9.8 : Dispositifs à semi-conducteurs

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Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

Décrire ce qui se produit lorsque des matériaux de type n et p sont assemblés en utilisant le concept de courant de diffusion et de dérive (tension appliquée nulle)
Expliquer la réponse d'une jonction p-n à une tension de polarisation directe et inverse
Décrire la fonction d'un transistor dans un circuit électrique
Utilisez le concept de jonction p-n pour expliquer ses applications dans les amplificateurs audio et les ordinateurs

Les semi-conducteurs ont de nombreuses applications dans l'électronique moderne. Nous décrivons certains dispositifs semi-conducteurs de base dans cette section. L'un des grands avantages de l'utilisation de semi-conducteurs pour les éléments de circuits est le fait que des milliers ou des millions de dispositifs à semi-conducteurs peuvent être combinés sur le même petit morceau de silicium et connectés par des pistes conductrices. La structure qui en résulte est appelée circuit intégré (ic), et les puces à circuit intégré sont à la base de nombreux appareils modernes, des ordinateurs aux smartphones, en passant par Internet et les réseaux de communication mondiaux.

Diodes

Le dispositif le plus simple qui puisse être créé avec un semi-conducteur est peut-être une diode. Une diode est un élément de circuit qui permet au courant électrique de circuler dans une seule direction, comme une valve unidirectionnelle (voir Modèle de conduction dans les métaux). Une diode est créée en joignant un semi-conducteur de type p à un semi-conducteur de type n (Figure\(\PageIndex{1}\)). La jonction entre ces matériaux est appelée jonction p-n. Une comparaison des bandes d'énergie d'une diode à base de silicium est présentée sur la figure\(\PageIndex{1b}\). Les positions des bandes de valence et de conduction sont les mêmes, mais les niveaux d'impuretés sont très différents. Lorsqu'une jonction p-n se forme, les électrons de la bande de conduction du matériau de type n diffusent vers le côté p, où ils se combinent avec des trous dans la bande de valence. Cette migration de charge laisse des ions donneurs ionisés positifs sur le côté n et des ions accepteurs ionisés négatifs sur le côté p, produisant une double couche de charge étroite à la jonction p-n appelée couche de déplétion. Le champ électrique associé à la couche de déplétion empêche toute diffusion ultérieure. L'énergie potentielle des électrons à travers la jonction p-n est donnée par la Figure\(\PageIndex{2}\).

La figure a montre deux blocs placés côte à côte, en contact. La bande de gauche est étiquetée p et celle de droite est étiquetée n. La figure b montre une bande de valence en bas et une bande de conduction en haut. Il y a des trous dans la bande de valence sur la gauche, étiquetés trous en haut de la bande de valence. Il y a des électrons au-dessus de la ligne de conduction sur la droite, des électrons marqués au bas de la bande de conduction. Les bandes d'impuretés sont affichées au-dessus des trous et en dessous des électrons. — Figure\(\PageIndex{1}\) : (a) Représentation d'une jonction **p-n**. (b) Une comparaison des bandes d'énergie du silicium de type p et de type n avant l'équilibre.

Le comportement d'une diode semi-conductrice peut maintenant être compris. Si le côté positif de la batterie est connecté au matériau de type n, la couche d'appauvrissement est élargie et la différence d'énergie potentielle à travers la jonction p-n est augmentée. Peu ou pas d'électrons (trous) ont assez d'énergie pour franchir la barrière de potentiel, et le courant est considérablement réduit. C'est ce que l'on appelle la configuration de polarisation inverse. D'autre part, si le côté positif d'une batterie est connecté au matériau de type p, la couche de déplétion se rétrécit, la différence d'énergie potentielle à travers la jonction p-n est réduite et les électrons (trous) circulent facilement. C'est ce que l'on appelle la configuration de polarisation directe de la diode. En résumé, la diode permet au courant de circuler librement dans un sens mais empêche le courant de circuler dans le sens opposé. En ce sens, la diode semi-conductrice est une valve unidirectionnelle.

La figure a montre deux blocs placés côte à côte, en contact. Celui de gauche est étiqueté p et celui de droite est étiqueté n. Les signes moins sont affichés dans le bloc p près du côté en contact. Les signes plus sont indiqués dans le bloc n, près du côté en contact. La figure b montre une bande de valence en bas et une ligne de conduction en haut. La bande de valence est plus élevée sur le côté gauche, atteignant presque la ligne centrale entre les deux bandes. Il y a des trous avec la bande de valence en haut, sur la gauche. La ligne de conduction se trouve plus bas sur la droite, atteignant presque la ligne centrale entre les deux bandes. Il y a des électrons juste au-dessus de la ligne, sur la droite. Le déplacement des bandes est étiqueté eV indice 0, la différence de potentiel empêche la diffusion d'électrons du côté n vers le côté p. — Figure\(\PageIndex{2}\) : À l'équilibre, (a) une charge excédentaire se trouve près de l'interface et le courant net est nul, et (b) la différence d'énergie potentielle pour les électrons (en bleu clair) empêche toute diffusion ultérieure des électrons sur le côté p.

Nous pouvons estimer la relation mathématique entre le courant et la tension pour une diode en utilisant le concept de potentiel électrique. Considérez N porteurs majoritaires chargés négativement (électrons donnés par des atomes d'impuretés) dans le matériau de type n et une barrière potentielle V à travers la jonction p-n. Selon la distribution de Maxwell-Boltzmann, la fraction d'électrons qui ont suffisamment d'énergie pour diffuser à travers la barrière de potentiel est\(Ne^{-eV/k_BT}\). Cependant, si une batterie de tension\(V_b\) est appliquée dans la configuration de polarisation directe, cette fraction s'améliore à\(Ne^{-e(V-V_b)/k_BT}\). Le courant électrique dû aux porteurs majoritaires du côté n vers le côté p est donc

\[I = Ne^{-eV/k_BT}e^{eV_b/k_BT} = I_0e^{eV_b/k_BT}, \nonumber \]

où\(I_0\) est le courant sans tension appliquée et T est la température. Le courant dû aux porteurs minoritaires (excitation thermique des électrons de la bande de valence vers la bande de conduction du côté p et attraction ultérieure vers le côté n) est\(-I_0\) indépendant de la tension de polarisation. Le courant net est donc

\[I_{net} = I_0\left(e^{eV_b/k_BT} - 1\right). \nonumber \]

Un exemple de graphique du courant par rapport à la tension de polarisation est donné dans la figure\(\PageIndex{3}\). Dans la configuration de polarisation directe, de petites variations de la tension de polarisation entraînent de fortes variations du courant. Dans la configuration de polarisation inverse, le courant est\(I_{net} \approx -I_0\). Pour les valeurs extrêmes de polarisation inverse, les atomes du matériau sont ionisés, ce qui déclenche une avalanche de courant. Ce cas se produit à la tension de claquage.

Graphique de l'indice I net par rapport à V. Une flèche pointant vers la droite à partir de l'axe y est appelée biais vers l'avant. Une flèche pointant vers la gauche à partir de l'axe y est appelée biais inverse. La courbe monte et se dirige vers la droite dans le premier quadrant, puis devient presque verticale à des valeurs élevées de x et de y. Elle traverse l'axe x positif jusqu'au quatrième quadrant, puis l'axe y négatif à moins I, indice 0. Il se déplace vers la gauche en ligne horizontale jusqu'à un point où il descend brusquement pour former une ligne presque verticale. La valeur x du point de retournement est appelée tension de claquage. — Figure\(\PageIndex{3}\) : Courant/tension aux bornes d'une jonction **p-n** (diode). Dans la configuration de polarisation directe, le courant électrique circule facilement. Cependant, dans la configuration de polarisation inverse, le courant électrique circule très peu.

Exemple\(\PageIndex{1}\): Diode Current

La fixation de l'extrémité positive d'une batterie au côté p et de l'extrémité négative au côté n d'une diode à semi-conducteur produit un courant de\(4.5 \times 10^{-1} A\). Le courant de saturation inverse est\(2.2 \times 10^{-8} A\). (Le courant de saturation inverse est le courant d'une diode dans une configuration de polarisation inverse telle que celle-ci.) La tension de la batterie est de 0,12 V. Quelle est la température de la diode ?

Stratégie

Le premier agencement est une configuration de polarisation directe et le second est une configuration de polarisation inverse.

Solution

Le courant dans les configurations de polarisation directe et inverse est donné par

\[I_{net} = I_0\left(e^{eV_b/k_BT} - 1\right). \nonumber \]

Le courant sans polarisation est lié au courant de saturation inverse par

\[I_0 \approx -I_{sat} = 2.2 \times 10^{-8}. \nonumber \]

Donc

\[\dfrac{I_{net}}{I_0} = \dfrac{4.5 \times 10^{-1} A}{2.2 \times 10^{-8}A} = 2.0 \times 10^8. \nonumber \]

cela peut être écrit comme

\[\dfrac{I_{net}}{I_0} + 1 = e^{eV_b/k_BT}. \nonumber \]

Ce ratio est bien supérieur à un, de sorte que le deuxième terme sur le côté gauche de l'équation disparaît. Prendre la bûche naturelle des deux côtés donne

\[\dfrac{eV_b}{k_BT} = 19. \nonumber \]

La température est donc

\[T = \dfrac{eV_b}{k_B} \left(\dfrac{1}{19}\right) = \dfrac{e(0.12 \, V)}{8.617 \times 10^{-5} eV/K} \left(\dfrac{1}{19}\right) = 73 \, K. \nonumber \]

L'importance

Le courant traversant une diode dans la configuration de polarisation directe et inverse est sensible à la température de la diode. Si l'énergie potentielle fournie par la batterie est importante par rapport à l'énergie thermique de l'environnement de la diode\(k_BT\), le courant de polarisation directe est très important par rapport au courant de saturation inverse.

Exercice\(\PageIndex{1}\)

Comment l'amplitude du courant de polarisation directe se compare-t-elle au courant de polarisation inverse ?

Solution

Le courant de polarisation directe est beaucoup plus important. De manière approximative, les diodes ne permettent au courant de circuler que dans un seul sens.

Créez une jonction p-n et observez le comportement d'un circuit simple pour les tensions de polarisation directe et inverse. Visitez ce site pour en savoir plus sur les diodes à semi-conducteurs.

Transistor à jonction

Si les diodes sont des vannes unidirectionnelles, les transistors sont des vannes unidirectionnelles qui peuvent être ouvertes et fermées avec précaution pour contrôler le courant. Un type particulier de transistor est un transistor à jonction. Un transistor à jonction comporte trois parties, dont un semi-conducteur de type n, également appelé émetteur ; un semi-conducteur mince de type p, qui est la base ; et un autre semi-conducteur de type n, appelé collecteur (Figure\(\PageIndex{4}\)). Lorsqu'une borne positive est connectée à la couche de type p (la base), un petit courant d'électrons, appelé courant de base\(I_B\), circule vers la borne. Cela provoque le passage d'un courant collecteur important\(I_C\) à travers le collecteur. Le courant de base peut être ajusté pour contrôler le grand courant du collecteur. Le gain actuel est donc

\[I_c = \beta I_B. \nonumber \]

Trois blocs en contact sont représentés. De gauche à droite, ils sont étiquetés : émetteur, type n, base, type p et collecteur, type n. Une source de tension est connectée aux bornes du collecteur et de l'émetteur, le collecteur étant positif. Une autre source de tension est connectée à travers l'émetteur et la base, la base étant positive. Une flèche épaisse part de l'émetteur, traverse les deux autres blocs, sort du collecteur et parcourt la première boucle de tension. La flèche est étiquetée grand flux d'électrons, courant collecteur. Une flèche plus fine partant de la base se dirige vers la deuxième boucle de tension. C'est ce que l'on appelle petit flux d'électrons, courant de base. — Figure\(\PageIndex{4}\) : Un transistor à jonction est composé de trois parties : émetteur, base et collecteur. La tension appliquée à la base agit comme une soupape pour contrôler le courant électrique de l'émetteur au collecteur.

Un transistor à jonction peut être utilisé pour amplifier la tension d'un microphone afin de piloter un haut-parleur. Dans cette application, les ondes sonores font entrer et sortir rapidement un diaphragme situé à l'intérieur du microphone (Figure\(\PageIndex{5}\)). Lorsque le diaphragme est en position « entrée », une minuscule tension positive est appliquée à la base du transistor. Cela ouvre la « vanne » du transistor et permet à un courant électrique important de circuler vers le haut-parleur. Lorsque le diaphragme est en position « sortie », une faible tension négative est appliquée à la base du transistor, ce qui ferme la vanne du transistor de sorte qu'aucun courant ne circule vers le haut-parleur. Cela ferme la « vanne » du transistor afin qu'aucun courant ne circule vers le haut-parleur. De cette manière, le courant envoyé au haut-parleur est contrôlé par les ondes sonores et le son est amplifié. Tout appareil électrique qui amplifie un signal est appelé amplificateur.

La figure a montre trois blocs en contact. De gauche à droite, ils sont étiquetés : émetteur, type n, base, type p et collecteur, type n. Un haut-parleur est connecté au collecteur et à l'émetteur. Un microphone est connecté à l'émetteur et à la base. Il est étiqueté que le diaphragme sort. La tension aux bornes du microphone est appelée tension de base. Il est négatif à la base. La figure est marquée comme peu ou pas de flux d'électrons. La figure b montre une disposition similaire à celle de la figure a. Une flèche épaisse part de l'émetteur, traverse les deux autres blocs, sort du collecteur et se déplace le long de la boucle du haut-parleur. La flèche est étiquetée grand flux d'électrons, courant collecteur. Une flèche plus fine partant de la base pénètre dans la boucle du microphone. C'est ce que l'on appelle petit flux d'électrons, courant de base. La polarité de la tension de base aux bornes du microphone est opposée à celle de la figure a. Le microphone est étiqueté Le diaphragme se déplace. Le haut-parleur est montré pour émettre des ondes sonores. — Figure\(\PageIndex{5}\) : Amplificateur audio basé sur un transistor à jonction. La tension appliquée à la base par un microphone agit comme une soupape pour contrôler un courant électrique plus important qui traverse un haut-parleur.

Dans les appareils électroniques modernes, les signaux numériques sont utilisés avec des diodes et des transistors pour effectuer des tâches telles que la manipulation de données. Les circuits électriques transmettent deux types de signaux électriques : analogiques et numériques (Figure\(\PageIndex{6}\)). Un signal analogique varie en continu, tandis qu'un signal numérique commute entre deux valeurs de tension fixes, telles que plus 1 volt et zéro volt. Dans les circuits numériques tels que ceux que l'on trouve dans les ordinateurs, un transistor se comporte comme un interrupteur marche-arrêt. Le transistor est soit allumé, ce qui signifie que la vanne est complètement ouverte, soit il est éteint, ce qui signifie que la vanne est complètement fermée. Les circuits intégrés contiennent de vastes collections de transistors sur une seule pièce de silicium. Ils sont conçus pour gérer les signaux numériques représentant des uns et des zéros, également appelés code binaire. L'invention du circuit intégré a contribué au lancement de la révolution informatique moderne.

Deux graphes de V par rapport à t sont présentés. Le premier signal analogique marqué possède une onde sinusoïdale irrégulière. Le second signal numérique étiqueté possède une onde carrée. — Figure\(\PageIndex{6}\) : Les données du monde réel sont souvent analogiques, ce qui signifie que les données peuvent varier en permanence. Les valeurs d'intensité des images sonores ou visuelles sont généralement analogiques. Ces données sont converties en signaux numériques pour un traitement électronique dans des appareils d'enregistrement ou des ordinateurs. Le signal numérique est généré à partir du signal analogique en exigeant une certaine valeur de coupure de tension.