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Qu'est-ce qu'un semi-conducteur

Qu'est-ce qu'un semi-conducteur

Les semi-conducteurs et la technologie des semi-conducteurs forment la base de la plupart de l'industrie électronique de nos jours. Les transistors, les diodes, les circuits intégrés et bien d'autres appareils ont tous en commun la technologie des semi-conducteurs. En raison de l'énorme degré de flexibilité qu'offre la technologie des semi-conducteurs, elle a permis à l'électronique de prendre en charge de nombreux domaines de la vie quotidienne, qui, il y a cinquante ans, n'auraient pas pu être conçus.

Conducteurs et non conducteurs

Un courant électrique se produit lorsqu'il y a un flux d'électrons dans une certaine direction. Comme les électrons ont une charge négative, leur mouvement signifie que la charge circule d'un point à un autre et c'est ce qu'est un courant électrique.

Pour permettre au courant de circuler, les électrons doivent pouvoir se déplacer librement dans le matériau. Dans certains matériaux, les électrons se déplacent librement autour du réseau, bien que le nombre d'électrons et les espaces disponibles pour eux s'équilibrent de sorte que le matériau lui-même ne porte pas de charge. Dans ces matériaux, les électrons se déplacent librement mais de manière aléatoire. En plaçant une différence de potentiel sur le conducteur, les électrons peuvent dériver dans une direction et cela constitue un courant électrique. De nombreux matériaux sont capables de conduire l'électricité, mais les métaux sont les exemples les plus courants.

Contrairement aux métaux, il existe de nombreux autres matériaux dans lesquels tous les électrons sont fermement liés à leurs molécules parentes et ils ne sont pas libres de se déplacer. En conséquence, lorsqu'un potentiel est placé à travers la substance, très peu d'électrons seront capables de se déplacer et très peu ou pas de courant circulera. Ces substances sont appelées non-conducteurs ou isolants. Ils comprennent la plupart des plastiques, des céramiques et de nombreuses substances naturelles comme le bois.

Semi-conducteurs

Les semi-conducteurs n'entrent ni dans les catégories conducteurs ni dans les catégories non conductrices. Au lieu de cela, ils se situent entre les deux. Une variété de matériaux entrent dans cette catégorie, et ils comprennent le silicium, le germanium, l'arséniure de gallium et une variété d'autres substances.

Dans son état pur, le silicium est un isolant sans électrons libres dans le réseau cristallin. Cependant, pour comprendre comment il agit en tant que semi-conducteur, regardez d'abord la structure atomique du silicium à son état pur. Chaque molécule du réseau cristallin se compose d'un noyau avec trois anneaux ou orbites contenant des électrons, et chaque électron a une charge négative. Le noyau se compose de neutrons neutres et sans charge et de protons ayant une charge positive. Dans l'atome, il y a le même nombre de protons et d'électrons, donc l'atome entier n'a pas de charge globale.

Les électrons dans le silicium, comme dans tout autre élément, sont disposés en anneaux avec un nombre strict d'électrons dans chaque orbite. Le premier anneau ne peut en contenir que deux et le second en a huit. La troisième et la bague extérieure du silicium en a quatre. Les électrons de la couche externe sont partagés avec ceux des atomes adjacents pour former un réseau cristallin. Lorsque cela se produit, il n'y a pas d'électrons libres dans le réseau, ce qui fait du silicium un bon isolant. Une image similaire peut être vue pour le germanium. Il a deux électrons dans l'orbite la plus intérieure, huit dans la suivante, 18 dans la troisième et quatre dans l'orbite extérieure. Encore une fois, il partage ses électrons avec ceux des atomes adjacents pour créer un réseau cristallin sans électrons libres.

Impuretés

Afin de transformer le silicium ou tout autre semi-conducteur en un matériau partiellement conducteur, il est nécessaire d'ajouter une très petite quantité d'impureté dans le matériau. Cela modifie considérablement les propriétés.

Si des traces d'impuretés de matériaux ayant cinq électrons dans l'anneau externe de leurs atomes sont ajoutées, elles pénètrent dans le réseau cristallin en partageant des électrons avec le silicium. Cependant, comme ils ont un électron supplémentaire dans l'anneau externe, un électron devient libre de se déplacer autour du réseau. Cela permet à un courant de circuler si un potentiel est appliqué à travers le matériau. Comme ce type de matériau a un surplus d'électrons dans le réseau, il est connu comme un semi-conducteur de type N. Les impuretés typiques qui sont souvent utilisées pour créer des semi-conducteurs de type N sont le phosphore et l'arsenic.

Il est également possible de placer des éléments avec seulement trois électrons dans leur enveloppe externe dans le réseau cristallin. Lorsque cela se produit, le silicium veut partager ses quatre électrons avec un autre atome à quatre atomes. Cependant, comme l'impureté n'en a que trois, il y a un espace ou un trou pour un autre électron. Comme ce type de matériau a des électrons manquants, il est connu sous le nom de matériau de type P. Les impuretés typiques utilisées pour les matériaux de type P sont le bore et l'aluminium.

Des trous

Il est facile de voir comment les électrons peuvent se déplacer autour du réseau et transporter un courant. Cependant, ce n'est pas si évident pour les trous. Cela se produit lorsqu'un électron d'une orbite complète se déplace pour remplir un trou, laissant un trou d'où il vient. Un autre électron d'une autre orbite peut alors se déplacer pour remplir le nouveau trou et ainsi de suite. Le mouvement des trous dans un sens correspond à un mouvement d'électrons dans l'autre, donc un courant électrique.

De là, on peut voir que les électrons ou les trous peuvent transporter une charge ou un courant électrique. En conséquence, ils sont appelés porteurs de charge, les trous étant les porteurs de charge pour un semi-conducteur de type P et les électrons pour un semi-conducteur de type N.

Résumé

Le principe des semi-conducteurs peut sembler assez simple. Cependant, il a fallu de nombreuses années avant que nombre de ses propriétés puissent être exploitées, et bien d'autres encore avant de pouvoir être raffinées. De nos jours, de nombreux procédés utilisés avec les semi-conducteurs ont été hautement optimisés et les composants tels que les circuits intégrés sont très sophistiqués. Cependant, ils reposent sur le fait que différentes zones du semi-conducteur peuvent être dopées pour fabriquer des semi-conducteurs de type P et de type N.

Liste des termes courants relatifs aux semi-conducteurs

  • Porteur de charge - Le porteur de charge est une particule libre (mobile, non liée) transportant une charge électrique, par ex. un électron ou un trou.
  • Conducteur - Un matériau dans lequel les électrons peuvent se déplacer librement et où l'électricité peut circuler.
  • Électron - Une particule subatomique portant une charge négative.
  • Trou - L'absence d'un électron de valence dans un cristal semi-conducteur. Le mouvement d'un trou équivaut au mouvement d'une charge positive, c'est-à-dire opposé au mouvement d'un électron.
  • Isolant - Un matériau dans lequel il n'y a pas d'électrons libres disponibles pour transporter l'électricité.
  • Transporteur majoritaire - Les porteurs de courant, soit des électrons libres, soit des trous en excès c'est-à-dire majoritaires dans une zone spécifique d'un matériau semi-conducteur. Les électrons sont les porteurs majoritaires dans les semi-conducteurs de type N et les trous dans une zone de type P.
  • Transporteur minoritaire - des porteurs de courant, soit des électrons libres, soit des trous minoritaires dans une zone spécifique d'un matériau semi-conducteur
  • Type N - Une zone d'un semi-conducteur dans laquelle il y a un excès d'électrons.
  • Type P - une zone d'un semi-conducteur dans laquelle il y a un excès de trous.
  • Semi-conducteur - un matériau, qui n'est ni un isolant ni un conducteur plein qui a un niveau intermédiaire de conductivité électrique et dans lequel la conduction a lieu au moyen de trous et d'électrons.

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