Chapitre 1: Introduction
On
trouve fondamentalement deux types matériaux constituant les semi-conducteurs,
le Germanium et le Silicium. Dans
les premiers temps on ne trouvait que du Germanium, depuis de nombreuses années
le Silicium domine. Dans ce qui suivra, il sera question quasi exclusivement du
Silicium sauf remarque spécifique. Jusqu'à présent nous n'avons traité que
de composants linéaires. Une résistance est un composant linéaire et si nous
traçons sa caractéristique nous obtenons une droite. Le fait de passer avec
des tensions négatives ne change pas la constante qui est la résistance. Avec
les semi-conducteurs que nous allons étudier, il n'en sera pas de même.
Structure
Un
semi-conducteur comme son nom l’indique n’est pas assez bon conducteur pour
être utilisé comme conducteur ni assez bon isolant pour être utilisé comme
isolant. C’est pour cela qu’on le nomme semi-conducteur.
Un
semi-conducteur est un corps dont la résistivité se classe entre celle des
conducteurs et celle des isolants à la température ordinaire.
La résistivité
d’un conducteur croît avec la température selon une loi linéaire et dans de
très faibles proportions.
La résistivité
d’un semi-conducteur décroît lorsque la température augmente selon une loi
exponentielle très rapide.
L’agitation
thermique ou le champ électrique qui libère un électron d’un atome, laisse
à sa place un manque d’électron appelé lacune ou trou.
L’atome devient un ion positif. Si par hasard, un électron supplémentaire
vient se fixer sur un atome, il est chargé négativement : c’est un ion
négatif.
Un
électron est une charge négative élémentaire réelle et un courant électrique
consiste à orienter les mouvements des électrons dans un même sens, du pôle
négatif au pôle positif du générateur.
Une lacune
peut-être comparée à une charge positive élémentaire fictive qui se déplacerait
en sens inverse des électrons c’est-à-dire du pôle positif au pôle négatif
du générateur; c’est le sens arbitraire traditionnel du courant électrique.
Le matériel
semi-conducteur le plus répandu est le silicium. On le retrouve sous la forme
de cristaux. Un atome de silicium a sur sa dernière couche 4 électrons et il
serait bien content d’en avoir huit. C’est pourquoi il s’associe avec 4
autres atomes à l’aide de liens covalents.
14 e- (2-8-4) = Si
32 e- (2-8-18-4) = Ge
Le silicium comme tel est très résistif, ce qui fait qu’à l’état pur, il n’est guère très utile (silicium pur = silicium intrinsèque).
On modifie la résistance des semi-conducteurs
en introduisant des “impuretés” dans leur structure. On dit que le
semi-conducteur est dopé (semi-conducteur dopé = semi-conducteur extrinsèque).
Ceci est réalisé en introduisant des atomes ayant des électrons en plus ou en
moins sur leur dernière couche.
L’addition d’un élément pentavalent (5 e-
sur sa dernière couche), comme le phosphore, l’arsenic ou l’antimoine crée
un surplus d’électrons. Les liens étant complétés, les électrons en trop
peuvent se promener d’un atome à l’autre. Ce type de dopage produit un
semi-conducteur de type N.
L’addition d’un élément trivalent (3 e- sur sa dernière couche), comme l’aluminium, le bore, le gallium, l’indium crée un manque d’électrons qu’on appelle “trous”. Ce type de dopage produit un semi-conducteur de type P.
Un électron manquant dans la structure laisse une place libre où un électron peut venir se placer en provenant du lieu voisin, laissant alors un trou où il était. Le courant électrique est appelé un courant de trous, les trous semblant se déplacer.
