Les semi-conducteurs

Nous avions vu que les métaux sont conducteurs car ils possèdent peu d'électrons (1, 2 ou 3) sur la dernière couche de leur atome. Ils cèdent facilement ces électrons dans des liaisons chimiques ou sous l'influence d'un champ électrique. Les électrons qui participent à un courant électrique sont appelés électrons libres.

Les isolants ont la dernière couche d'électrons complète ou presque, près de 8 électrons qu'ils gardent jalousement. Sans électrons libres pas de courant possible.

Les semi-conducteurs ont des propriétés intermédiaires. Le silicium et le germanium ont quatre électrons sur la couche périphérique. Ce n'est ni peu comme les conducteurs ni beaucoup comme les isolants. A basse température, ils se comportent d'ailleurs plutôt comme des isolants et quand la température s'élève, ils deviennent (de médiocres) conducteurs.

C'est le cas du silicium, "silicon" en anglais, matériau technologique par excellence puisque le silex servait déjà à confectionner les outils de nos ancêtres du paléolithique.

Les atomes de silicium forment une structure atomique très ordonnée : un cristal. Les quatres électrons périphériques de l'atome de silicium assurent les liaisons avec les atomes voisins. Ce sont des électrons liés.

Dopage des semi-conducteurs

La conductivité du semi-conducteur est améliorée en y incorporant des impuretés à petites doses. Il s'agit d'atomes qui, contrairement au silicium, n'ont pas 4 mais 3 ou 5 électrons sur la couche périphérique.

Les atomes qui ont 5 électrons à la périphérie sont dits dopeurs de type N. L'électron supplémentaire ne participe pas aux liaisons du cristal et circule librement si on tente d'y établir un courant électrique.

Le semi-conducteur est dit de type P si les impuretés utilisées pour le doper sont des atomes qui n'ont que 3 électrons à la périphérie. Le cristal est électriquement neutre mais il contient des trous où peuvent se glisser les électrons des atomes voisins. Le courant y est donc fait par les trous qui se déplacent.

Jonction PN

Lorsque dans un cristal de semi-conducteur une zone P est située contre une zone N le résultat de ce regroupement donne un espace de transition que l’on appelle jonction PN.

DIFFUSION :
Initialement chaque partie du cristal est électriquement neutre mais lorsqu’elles sont mis en contact, les électrons à l'étroit dans la région N diffusent vers les trous se trouvant du côté P. La quantité de trous et d'électrons mobiles diminue de part et d'autre de la jonction qui dans cette zone devient non-conductrice.

De plus, les électrons qui ont migré à partir du côté N vers le côté P ont laissé derrière eux une charge positive et forment une charge négative de l'autre côté de la jonction qui repousse les électrons suivants. Cette répulsion ajoutée au fait que la conduction devient moins bonne contribue à arrêter la diffusion.

les électrons libres nombreux dans la région N diffusent vers les trous se trouvant du côté P

Les électrons qui ont quitté la zone N laissent derrière eux une
charge positive et créent de l'autre côté de la jonction une charge négative.

Les charges disposées de part et d'autre de la jonction créent une différence de potentiel appelée barrière de potentiel et qui est caractéristique du type de semi-conducteur. ( 0,3 V pour les diodes au germanium, 0,7 V pour les diodes au silicium et environ 2 V pour les LEDS.

Lorsqu'on relie le côté P à la borne négative d'une source de courant et le côté N à la borne positive, les électrons qui s'ajoutent dans la région N ou les trous dans la région P renforcent la barrière de potentiel. Le courant est bloqué.

Si par contre la jonction est raccordée dans l'autre sens à la source de courant et pour peu que la tension extérieure soit supérieure à la barrière, les électrons qui arrivent dans la région N ont une énergie suffisante pour franchir la barrière de potentiel. La diode est conductrice dans ce sens.

Diode

La diode est le composant à semi-conducteur le plus élémentaire. On forme une diode en soudant un fil de chaque côté d'une jonction PN. Le tout est enveloppé dans un enrobage de plastique, de céramique ou de verre. Les dimensions du composant sont fonction du courant qu'il faut pouvoir y faire passer.

Représentation schématique

Le symbole utilisé se comprend assez intuitivement. La flèche représente le sens passant. Le trait correspond à l'anneau qui indique le côté de la cathode.

Tension de seuil

La tension de seuil est la tension minimum à appliquer aux bornes d'une diode (dans le sens passant) pour qu'elle conduise. 0,6 à 0,7 V sont un minimum pour une diode au silicium.

LED

Les diodes électroluminescentes ou LED ( Light Emitting Diode) s'allument avec un courant d'une dizaine de mA. La tension de seuil est la tension aux bornes de la LED lorsqu'elle conduit. Elle est d'environ 2 V

La couleur dépend de la nature du semi-conducteur et est renforcée par la couleur du boîtier. Parfois le boîtier translucide blanc contient deux LED, une rouge et une verte montées en sens inverse. La couleur obtenue dépend alors du sens du courant et si elle est alimentée alternativement dans un sens puis dans l'autre la LED semble de couleur jaune.

Le boîtier en matière plastique comporte une petite marque pour indiquer la position de la cathode (côté négatif). C'est aussi le côté de la patte la plus courte.

Redressement du courant alternatif

Le redressement consiste à transformer une tension alternative (et donc bidirectionnelle) en une tension unidirectionnelle, et le plus souvent continue. Cette opération est essentielle pour les montages électroniques alimentés depuis le secteur. Dans ce cas la tension alternative fournie au redresseur provient d’un transformateur abaisseur de tension.

Redressement simple alternance

Le montage du redressement simple alternance n’utilise qu’une seule diode. Elle est mise en série avec la charge pour ne laisser passer que les alternances positives, autrement dit une alternance sur deux. La tension instantanée obtenue au niveau de la charge durant cette alternance est très légèrement inférieure à celle de la tension alternative. Cette petite différence est due à la chute de tension dans la diode, elle est très souvent considérée comme négligeable.

Ce type de redressement est assez grossier. Il pourrait convenir pour des applications qui demande un courant unidirectionnel et accepte qu’il soit pulsé (la charge d’une batterie par exemple) mais certainement pas pour des montages électroniques qui demandent un courant parfaitement continu.

Redressement double alternance

Le montage présenté ici est un pont de 4 diodes appelé pont de Graetz. Il exploite Les deux alternances sont redressées.

Les diodes du pont redresseur sont orientées de sorte que la tension obtenue soit unidirectionnelle.

Les diodes 1 et 2 sont passantes durant l'alternance positive alors qu'au même moment les diodes 3 et 4 bloquées.
Durant l'alternance négative, ce sont au contraire les diodes 3 et 4 qui sont passantes alors que les diodes 1 et 2 sont bloquées.

⇒ Quelle que soit l'alternance, le courant dans la charge circule toujours dans le même sens.

Lissage du courant redressé

Le pont redresseur est une amélioration par rapport au redressement simple alternance mais le résultat reste une tension pulsée. EIle repasse à la fin de chaque alternance. Pour combler ces creux nous lissons la tension en ajoutant des composants capables de stocker l’énergie.

Un condensateur en parallèle avec la sortie stocke l’énergie lorsque la tension est proche du maximum et la restitue ensuite durant les creux. La tension baisse durant la décharge du condensateur. Le condensateur mis en sortie doit avoir une capacité suffisante pour réduire les fluctuations et obtenir une tension presque continue.
Une bobine lissage mise en série dans le circuit stocke l’énergie sous une forme électromagnétique dans son noyau. Elle s’oppose aux variations d’intensité.

On combine ces deux technique de lissages pour obtenir une tension la plus linéaire possible.

Transistor bipolaire

Cristal de semi-conducteur qui regroupe trois couches et donc deux jonctions en sens inverse.
Suivant la nature des couches de semi-conducteur on obtient des transistors dit de type NPN ou PNP

Les trois électrodes sont appelées Emetteur, Base et Collecteur.

La jonction base/émetteur est surnommée jonction de commande car c'est en y faisant passer un courant même faible qu'on ouvre le passage entre le collecteur et l'émetteur.

Le composant fonctionne comme si la résistance entre l'émetteur et le colecteur variait en fonction du courant de commande I_B, d'où le nom "Transistor" contraction de Transfert resistor.

Tant que les courants restent dans certaines limites, I_C est proportionnel au courant de base I_B. C'est ce qu'exprime la relation I_C = ß.I_B
ß aussi parfois noté H_FE est appelé gain en courant.
Les fluctuations du courant de base entraînent des variations ß fois plus importantes au niveau du collecteur,ce qui fait de notre transistor un amplificateur pour signaux analogiques.

Nous nous limitons, dans le cadre de l'électronique digitale, à considérer que le transistor a deux états possibles : passant ou bloqué. Il agit pour nous comme un contact fermé ou ouvert suivant qu'il y a ou pas un courant de commande entre la base et l'émetteur.

Portes logiques ralisées avec des transistors bipolaires

La porte inverseuse:

Imaginez que le transistor est alimenté par une tension continue. Les niveaux de tension correspondent à des niveaux logiques. 5V = 1, 0V = 0.

L'émetteur est raccordé au 0 V.

Quand l'entrée est connectée au 0 V le transistor est bloqué. La sortie est alors reliée au 5 V (niveau logique 1) par l'intermédiaire de la résistance.

Quand la base est connectée à une tension positive (niveau 1) le transistor conduit. La sortie est alors au même potentiel que la masse (niveau logique 0)

La sortie est connectée au niveau haut par l'intermédiaire de la résistance. Pour passer à 0 il faut que les deux transistors conduisent. Il faut donc que les deux entées soient à l'état 1. Cela coïncide avec les états de la fonction NAND.

Ici la sortie est à 0 V quand aucun des deux transistors ne conduit.

Dès qu'une des entrées est mise à l'état haut ( état logique 1), le transistor correspondant conduit et la sortie se trouve, elle aussi, au niveau haut.

Transistor à effet de champ

Le FET "Field Effect Transistor" travaille d'une manière différente du transistor bipolaire. Ce dernier était commandé par un courant, le courant de base. Dans la cas du FET la commande est faite par une tension appliquée à une "grille" ou "gate" en anglais. Le courant traverse une mince canal de type N (ou P) surmonté d'une grille dopée en sens inverse. Les deux électrodes situées de part et d'autre du canal sont appelées "Source" et "Drain". Ces deux électrodes sont à priori équivalentes mais on appelle source celle qui fournit les porteurs majoritaires, les électrons dans un canal N ou les trous pour un FET à canal P.
La source est aussi le point par rapport auquel on mesure le potentiel de la grille V_GS

Si aucune tension n'est appliquée à la grille, rien ne s'oppose au passage du courant dans le canal si ce n'est sa résistance car le canal est étroit.

Voyons comment agit la grille dans le cas d' un transistor de type canal N

Pincipe de fonctionnement d'un transistor à effet de champ

La grille est de type P et sous la grille le semi-conducteur est de type N. Il y a donc là des électrons libres.
Le transistor se commande en appliquant entre la grille et la source une tension inverse. Aucun courant ne passe donc dans la grille mais sous la grille le nombre de porteurs diminue comme dans une diode à jonction polarisée en sens inverse. Le canal entre la source et le drain devient donc d'autant plus étroit que la tension entre la source et la grille est importante.
Essayons à présent de faire circuler les électrons de la source vers le drain. Le courant est limité par la résistance du canal. Cette dernière est commandée par la tension appliquée entre la source et la grille. A partir d'une certaine valeur de la tension VGS la résistance RDS tend même vers l'infini car le canal ne comporte pratiquement plus de porteurs.

NB. Le passage du côté du drain est encore plus étroit puisque la différence de potentiel entre le drain et la grille est encore plus forte que celle entre la source et la grille.

Le transistor MOSFET

Le transistor FET, vu ci-dessus, est surtout utilisé comme composant analogique. Les circuits intégrés numériques font plus souvent appel aux transistors MOS (Metal Oxyde Semiconducteur).
La grille en métal, généralement de l'aluminium, est séparée du substrat par un isolant (SIO2)
Comme pour le FET, le MOSFET pour fonctionner avec un canal de type N ou P ; on parlera alors de NMOS ou de PMOS. Outre cette variante, il existe deux types de transistors MOS : ceux à enrichissement et ceux à déplétion (appauvrissement)

MOS à enrichissement

Prenons l'exemple d'un MOSFET à canal N.

Le substrat est de type P. La source et le drain sont deux électrodes de type N insérées par diffusion dans le substrat. Ces deux électrodes et la zone de type P qui les sépare, éqivalent à deux diodes en tête bêche, le courant ne saurait normalement pas y passer.

L'intervalle entre la source et le drain est recouvert d'une couche d'oxyde de silicium isolante puis d'une "grille" en aluminium ("gate" en anglais). Lorsque la grille est rendue positive par rapport au substrat, elle attire les électrons de l'autre côté de l'isolant pour former un canal entre la source et le drain qui ne contient plus de trous comme le reste du substrat mais un excédent d'électrons.
La tension appliquée à la grille fait varier la conductivité du canal. Elle module de ce fait le courant entre la source et le drain.

MOS à appauvrissement

Le drain et la grille sont reliés par un canal étroit dont le dopage est identique à celui de la source et du drain.

Prenons le cas du DMOS à canal N, si on applique sur la grille une tension négative par rapport au substrat, le nombre d'électrons libres, porteurs majoritaires dans le canal de type N, diminue ce qui réduit la conductivité du transistor.

NB. En principe, ces transistors ont quatre électrodes: la grille, le substrat, la source et le drain. Souvent, la source et le substrat sont reliés au même potentiel.

La technologie MOS se prête très bien à l'intégration à grande échelle : elle permet de réaliser des composants logiques consommant très peu de courant, et permet ainsi un très grand niveau d'intégration (mémoires, microprocesseurs, circuits logiques divers) Les transistors MOS sont utilisés ici en commutation.

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