9.1
Conducteurs – Isolants – Semi-conducteur
Nous avions vu5 que les métaux sont conducteurs car leurs atomes possèdent peu d’électrons (1, 2 ou 3) sur la couche périphérique. 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.
Figure 45 Pointe de
flèche
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 quatre électrons périphériques de l’atome de silicium assurent les liaisons avec les atomes voisins. Ce sont des électrons liés.
Figure 46 - Agencement des atomes dans un cristal de
silicium
9.2
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.
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Dernière révision : 1-6-2014
9.3
La jonction PN
La jonction PN est le résultat du regroupement dans un cristal de semi-conducteur d’une zone P à côté d’une zone N. Initialement chaque cristal est électriquement neutre mais lorsqu’ils 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.
Figure 47 – Jonction PN
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, 0,7V pour les diodes au silicium et environ 2V pour les semi- conducteurs servant à la fabrication des LEDS.
Si 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.
Figure 48 – Jonction PN dans le sens non passant
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.
9.4
La diode
Figure 50 – Sens passant P côté positif et N du côté négatif Sens Non Passant P du côté négatif et N du côté positif
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.
9.4.1
Représentation schématique
Figure 51 – Symbole de la diode
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.
9.4.2
Tension de seuil
La tension de seuil est la tension minimum qu’il faut mettre 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.
9.4.3
LED
Figure 52 – Diodes électroluminescentes « DEL » ou Light Emitting Diode « 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 2V
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.
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Dernière révision : 1-6-2014
9.5
Redressement du courant alternatif
Figure 53 - Pont de Graetz
Le pont redresseur est un montage de quatre diodes orientées de sorte que le courant soit unidirectionnel à la sortie. 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. Þ Quel que soit l’alternance le courant dans la charge circule toujours dans le même sens.
9.6
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
Figure 54 – Transistor NPN et 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 collecteur variait en fonction du courant de commande IB, d’où le nom "Transistor" contraction de Transfert resistor.
Tant que les courants restent dans certaines limites, IC est proportionnel au courant de base IB.
C’est ce qu’exprime la relation IC = ß.IB
ß aussi parfois noté HFE 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 bloquant. Il agit pour nous comme un interrupteur fermé ou ouvert suivant qu’il y a ou pas un courant de commande entre la base et l’émetteur.