet de l'atome de silicium (Figure 1), nous utiliserons une représentation simplifiée (Figure 2) qui met en évidence la zone d'intérêt.

La zone ombrée de la figure 2 représente de façon simplifiée la zone ombrée de la figure 1.

Comme on le voit sur la figure, il y a quatre électrons susceptibles d'être libérés de la force d'attraction du noyau.

Semi-conducteurs intrinsèques

Lorsque le silicium est formé uniquement d'atomes du type décrit dans la section précédente, on dit qu'il est à l'état pur ou, plus couramment, qu'il s'agit d'un semi-conducteur intrinsèque.

Une barre de silicium pur est formée par un groupe d'atomes liés les uns aux autres selon une structure géométrique donnée, appelée réseau.

Si, dans ces conditions, nous injectons de l'énergie de l'extérieur, certains des électrons des couches extérieures ne seront plus liés et pourront se déplacer. Logiquement, si un électron quitte l'atome, celui-ci n'est plus complet : on dit qu'il est chargé positivement, car il a une charge négative de moins, ou qu'un trou est apparu. On associe alors le trou à une charge positive, située à l'endroit qu'occupait l'électron.

L'atome aura toujours tendance à revenir à son état normal, avec toutes ses charges. Dans notre cas, il essaiera donc d'attirer un électron d'un autre atome pour combler le trou.

Toute injection d'énergie externe se traduit par un processus continu dont on peut tirer deux conclusions :

• Les électrons sont libérés et se déplacent d'un atome à l'autre le long de la barre de matériau semi-conducteur (le silicium).
• Des trous apparaissent et disparaissent dans les différents atomes du semi-conducteur.

Il est donc clair que le seul mouvement réel qui existe dans un semi-conducteur est celui des électrons. Les trous qui apparaissent et disparaissent à différents points du semi-conducteur donnent l'impression d'un déplacement de charges positives. Ce mouvement des trous est une illusion : les trous ne bougent pas, ils donnent juste l'impression de le faire.

Toutefois, pour faciliter l'étude des semi-conducteurs, on parle de courant de trous (charges positives), car cela est plus pratique et les résultats sont les mêmes que dans la réalité.

Le dopage des semi-conducteurs

Application d'une tension sur le cristal de silicium : le pôle positif de la batterie attire les électrons négatifs et repousse les trous, favorisant ainsi l'apparition d'un courant dans le circuit.

Direction du mouvement d'un électron et d'un trou dans le silicium.

Cependant, le courant qui apparaît est très faible, car peu d'électrons peuvent se détacher des liaisons entre les atomes de silicium. Pour augmenter la valeur de ce courant, nous avons deux possibilités :

• Appliquer une tension plus élevée.
• Introduire des électrons ou des trous de l'extérieur dans le semi-conducteur.

La première solution n'est pas viable car, même en augmentant considérablement la tension appliquée, le courant obtenu n'est pas suffisant. La solution retenue est donc la seconde.

Dans ce dernier cas, on dit que le semi-conducteur est « dopé ».

Le dopage consiste à remplacer certains atomes de silicium par des atomes d'autres éléments. Ces derniers sont appelés impuretés. Selon le type d'impureté utilisé pour doper le semi-conducteur pur (ou intrinsèque), on distingue deux types de semi-conducteurs :

• Les semi-conducteurs de type P
• 
• Les semi-conducteurs de type N

Semi-conducteurs de type N

Si, dans un réseau cristallin de silicium (atomes de silicium reliés entre eux)...

Liaison covalente des atomes de germanium : notez que chaque atome partage chacun de ses électrons avec quatre autres atomes.

... on remplace l'un de ses atomes (qui a 4 électrons dans sa couche externe) par un atome d'un autre élément qui contient 5 électrons dans sa couche externe, 4 de ces électrons seront utilisés pour se lier avec les autres atomes du réseau et le cinquième sera libre.

Semi-conducteur de type N dopé

Ce réseau de silicium « dopé » avec ce type d'impureté est appelé « silicium de type N ».

Dans cette situation, il y a un plus grand nombre d'électrons que de trous. Ainsi, les trous sont appelés « porteurs minoritaires » et les électrons « porteurs majoritaires ».

Les impuretés de type N les plus couramment utilisées dans le processus de dopage sont l'arsenic, l'antimoine et le phosphore.

Il est clair que si l'on applique une tension aux bornes d'un semi-conducteur dopé, la probabilité qu'un courant circule dans le circuit est plus élevée que si l'on applique la même tension à un semi-conducteur intrinsèque (pur).

Semi-conducteurs de type P

Si, dans un réseau cristallin de silicium (atomes de silicium reliés entre eux)...

Liaison covalente des atomes de germanium : notez que chaque atome partage chacun de ses quatre électrons avec d'autres atomes.

... on remplace l'un de ses atomes (qui a 4 électrons dans sa couche externe) par un atome d'un autre élément qui a trois électrons dans sa couche externe, ces trois électrons combleront les lacunes laissées par les électrons de l'atome de silicium, mais comme il en faudrait quatre, il restera une lacune. Le remplacement d'un atome par un autre provoque donc l'apparition de trous dans le cristal de silicium. Dans ce cas, les « porteurs majoritaires » sont les trous et les « porteurs minoritaires » sont les électrons.

Ce réseau de silicium dopé avec ce type d'impureté est appelé « silicium de type P ».

Semi-conducteur de type P dopé

Remarques

Les semi-conducteurs dopés sont représentés en indiquant le type de porteurs majoritaires.

Le dopage d'un semi-conducteur n'est pas toujours le même : il peut être « faiblement dopé », « fortement dopé », etc.

On utilise le signe (+) pour indiquer qu'un semi-conducteur est fortement dopé.

Semi-conducteur de type N fortement dopé / Semi-conducteur de type P fortement dopé

Tous les composants électroniques à l'état solide que nous verrons plus tard (transistors, diodes, thyristors) ne sont ni plus ni moins qu'un ensemble de semi-conducteurs agencés de différentes manières.

Polarisation

Si nous appliquons maintenant à cette jonction une tension externe opposée au potentiel de barrière interne, la largeur de celle-ci va diminuer. Plus la tension appliquée à l'extérieur est élevée, plus la barrière interne est faible, jusqu'à ce qu'elle disparaisse complètement.

À ce stade, les électrons (porteurs majoritaires) de la région N sont disponibles pour accéder à la zone P. Il en va de même pour les trous de la zone P qui veulent « passer » dans la zone N.

a) Non polarisé

b) Faible polarisation directe : la zone de déplétion est réduite mais pas éliminée.

c) En augmentant la polarisation, la zone de déplétion et son potentiel de barrière interne associé ont été neutralisés.

La tension externe qui annule la barrière de potentiel et rend la jonction prête au passage des porteurs majoritaires respectifs est appelée tension de seuil. Elle est représentée par Vu et ses valeurs typiques sont les suivantes :

• Pour le silicium : Vu = 0,4 à 0,5 V
• Pour le germanium : Vu = 0,05 à 0,06 V

Dans cette situation, en appliquant une tension externe accrue, les électrons seront attirés par le pôle positif de la batterie et les trous par le pôle négatif. Ils n'auront aucune difficulté à traverser la jonction et un courant majoritaire circulera donc dans le circuit. À partir de là, toute augmentation de la tension provoque une augmentation du courant.

L'ensemble des tensions qui créent un courant proportionnel dans la diode sont appelées tensions de polarisation ou tensions de fonctionnement. Leurs valeurs typiques sont :

• Pour le silicium : 0,5 à 0,8 V
• Pour le germanium : 0,06 à 0,15 V

Passage du courant dans une diode polarisée en direct

Il semble qu'il arrivera un moment où, en augmentant la tension externe, le courant dans la jonction devra s'arrêter. En effet, à partir d'une certaine valeur de tension externe appliquée, les électrons sont neutralisés par un plus grand nombre de trous à l'intérieur de la diode et peu d'entre eux peuvent aller vers le circuit extérieur. Cela signifie que l'augmentation de tension est absorbée par la diode elle-même. La tension à partir de laquelle le courant à travers la diode reste constant (il augmente légèrement en pratique) est appelée tension de saturation.

Ses valeurs typiques sont :

• Pour le silicium : Vsat = 0,8 à 0,9 V
• Pour le germanium : Vsat = 0,15 à 0,2 V

Toute tentative d'augmenter le courant à partir de ce point peut entraîner la destruction de la diode.

Polarisation inverse

Si la tension externe appliquée à la diode a le même signe que le potentiel de barrière interne, on dit que la diode est polarisée en inverse. La borne positive de la batterie attire les électrons du matériau N en dehors de la jonction, tandis que la borne négative attire les trous du matériau P, les éloignant également de la jonction. Il se crée donc, dans la jonction, une zone sans charges, ce qui génère un courant appelé « courant de saturation inverse » ou « courant de fuite ». Sa valeur est négligeable, de l'ordre du nA (nanoampère).

La largeur de la zone de déplétion augmente lorsque la jonction est polarisée en inverse.

a) Pas de polarisation inverse

b) En appliquant une polarisation inverse, la largeur de la couche augmente appauvri

Comme ils augmentent la tension inverse atteint un moment où la diode perd sa capacité à bloquer, puis un grand flux de courant inverse. Cette tension est appelée tension de claquage ». Normalement, dans cette situation, la diode est détruite.