ÉLectronique Notions de base: Qu'est-ce qu'un semi-conducteur? - les semi-conducteurs nuls

Les semi-conducteurs sont largement utilisés dans les circuits électroniques. Comme son nom l'indique, un semi-conducteur est un matériau qui conduit le courant, mais seulement partiellement. La conductivité d'un semi-conducteur est quelque part entre celle d'un isolant, qui n'a presque pas de conductivité, et celle d'un conducteur qui a une conductivité presque totale. La plupart des semi-conducteurs sont des cristaux faits de certains matériaux, le plus souvent du silicium.

Pour comprendre comment fonctionnent les semi-conducteurs, vous devez d'abord comprendre un peu comment les électrons sont organisés dans un atome. Les électrons d'un atome sont organisés en couches. Ces couches sont appelées coquilles. Le shell le plus à l'extérieur est appelé shell valence .

Les électrons de cette coquille sont ceux qui forment des liens avec les atomes voisins. De telles liaisons sont appelées liaisons covalentes . La plupart des conducteurs ont juste un électron dans la coquille de valence. D'autre part, les semi-conducteurs ont typiquement quatre électrons dans leur enveloppe de valence.

Si tous les atomes voisins sont du même type, il est possible que tous les électrons de valence se lient aux électrons de valence d'autres atomes. Quand cela arrive, les atomes s'organisent en structures appelées cristaux . Les semi-conducteurs sont fabriqués à partir de tels cristaux, généralement des cristaux de silicium.

Ici, chaque cercle représente un atome de silicium, et les lignes entre les atomes représentent les électrons partagés. Chacun des quatre électrons de valence dans chaque atome de silicium est partagé avec un atome de silicium voisin. Ainsi, chaque atome de silicium est lié à quatre autres atomes de silicium.

Les cristaux de silicium purs ne sont pas très utiles électroniquement. Mais si vous introduisez de petites quantités d'autres éléments dans un cristal, le cristal commence à conduire d'une manière intéressante.

Le processus consistant à introduire délibérément d'autres éléments dans un cristal s'appelle dopage . L'élément introduit par dopage est appelé dopant . En contrôlant soigneusement le processus de dopage et les dopants utilisés, les cristaux de silicium peuvent se transformer en deux types de conducteurs distincts:

• Semi-conducteur de type N: Créé lorsque le dopant est un élément ayant cinq électrons dans son couche de valence. Le phosphore est couramment utilisé à cette fin.

  Les atomes de phosphore se rejoignent directement dans la structure cristalline du silicium, chacun d'eux se liant à quatre atomes de silicium adjacents, exactement comme le ferait un atome de silicium. Parce que l'atome de phosphore a cinq électrons dans sa coquille de valence, mais seulement quatre d'entre eux sont liés à des atomes adjacents, le cinquième électron de valence est laissé en suspens avec rien à coller.

  Les électrons de valence supplémentaire dans les atomes de phosphore commencent à se comporter comme les électrons de valence unique dans un conducteur régulier tel que le cuivre. Ils sont libres de se déplacer. Parce que ce type de semi-conducteur a des électrons supplémentaires, on l'appelle un semi-conducteur de type N .

  

• Semi-conducteur de type P: Se produit lorsque le dopant (tel que le bore) ne possède que trois électrons dans l'enveloppe de valence. Quand une petite quantité est incorporée dans le cristal, l'atome est capable de se lier avec quatre atomes de silicium, mais comme il n'a que trois électrons à offrir, un trou est créé. Le trou se comporte comme une charge positive, donc les semiconducteurs dopés de cette manière sont appelés semi-conducteurs de type P .

  Comme une charge positive, les trous attirent les électrons. Mais quand un électron se déplace dans un trou, l'électron laisse un nouveau trou à son emplacement précédent. Ainsi, dans un semi-conducteur de type P, les trous se déplacent constamment dans le cristal à mesure que les électrons essaient constamment de les remplir.

  

Lorsqu'une tension est appliquée à un semi-conducteur de type N ou de type P, le courant circule, pour la même raison qu'il circule dans un conducteur normal: le côté négatif de la tension pousse les électrons et le côté positif les attire. Le résultat est que le mouvement aléatoire des électrons et des trous qui est toujours présent dans un semi-conducteur devient organisé dans une direction, créant un courant électrique mesurable.