la structure atomique des semi-conducteurs

 Les dispositifs électroniques tels que les diodes et les transistors sont constitués de matériaux spéciaux appelés semi-conducteurs.

  Dans cet article:

Reconnaître, à l'échelle atomique, les caractéristiques d'un bon conducteur et d'un semi-conducteur. Décrire la structure du cristal de silicium.

Identifier les deux types de porteurs et indiquer les impuretés qui les font devenir porteurs majoritaires. Comprendre ce qui se passe à la jonction pn d'une diode : non polarisée, polarisée en direct et polarisée en inverse. Déterminer les types de courants de claquage venant d'une tension inverse excessive sur une diode.

nous expliquerons le fonctionnement des dispositifs à semi-conducteurs, discuterons de la structure atomique de base des semi-conducteurs, décrirons le modèle planétaire de l'atome et expliquerons comment les atomes de silicium et de germanium se lient pour former des cristaux.

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les semi-conducteurs

Pour comprendre comment les diodes, transistors et circuits intégrés fonctionnent, il faut d'abord étudier les semi-conducteurs : matériaux qui ne sont ni conducteurs ni isolants. Ils contiennent des électrons libres mais aussi des trous, ce qui les rend particuliers. 

Les conducteurs

Le cuivre est un bon conducteur ; la raison est évidente quand on observe sa structure atomique. 

Atome de cuivre

Le noyau de l'atome contient 29 protons (charges positives). Lorsque le cuivre est neutre, 29 électrons (charges négatives) gravitent autour du noyau comme des planètes autour du Soleil. Les électrons occupent diverses orbites, 2 électrons la première, 8 électrons la deuxième, 18 la troisième, et un électron unique occupe la dernière.

Orbites stables

Le noyau positif attire les électrons planétaires. La force centrifuge engendrée par leur mouvement circulaire les empêche d'atteindre le noyau. La force d'attraction et la force de répulsion étant strictement identiques, l'orbite est stable. C'est la même chose pour les satellites autour de la Terre. À la bonne vitesse et à la bonne hauteur, un satellite reste sur son orbite.

Plus grande est l'orbite, plus faible est l'attraction du noyau. Sur les grandes orbites, les électrons se déplacent plus lentement donc possèdent moins d'énergie centrifuge. 

Sur la figure l'électron le plus extérieur se déplace lentement et ressent très peu l'attraction du noyau.

 Le cœur 

En électronique, tout se passe sur l'orbite extérieure appelée orbite de valence. Elle détermine les propriétés électriques de l'atome. Pour souligner son importance, on rassemble le noyau et les orbites internes de l'atome dans le cœur. Pour un atome de cuivre, le cœur est le noyau (+29) et les trois premières orbites (-28).

Figure: Cœur d'un atome de cuivre

La figure ci- dessus aide à visualiser le cour du cuivre (29 protons et 28 électrons) et l'orbite de valence. L'électron sur cette grande orbite tourne autour d'une charge de seulement +1, il ressent une faible attraction.

 L'électron libre

Lorsque l'attraction entre l'électron et le reste de l'atome de cuivre est très faible, une force extérieure peut très facilement l'arracher. C'est pour cela que l'on appelle cet électron de valence un électron libre. Ceci explique pourquoi le cuivre est un bon conducteur, la moindre tension fait voyager l'électron libre d'un atome à l'autre. L'argent, le cuivre et l'or sont de bons conducteurs, ils ont tous cette structure Si un électron extérieur s'installe sur l'orbite de valence, la charge totale de l'atome devient -1, l'atome est devenu un ion négatif.

semi-conducteur: Le germanium

Les meilleurs conducteurs (argent, cuivre, or) ont un électron de valence, tandis que les meilleurs isolants en ont huit. Un semi-conducteur est un élément dont les propriétés électriques sont à mi-chemin entre les conducteurs et les isolants. Comme on peut le prévoir, les meilleurs semi-conducteurs ont quatre électrons de valence

(a) Atome de silicium,   (b) cœur

Le germanium est un exemple de semi-conducteur, il possède quatre électrons de valence. Il y a plusieurs années, c'était le seul matériau utilisable pour réaliser des composants. Cependant, ils avaient un grave défaut qui n'a pas été surmonté (leur courant inverse était trop important).

Par la suite, un autre semi-conducteur, le silicium, est devenu très courant, et maintenant il supplante le germanium dans la plupart des applications.

semi-conducteur: Silicium

Après l'oxygène, le silicium est l'élément le plus abondant sur Terre. Au début, son usage a été retardé par des problèmes de purification. Une fois ces difficultés surmontées, les avantages du silicium (étudiés dans la suite) en ont fait un semiconducteur de choix. Sans lui, l'électronique moderne n'existerait pas.

Le cristal de silicium

Quand les atomes de silicium s'assemblent pour faire un solide, ils s'ordonnent selon un motif régulier appelé cristal. Chaque atome partage ses électrons périphériques avec quatre voisins pour obtenir huit électrons sur son orbite de valence. La figure ci-dessous montre un atome central avec quatre voisins. Les cercles ombres représentent les cours des atomes. L'atome central avait initialement quatre électrons sur son orbite périphérique, maintenant il en possède huit.

Liaisons de covalence 

Chaque atome proche partage un électron avec l'atome central. De ce fait, celui-ci a quatre électrons supplémentaires et une orbite de valence avec huit électrons. Chaque atome central et ses voisins partagent leurs électrons, et ceci est vrai pour tous les autres atomes.

Sur la figure , chaque cœur présente une charge +4. Observons celui du centre et celui de droite, ils attirent la paire d'électrons située entre eux d'une même force mais de sens opposé. Cette traction dans des sens opposés lie les atomes les uns aux autres de la même manière que deux équipes de tir à la corde sont réunies tant qu'elles exercent la même traction.

Atome dans un cristal et ses quatre voisins

Puisque chaque électron est attiré dans deux sens différents, il exerce une liaison entre deux atomes voisins. On nomme ce type de liaison chimique une liaison de covalence et la figure ci-dessous illustre une façon simple de la représenter. Dans un cristal de silicium, il y a des milliards d'atomes de silicium, chacun avec ses huit électrons de valence formant les liaisons de covalence, c'est ce qui confère à ce matériau sa solidité.

liaisons de covalence

 L'orbite saturée

Chaque atome dans un cristal de silicium possède une orbite de valence avec huit électrons. La solidité d'un morceau de silicium découle de la stabilité chimique de ce modèle. Personne n'est parfaitement certain que tous les éléments chimiques aient une prédisposition à posséder huit électrons périphériques. Cependant, il semble que tout élément ne possédant pas ses huit électrons a tendance à s'associer avec d'autres atomes pour les obtenir.

Il existe des équations fondamentales en physique donnant une explication partielle de la stabilité chimique de ce modèle, mais personne ne sait pourquoi ce nombre huit est si particulier. C'est une loi, comme la loi de gravité, la loi de Coulomb et certaines autres, que l'on observe mais que l'on n'explique pas complètement.

Quand une orbite de valence possède huit électrons, elle est saturée car aucun autre électron ne viendra s'y placer. D'où la loi de saturation d'une orbite de valence: n=8

Une orbite de valence ne peut contenir plus de huit électrons. De plus, ce sont des électrons de liaison car ils sont fortement attachés aux atomes. Grâce à eux, un cristal de silicium est un isolant presque parfait à la température ambiante, environ 25 °C.

Le trou

La température ambiante est la température de l'air environnant. Quand elle se situe au-dessus du zéro absolu (-273 °C), l'énergie thermique force les atomes du cristal de silicium à vibrer. Plus la température est haute, plus le mécanisme de vibration est important. Lorsqu'on touche un objet chaud, la chaleur ressentie est l'effet de la vibration des atomes.

Dans un cristal de silicium, les vibrations des atomes peuvent occasionnellement enlever un électron de son orbite de valence. Quand cela se produit, l'électron libéré possède assez d'énergie pour occuper une orbite plus grande (figure a), c'est un électron libre.

Ce n'est pas tout , le départ de l'électron crée un vide dans l'orbite de valence appelé trou (figure a). Ce dernier se comporte comme une charge positive car la perte d'un électron entraîne l'apparition d'un ion positif. Le trou attire et capture tout électron dans son voisinage immédiat. L'existence de ces trous est une différence fondamentale entre les conducteurs et les semi-conducteurs. Ils permettent aux semi-conducteurs de faire toutes sortes de choses impossibles aux conducteurs.

À la température ambiante, l'énergie thermique produit peu de trous et d'électrons libres. Pour augmenter leur nombre, il est nécessaire de doper le cristal : nous en parlerons dans la suite.

(a) Création d'une pair électron-trou par l'énergie thermique
(b) recombinaison  d'un électron libre et d'un trou

Recombinaison et durée de vie 

Dans un cristal pur de silicium, l'énergie thermique engendre un nombre égal d'électrons libres et de trous. L'électron libre se déplace de façon aléatoire dans le cristal. Parfois, il s'approche d'un trou, ressent son attraction et tombe dedans. La recombinaison est la fusion d'un électron libre et d'un trou (figure b).

La durée entre la création et la disparition d'un électron libre est appelée durée de vie. Elle varie de quelques nanosecondes à plusieurs microsecondes selon la pureté du cristal et d'autres facteurs.

Les semi-conducteurs intrinsèques

Un semi-conducteur intrinsèque est un semi-conducteur pur. Un cristal de silicium est intrinsèque si tous les atomes qui le composent sont des atomes de silicium. A la température ambiante, un cristal de silicium se comporte comme un isolant car il y a peu d'électrons libres et de trous créés par l'agitation thermique.

Déplacement des électrons libres

La figure représente un morceau de cristal de silicium situé entre deux plaques métalliques chargées avec un électron libre et un trou produits par l'agitation thermique. L'électron libre est sur une grande orbite au bord droit du cristal. Les charges négatives de l'électrode le repoussent vers la gauche, il va se déplacer d'une grande orbite à l'autre jusqu'à ce qu'il atteigne l'électrode positive.

Déplacement des trous

Le trou à gauche sur la figure attire l'électron de valence situé au point A pour se recombiner

Quand l'électron de valence se déplace vers la gauche, il crée un nouveau trou au point A. L'effet est identique à celui du déplacement du trou initial en A. Un autre électron de valence peut être attiré et capturé par ce nouveau trou. De cette manière, les électrons de valence se déplacent le long du chemin marqué par les flèches. Cela signifie que le trou évolue dans le sens opposé le long du chemin A-B-C-D-E-F comme une charge positive.

Les deux types de flux de porteurs

L'échantillon de semi-conducteur représenté figure ci-dessus possède le même nombre d'électrons libres que de trous. L'agitation thermique produit les électrons libres et les trous par paires. La tension appliquée entraîne les électrons vers la gauche et les trous vers la droite. Quand les électrons libres atteignent l'électrode de gauche, ils pénètrent dans le conducteur extérieur et s'écoulent vers le pôle positif de la pile.

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D'autre part, les électrons du pôle négatif de la source s'écoulent vers le bord droit du cristal. À cet endroit, ils entrent dans le cristal et se recombinent avec les trous qui arrivent à l'extrémité droite du cristal. De ce fait, un flux constant d'électrons et de trous existe à l'intérieur du cristal alors qu'à l'extérieur il n'existe pas de flux de trous.

Sur la figure , les électrons libres et les trous se déplacent dans des sens opposés. Dans la suite, on conçoit le courant dans un semi-conducteur comme la somme de deux flux : celui des électrons dans un sens et celui des trous dans l'autre sens. On appelle souvent porteurs de charge les électrons libres et les trous, car ils transportent une charge d'un endroit à un autre.

(suit)