Matière à conduction

Résumé du document

Avertissement :
Ce cours n'a aucunement la prétention d'être un cours de cristallographie. Il ne sera donc ni exhaustif (et de très loin s'en faut !), ni franchement rigoureux.
Son but est de permettre la compréhension des principaux phénomènes de conduction qui se produisent dans les semi-conducteurs, afin de pouvoir interpréter leur comportement.
Cet exposé sera donc plus proche de la vulgarisation que du cours académique, mais compte tenu du but recherché, il sera largement suffisant pour comprendre les phénomènes sans rentrer dans les détails fort compliqués de la théorie de la conduction.
Les personnes désireuses d'approfondir cette partie (tout en conservant une vue d'ensemble) pourront se référer (entres autres) à l'ouvrage Matériaux de l'électrotechnique de P. Robert édité chez Dunod (collection Traité d'électricité, d'électronique et d'électrotechnique ).
A noter que des connaissances approfondies en cristallographie ne sont indispensables que pour l'électronicien désireux de se spécialiser en micro-électronique (conception de circuits intégrés). On peut donc parfaitement s'en passer si on se contente d'assembler des composants discrets !
Dans l'optique de ce cours, elles vont nous permettre de comprendre l'essentiel du fonctionnement des composants utilisés sans avoir à parachuter trop de notions qui resteraient alors incomprises.
Lien avec le cours d'électronique :
Tout le secret de l'électricité réside dans la capacité de la matière à laisser circuler plus ou moins bien des charges électriques en son sein sous l'influence d'un champ électrique externe.
Les composants électroniques obéissent aux lois générales de l'électricité (revoir le chapitre I), et donc répondent à la définition précédente.
La différence avec les composants électriques traditionnels se situe dans le matériau conducteur utilisé, qui va autoriser un meilleur contrôle de la conduction électrique, et donc des fonctionnalités nouvelles.
L'électronique va alors se distinguer de l'électricité par des composants dont on pourra moduler la conduction à l'aide de signaux électriques, chose impossible avec les composants simples de l'électricité.
Il est par conséquent utile de rappeler en introduction que tout ce qu'on voit en électronique est totalement dépendant de la physique des solides, et qu'un aperçu de cette dernière est indispensable pour comprendre le fonctionnement des composants électriques et électroniques.

Extraits

[...] Ce courant est dû au déplacement de charges électriques dans le matériau. Fig Déplacement de charges dans un matériau. La figure 2 montre ce mécanisme : si on applique une différence de potentiel UAB entre deux points A et B d'un matériau distants d'une longueur on créé un champ électrique E dans le matériau : Ce champ va créer des forces sur les charges électriques présentes dans le matériau : Si la charge q est positive, la force et le champ sont de même sens, si elle est négative, ils sont de sens opposés. [...]

[...] Ce phénomène est dû à l'hétérogénéïté du matériau (jonction, dopage non homogène ) : il y a un gradient de concentration des charges qui se déplacent pour se répartir de façon homogène dans le cristal à la manière des gaz. Conduction par création/recombinaison de charges : ceci concerne les charges libres minoritaires, qui peuvent être créées de diverses manières : émission photonique, avalanche, passage de la barrière de potentiel d'une jonction Ces charges en excès se recombinent avec les porteurs majoritaires selon une loi exponentielle de constante de temps égale à la durée de vie des porteurs. [...]

[...] Matière à conduction INTRODUCTION AVERTISSEMENT. Ce cours n'a aucunement la prétention d'être un cours de cristallographie. Il ne sera donc ni exhaustif (et de très loin s'en faut ni franchement rigoureux. Son but est de permettre la compréhension des principaux phénomènes de conduction qui se produisent dans les semi- conducteurs, afin de pouvoir interpréter leur comportement. Cet exposé sera donc plus proche de la vulgarisation que du cours académique, mais compte tenu du but recherché, il sera largement suffisant pour comprendre les phénomènes sans rentrer dans les détails fort compliqués de la théorie de la conduction. [...]

[...] L'électronique va alors se distinguer de l'électricité par des composants dont on pourra moduler la conduction à l'aide de signaux électriques, chose impossible avec les composants simples de l'électricité. Il est par conséquent utile de rappeler en introduction que tout ce qu'on voit en électronique est totalement dépendant de la physique des solides, et qu'un aperçu de cette dernière est indispensable pour comprendre le fonctionnement des composants électriques et électroniques. STRUCTURE DE LA MATIÈRE RAPPEL DE LA DESCRIPTION SIMPLIFIÉE DE LA STRUCTURE DES ATOMES. Les atomes sont des particules de base constituées d'un noyau autour duquel gravitent des électrons. [...]

[...] (GIF 17ko) Le principe est le même que pour le semi conducteur de type sauf qu'on dope le cristal avec des éléments ayant un électron de valence de plus (atomes donneurs) : le phosphore, l'arsenic et l'antimoine, qui possèdent 5 électrons de valence pourront doper le silicium par exemple électrons vont faire des liaisons covalentes avec les atomes de silicium environnants, et le 5ème sera un électron libre ; tous ces électrons libres seront les porteurs majoritaires. Il existera encore quelques trous, mais en très faible quantité. Les électrons libres seront pratiquement aussi mobiles que dans le cas des conducteurs (liaisons métalliques). Anoter que dans ce cas, l'atome donneur devient ion positif, mais ceci ne créé pas un porteur trou comme dans le cas du silicium car cette charge positive ne peut pas se déplacer dans le cristal. [...]