Notions de semi-conducteurEnseignement d’électronique de Première AnnéeEric PERONNIN

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Structure des atomesConstitution d’un atome Noyau composé de neutrons et protons

Charge d ’un proton : +1.67 10-19 C Charge d ’un neutron : 0 Masse du proton et du neutron : 1.67 10-27 kg

Couches électroniques : électrons des premières couches = électrons

fortement liés à l’atome électrons de la couche périphérique = électrons

susceptibles de se libérer de l’atome Charge d ’un électron : -1.67 10-19C Masse d ’un électron : 9.1 10-31 kg

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IonsIon positif Il s’agit d’un atome ayant perdu 1 ou plusieurs de ses

électrons périphériques. On le représentera de la façon suivante dans les dessins

qui suivront :

Ion négatif C’est un atome possédant un ou plusieurs électrons en

excès. Représentation :

3

Ion positif

Ion négatif

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Conduction dans un matériauDéfinitions Isolant

Un matériau est dit isolant si les liaisons inter atomes de sa structure sont trop fortes pour autoriser la libération d‘électrons dans la structure.

Comme il n’y a pas d’électrons libres dans la structure, il n’y circule aucun courant.

Résistivité :

4

Bande devalence

Bande deconduction

Bande interdite(Gap)

Ev

Ec

E

6eV

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Conduction Conducteur

Un matériau est dit conducteur si les atomes de son cristal libère facilement un électron de leur couche périphérique.

L’ensemble des électrons libérés autorise alors la circulation d’un courant dans le cristal.

Résistivité : – Rappel : calcul de

résistance d’un fil

5

Bande devalence

Bande deconduction

Pas de Gap

Ev

Ec

E

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Conduction dans un matériau Semi-conducteur

La structure cristalline de ces matériaux autorise la libération ponctuelle d’électrons lors d’un apport énergétique suffisant :

– collisions photoniques,– élévation de la température,– force exercée par un champ

électrostatique. La densité des porteurs

libres est beaucoup plus faible que dans un conducteur, d’où le nom de semi-conducteur.

Semi-conducteurs usuels : Silicium (Si), Germanium (Ge), Arséniure de Gallium (AsGa).

Résistivité :

6

Bande devalence

Bande deconduction

Bande interdite(Gap)

Ev

Ec

E

1.2eVpourSi

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Cristal de Silicium C’est un cristal de type

Diamant. Chaque atome est lié avec 4

atomes voisins Seul, l’atome Si possède 4 électrons

sur sa couche périphérique. Dans le cristal, il vérifie la règle de

l’octet et voit 8 électrons sur sa couche périphérique grâce à ceux des atomes voisins.

Libérés assez facilement, les électrons permettent la circulation d’un courant dans le cristal.

7

a = 2.35A

°

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Semi-conducteur intrinsèqueReprésentation à plat En se libérant, l’électron laisse une place vide sur la couche

périphérique de son atome : le trou.

Concentration des atomes de Si : environ 1023 atomes/cm3 .8

Si Si SiSiSiSi

Si Si SiSiSiSi

Si Si SiSiSiSi

Paire électron (noir)- trou (blanc, charge +e)Atome de Si

Liaison covalente

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Semi-conducteur intrinsèquePrécision sur les paires électrons-trous Origines diverses

Bombardement photonique. Echauffement du cristal intrinsèque.

Phénomène résultant L’apport d’énergie permet de briser des liaisons de valence

un électron se libère.– Il se retrouve dans la bande de conduction (c’est un e- libre).– Il laisse dans la bande de valence un atome de Si présentant un défaut d’électron

un ion Si+.

– La place laissée dans la bande de valence par l’électron libéré est appelée « trou » (charge +q).

Concentration des porteurs n = concentration des électrons libres dans la bande de

conduction. p = concentration des trous libres dans la bande de valence.

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Semi-conducteur intrinsèqueDans un cristal intrinsèque n=p=ni où ni désigne la concentration intrinsèque.

Où :– A est une constante typique du matériau.– T est la température thermodynamique en Kelvin.– k=8,6.10-5 eV/K est la constante de Boltzmann.– EG est la largeur de la bande interdite.

Pour le silicium, ni = 1010 à 300K pour 1023 atomesSoit 1 porteur libre pour 1013 atomes.Ce chiffre explique bien la nature semi-conductrice du Si.

10

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Semi-conducteur extrinsèqueUtilité du semi-conducteur intrinsèque Limitée ! Usage :

en thermistance car ni augmente très vite avec la température (sa conductivité augmente avec T).

en photorésistance car on peut faire varier la résistivité du Si en l’éclairant.

Semi-conducteur extrinsèque Semi-conducteur intrinsèque modifié = semi-conducteur

extrinsèque = semi-conducteur dopé. Résistivité d’un semi-conducteur dopé << résistivité du

cristal intrinsèque.

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Semi-conducteur dopé nPrincipe On diffuse des atomes du groupe V dans le cristal :

Phosphore (P), Arsenic (As), Bismuth. Dans le cristal de Si, l’atome injecté présente un

électron en excès par rapport au reste du cristal. L’atome dopant, de concentration , est dit donneur

et l’électron libre qu’il fournit est le porteur majoritaire du cristal dopé (concentration ). Si l’électron se libère et l’impureté se présente sous la forme d’un ion positif

Les trous libres du cristal intrinsèque sont dits porteurs minoritaires (concentration ).

Echelle des concentrations lorsque :12

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Semi-conducteur dopé nReprésentation à plat

Représentation simplifiée Paires électrons-trous du Si Electron libres du donneur Donneur = Ion positif

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Si P SiSiPSi

Si Si SiSiSiSi

Si Si SiSiSiSi

Paire électron (noir)- trou (blanc, minoritaire)Atome de Si

Liaison covalenteElectron libre

majoritaire

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Semi-conducteur dopé pPrincipe On diffuse des atomes du groupe III dans le cristal : Bore

(B), Aluminium (Al), Indium (In). Dans le cristal de Si, l’atome injecté présente un défaut

d’électron par rapport au reste du cristal. L’atome dopant, de concentration , est dit accepteur

et le trou libre qu’il fournit est le porteur majoritaire du cristal dopé (concentration ). Si le trou se libère et l’impureté se présente sous la forme d’un ion négatif

Les électrons libres du cristal intrinsèque sont dits porteurs minoritaires (concentration ).

Echelle des concentrations lorsque :14

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Semi-conducteur dopé pReprésentation à plat

Représentation simplifiée Paires électrons-trous du Si Trous libres du donneur Accepteur = Ion négatif

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Si B SiSiBSi

Si Si SiSiSiSi

Si Si SiSiSiSi

Paire électron (noir, minoritaire)- trou (blanc)Atome de Si

Liaison covalenteTrou libremajoritaire