Électronique de base - Semi-conducteurs
UNE semiconductorest une substance dont la résistivité se situe entre les conducteurs et les isolants. La propriété de résistivité n'est pas la seule qui décide d'un matériau comme semi-conducteur, mais elle a peu de propriétés comme suit.
Les semi-conducteurs ont une résistivité inférieure à celle des isolants et supérieure à celle des conducteurs.
Les semi-conducteurs ont un coefficient de température négatif. La résistance dans les semi-conducteurs, augmente avec la diminution de la température et vice versa.
Les propriétés conductrices d'un semi-conducteur changent lorsqu'une impureté métallique appropriée y est ajoutée, ce qui est une propriété très importante.
Les dispositifs à semi-conducteurs sont largement utilisés dans le domaine de l'électronique. Le transistor a remplacé les tubes à vide encombrants, à partir desquels la taille et le coût des appareils ont été réduits et cette révolution n'a cessé d'augmenter son rythme menant aux nouvelles inventions comme l'électronique intégrée. L'illustration suivante montre la classification des semi-conducteurs.
Conduction dans les semi-conducteurs
Après avoir eu quelques connaissances sur les électrons, nous avons appris que la coquille la plus externe a le valence electronsqui sont lâchement attachés au noyau. Un tel atome, ayant des électrons de valence lorsqu'il est rapproché de l'autre atome, les électrons de valence de ces deux atomes se combinent pour former "Electron pairs». Cette liaison n'est pas si très forte et donc c'est unCovalent bond.
Par exemple, un atome de germanium a 32 électrons. 2 électrons dans la première orbite, 8 dans la deuxième orbite, 18 dans la troisième orbite, tandis que 4 dans la dernière orbite. Ces 4 électrons sont des électrons de valence de l'atome de germanium. Ces électrons ont tendance à se combiner avec les électrons de valence des atomes adjacents, pour former les paires d'électrons, comme le montre la figure suivante.
Création du trou
En raison de l'énergie thermique fournie au cristal, certains électrons ont tendance à quitter leur place et à rompre les liaisons covalentes. Ces liaisons covalentes rompues entraînent des électrons libres qui errent au hasard. Mais lemoved away electrons crée un espace vide ou une valence derrière, qui est appelé comme un hole.
Ce trou qui représente un électron manquant peut être considéré comme une charge positive unitaire tandis que l'électron est considéré comme une charge négative unitaire. Les électrons libérés se déplacent de manière aléatoire, mais lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, ces électrons se déplacent dans la direction opposée au champ appliqué. Mais les trous créés en raison de l'absence d'électrons, se déplacent dans la direction du champ appliqué.
Courant de trou
On comprend déjà que lorsqu'une liaison covalente est rompue, un trou est créé. En fait, il existe une forte tendance du cristal semi-conducteur à former une liaison covalente. Ainsi, un trou n'a pas tendance à exister dans un cristal. Ceci peut être mieux compris par la figure suivante, montrant un réseau cristallin semi-conducteur.
Un électron, lorsqu'il est déplacé d'un endroit A, un trou se forme. En raison de la tendance à la formation d'une liaison covalente, un électron de B est déplacé vers A. Maintenant, à nouveau pour équilibrer la liaison covalente en B, un électron est déplacé de C vers B. Cela continue à construire un chemin. Ce mouvement de trou en l'absence de champ appliqué est aléatoire. Mais lorsqu'un champ électrique est appliqué, le trou dérive le long du champ appliqué, ce qui constitue lehole current. C'est ce qu'on appelle un courant de trou mais pas un courant d'électrons car le mouvement des trous contribue au flux de courant.
Les électrons et les trous en mouvement aléatoire peuvent se rencontrer pour former des paires. Cette recombinaison entraîne un dégagement de chaleur, qui rompt une autre liaison covalente. Lorsque la température augmente, le taux de génération d'électrons et de trous augmente, donc le taux de recombinaison augmente, ce qui se traduit par une augmentation des densités d'électrons et de trous. En conséquence, la conductivité du semi-conducteur augmente et la résistivité diminue, ce qui signifie le coefficient de température négatif.
Semi-conducteurs intrinsèques
On dit qu'un semi-conducteur dans sa forme extrêmement pure est un intrinsic semiconductor. Les propriétés de ce semi-conducteur pur sont les suivantes -
- Les électrons et les trous sont uniquement créés par excitation thermique.
- Le nombre d'électrons libres est égal au nombre de trous.
- La capacité de conduction est faible à température ambiante.
Afin d'augmenter la capacité de conduction du semi-conducteur intrinsèque, il est préférable d'ajouter des impuretés. Ce processus d'ajout d'impuretés est appelé commeDoping. Or, ce semi-conducteur intrinsèque dopé est appelé semi-conducteur extrinsèque.
Se doper
Le processus d'ajout d'impuretés aux matériaux semi-conducteurs est appelé dopage. Les impuretés ajoutées sont généralement des impuretés pentavalentes et trivalentes.
Pentavalent Impurities
le pentavalentles impuretés sont celles qui ont cinq électrons de valence dans l'orbite la plus externe. Exemple: Bismuth, Antimoine, Arsenic, Phosphore
L'atome pentavalent est appelé comme un donor atom car il donne un électron à la bande de conduction de l'atome de semi-conducteur pur.
Trivalent Impurities
le trivalentles impuretés sont celles qui ont trois électrons de valence dans l'orbite la plus externe. Exemple: gallium, indium, aluminium, bore
L'atome trivalent est appelé comme un acceptor atom car il accepte un électron de l'atome semi-conducteur.
Semi-conducteur extrinsèque
Un semi-conducteur impur, qui est formé par dopage d'un semi-conducteur pur est appelé comme un extrinsic semiconductor. Il existe deux types de semi-conducteurs extrinsèques en fonction du type d'impureté ajoutée. Ce sont des semi-conducteurs extrinsèques de type N et des semi-conducteurs extrinsèques de type P.
Semi-conducteur extrinsèque de type N
Une petite quantité d'impureté pentavalente est ajoutée à un semi-conducteur pur pour donner un semi-conducteur extrinsèque de type N. L'impureté ajoutée a 5 électrons de valence.
Par exemple, si un atome d'arsenic est ajouté à l'atome de germanium, quatre des électrons de valence se fixent avec les atomes de Ge tandis qu'un électron reste sous forme d'électrons libres. Ceci est comme illustré dans la figure suivante.
Tous ces électrons libres constituent un courant d'électrons. Par conséquent, l'impureté, lorsqu'elle est ajoutée au semi-conducteur pur, fournit des électrons pour la conduction.
Dans les semi-conducteurs extrinsèques de type N, comme la conduction a lieu à travers des électrons, les électrons sont des porteurs majoritaires et les trous sont des porteurs minoritaires.
Comme il n'y a pas d'addition de charges positives ou négatives, les électrons sont électriquement neutres.
Lorsqu'un champ électrique est appliqué à un semi-conducteur de type N, auquel une impureté pentavalente est ajoutée, les électrons libres se déplacent vers l'électrode positive. Ceci est appelé conductivité négative ou de type N.
Semi-conducteur extrinsèque de type P
Une petite quantité d'impureté trivalente est ajoutée à un semi-conducteur pur pour donner un semi-conducteur extrinsèque de type P. L'impureté ajoutée a 3 électrons de valence. Par exemple, si un atome de bore est ajouté à l'atome de germanium, trois des électrons de valence se fixent avec les atomes de Ge, pour former trois liaisons covalentes. Mais, un électron de plus dans le germanium reste sans former de liaison. Comme il ne reste aucun électron dans le bore pour former une liaison covalente, l'espace est traité comme un trou. Ceci est comme illustré dans la figure suivante.
L'impureté de bore lorsqu'elle est ajoutée en petite quantité, fournit un certain nombre de trous qui aident à la conduction. Tous ces trous constituent un courant de trou.
Dans le semi-conducteur extrinsèque de type P, comme la conduction a lieu à travers des trous, les trous sont des porteurs majoritaires tandis que les électrons sont des porteurs minoritaires.
L'impureté ajoutée ici fournit des trous appelés acceptors, car ils acceptent les électrons des atomes de germanium.
Le nombre de trous mobiles restant égal au nombre d'accepteurs, le semi-conducteur de type P reste électriquement neutre.
Lorsqu'un champ électrique est appliqué à un semi-conducteur de type P, auquel une impureté trivalente est ajoutée, les trous se déplacent vers l'électrode négative, mais avec un rythme plus lent que les électrons. C'est ce qu'on appelle la conductivité de type P.
Dans cette conductivité de type P, les électrons de valence se déplacent d'une liaison covalente à une autre, contrairement au type N.
Pourquoi le silicium est-il préféré dans les semi-conducteurs?
Parmi les matériaux semi-conducteurs comme le germanium et le silicium, le matériau largement utilisé pour la fabrication de divers composants électroniques est Silicon (Si). Le silicium est préféré au germanium pour de nombreuses raisons telles que -
La bande interdite d'énergie est de 0,7ev, alors qu'elle est de 0,2ev pour le germanium.
La génération de paire thermique est plus petite.
La formation d'une couche de SiO2 est facile pour le silicium, ce qui aide à la fabrication de nombreux composants avec la technologie d'intégration.
Si se trouve facilement dans la nature que Ge.
Le bruit est moindre dans les composants constitués de Si que dans Ge.
Par conséquent, le silicium est utilisé dans la fabrication de nombreux composants électroniques, qui sont utilisés pour fabriquer différents circuits à des fins diverses. Ces composants ont des propriétés individuelles et des utilisations particulières.
Les principaux composants électroniques comprennent - Résistances, résistances variables, condensateurs, condensateurs variables, inductances, diodes, diodes tunnel, diodes Varactor, transistors, BJT, UJT, FET, MOSFET, LDR, LED, cellules solaires, thermistance, varistance, transformateur, commutateurs , relais, etc.