Chapitre II les Semi - conducteur et les diodes à jonction A.Lacheb U.S.T.H.B : 201 8 / 201 9 Faculté d ’ Electronique et d ’ Informatique Département d ’ Instrumentation et d ’ Automatique Section :Automatique 1 A - Les semi - conducteurs 2 II - 1 Conduction électrique Dans le modèle classique, un corps est isolant s ’ il ne contient pas d ’ électrons mobiles. Dans un conducteur, des électrons sont peu liés aux noyaux et peuvent se déplacer dans le réseau cristallin Si n est la densité des électrons libres, v leur vitesse moyenne, dans une barre de longueur L, de section S avec une tension V entre les extrémités, la densité de courant J = I/S est égale à J = n.e.v La vitesse des électrons est proportionnelle à la force à laquelle ils sont soumis donc au champ électrique E = V/L. Si μ désigne la mobilité, on a : v = μ.E J = n.e.μ.E = σ.E = E/ρ Le modèle classique a été remplacé par le modèle quantique des bandes d ’ énergie. Dans l ’ atome isolé les électrons occupent des niveaux d ’ énergie discrets. Dans un cristal, par suite des interactions entre les atomes, ces niveaux discrets s ’ élargissent et les électrons occupent des bandes d ’ énergie permises séparées par des bandes interdites 3 • Dans les isolants, les bandes d’énergie les plus faibles sont entièrement pleines. La hauteur de la bande interdite est grande (≈ 5 eV). Il n’y a pas de niveaux d’énergie accessibles et pas de conduction. Par exemple, la résistivité du diamant est ρ = 1.10 12 Ω.m et celle du mica varie entre 10 10 Ω.m et 10 15 Ω.m • Dans les conducteurs, la dernière bande occupée est partiellement remplie : il existe beaucoup de niveaux disponibles et la conduction est grande. Pour des métaux bons conducteurs, on obtient : ρAg = 1,6.1 0 – 8 Ω.m ; ρCu = 1,7.10 – 8 Ω.m ; ρAl = 2,8.10 – 8 Ω.m • Pour les semi - conducteurs, le taux de remplissage de la dernière bande occupée est soit très faible soit très important. La hauteur de la bande interdite est faible (≈ 1 eV). La conduction est faible et varie beaucoup avec la température. Pour le silicium et le germanium, on mesure à 300 K : ρSi = 2400 Ω.m ; ρGe = 0,5 Ω.m 4 • Tous les corps sont constitués d ’ atomes. Un atome comprend un noyau très dense constitué de protons de charge électrique positive et de neutrons neutres électriquement • Un nombre d ’ électron égal au nombre de protons du noyau tourne autour de celui - ci. • La charge électrique de l ’ électron est négative et opposée à celle du proton. L ’ atome est donc électriquement neutre. • Ces électrons sont disposés en couches concentriques et seuls ceux de la couche externe interviennent dans les phénomènes électriques et chimiques. Cette couche comprend de 1 à 8 électrons dont le nombre correspond à la valence 5 II - 2 Structure des atomes Des orbites associées à des état énergétiques La couche périphérique est appelée Couche de valence Elle intervient dans l'établissement des liaisons chimiques entre différents atomes pour former des molécules Couche de valence ou couche périphérique Electron de valence 6 II - 3 Bandes d ’ énergies Répartition énergétiques en bandes discontinues : – Orbitales associées à des états énergétiques – Bandes interdites Deux bandes sont impliquées dans la conduction Électrique: La bande de conduction et bande de valence d ’ après le schéma des bandes d ’ énergie Un semi - conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique, est suffisamment importante. En d'autres termes, la conductivité électrique d'un semi - conducteur est intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants. 7 II - 4 Constitution d’un semi conducteur Les semi conducteurs sont de valence 4. Leurs atomes sont disposés régulièrement selon les sommets d’un cube (comme le diamant). Chacun des 4 électrons d’un atome est lié à un électron d’un des 4 atomes qui l’entoure ce qui fait que tous les électrons sont liés entre eux et qu’aucun n’est disponible pour assurer le passage d’un courant. C’est pourquoi un semi conducteur parfaitement pur (on dit intrinsèque) n’est pas conducteur de l’électricité. II - 4 - 1 Structure cristalline du silicium non dopé (intrinsèque) • Un semi - conducteur intrinsèque est un matériau semi - conducteur pur : le matériau est parfaitement régulier et ne contient aucune impureté. Son comportement électrique ne dépend alors que de sa structure et de l'excitation thermique : à 0 K, le matériau est isolant ; • plus on chauffe, plus le nombre d'électrons arraché à la bande de valence augmente et plus le matériau est conducteur. 8 II - 4 - 2 Semi conducteurs dopé in d'améliorer la conduction d'un semi - conducteur, les fabricants injectent dans une plaquette semi - conductrice des matériaux étrangers, ou impuretés, qui possèdent un nombre d'électrons périphériques juste inférieur ou juste supérieur aux 4 électrons du semi - conducteur. • Les impuretés modifient considérablement les propriétés du semi - conducteur. il est dit dopé et les impuretés sont appelées dopants 9 II - 4 - 3 Semi conducteurs N et P • Le fait d'introduire en très faible quantité des impuretés (opération appelée dopage ) dans un cristal de semi - conducteur améliore fortement la conductivité du cristal Si un cristal de germanium ou de silicium a reçu des impuretés pentavalentes (arsenic, phosphore, antimoine) il devient un semi - conducteur à conductivité N (ex: silicium N). Un cristal de germanium dopé par des impuretés trivalentes (indium, gallium, bore) devient un semi - conducteur type P • Si par contre on procède de même avec un corps trivalent (par exemple du bore ou du gallium) il restera dans chaque atome de bore une place disponible pour un électron. Cette place s'appelle un trou, et correspond à une charge positive. On a du silicium de type p (voir tableau de classification périodique ) 10 11 Un semi - conducteur type P est un semi - conducteur intrinsèque (ex : silicium Si) dans lequel on a introduit des impuretés de type accepteurs (ex : Bohr B). Ces impuretés sont ainsi appelées parce qu'elles acceptent un électron de la bande de conduction pour réaliser une liaison avec le cristal semi - conducteur . Ces atomes fournissent un trou, une très faible énergie sera nécessaire (0,01 eV) pour qu'un électron d’une liaison voisine vienne combler ce trou avec apparition d’un nouveau trou Les trous sont ici des porteur majoritaires, les électrons sont des porteur minoritaires et la conductivité est de type P A - Semi conducteurs P 12 Les impuretés de type n sont des atomes ayant des électrons de valence supplémentaires au cristal qui les contiennent. L ’ arsenic, l ’ antimoine, le bismuth et le phosphore entrent dans ce groupe d ’ impuretés Dans la figure 1 , un atome d ’ arsenic (As), qui nécessite cinq électrons de valence ( pentavalents ), remplace un atome de silicium(Si) dans le cristal et forme des liens covalents avec les atomes adjacents. Puisque le silicium(Si) ne demande que quatre électrons de valence, il reste un électron non lié après avoir rempli les liens requis par le silicium(Si) L ’ atome d ’ arsenic peut donc perdre facilement cet électron supplémentaire ce qui augmente la conductivité du cristal. L ’ arsenic est appelé un donneur Comme les semi - conducteurs de type n ont un surplus d ’ électrons, ceux - ci sont considérés comme les porteurs de charge majoritaires . Les trous de la couche de valence étant inférieurs en nombre deviennent les porteurs minoritaires . La conductivité est de type N B - Semi conducteurs N 13 Silicium intrinsèque Silicium extrinsèque Dopé N Silicium extrinsèque Dopé P 14 Figure 1 II - 5 Jonction PN Schéma de principe Jonction pn sur un circuit intégré Un bloc de silicium est dopé sur une moitié avec des atomes trivalents (accepteurs)et sur l ’ autre moitié avec des atomes pentavalents (donneurs) → jonction pn Frontière entre les régions p et n: jonction métallurgique. Région p: ions négatifs, trous majoritaires et électrons minoritaires. Région n: ions positifs, électrons majoritaires et trous minoritaires 15 B - Jonction P - N 16 La Zone de Charge d'Espace Les électrons majoritaires du côté "N" ont tendance à diffuser du côté "P", où ils sont minoritaires. Quand un électron arrive du côté "P", il se recombine avec un trou , et, en disparaissant, il laisse du coté "N" un atome donneur ionisé positivement non compensé électriquement. Les trous majoritaires du côté "P" ont tendance à diffuser du côté "N" où ils sont minoritaires. Quand un trou arrive du côté "N", il se recombine avec un électron libre, et, en disparaissant, il laisse du côté "P" un atome accepteur ionisé négativement non compensé électriquement. 17 • II - 5 - 1 Jonction PN non polarisée • Au voisinage de la jonction métallurgique, il existe une zone dépourvue de porteurs majoritaires et présentant des charges fixes (atomes d'impuretés ionisés) : c'est la zone de charge d'espace ZCE ( space charge region ), ou encore zone désertée ( depletion region ) située entre deux zones neutres. Les charges fixes engendrent un champ électrique E (x) qui s'oppose au mouvement de diffusion : champ de rétention de la diffusion • En intégrant ce champ électrique sur la totalité de la zone désertée, on trouve le potentiel de la barrière V b 18 II - 5 - 2 Jonction PN polarisée: La diode à jonction • La jonction PN est alimentée par une tension continue externe Ve réglable. La tension peut être appliquée dans les deux sens c'est - à - dire, en reliant le pôle positif de la pile à la zone P et le pôle négatif à la zone N ou inversement, en reliant le positif à la zone N et le négatif à la zone P. • Dans le premier cas, on dit que la jonction (c'est - à - dire la diode) est polarisée en direct tandis que dans le second cas, la diode est polarisée en inverse. Polarisation directe Polarisation inverse 19 Si on applique une diff é rence de potentiel positive entre la région p et la région n, on diminue l ’ intensit é du champ é lectrique interne = ⇒ un plus grand nombre de porteurs majoritaires peuvent franchir la région de déplétion ! Pour faire passer un trou de la région p vers la région n , il faut travailler contre le champ é lectrique interne , et fournir une tension qui peut vaincre la barrière de potentiel e *V 0 . (e = 1 , 6 10 - 19 C est la charge électrique d ’ un trou ). Courant des majoritaires Si on applique une diff é rence de potentiel positive entre la région p et la région n, on diminue l ’ intensit é du champ é lectrique interne = ⇒ un plus grand nombre de porteurs majoritaires peuvent franchir la région de dépl é tion ! 20 A - Jonction PN en polarisation directe