FORMULES de PHYSIQUE
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SEMI-CONDUCTEUR
-semi-conducteur
Un semi-conducteur est un corps constitué de parties conductrices et de parties isolantes et dont la fonction est de laisser passer (conduction) ou ne pas laisser passer (isolation) un courant
A température ultimement basse, c’est un isolant parfait
CLASSEMENT des SEMI-CONDUCTEURS
-semi-conducteurs extrinsèques (composés dopés): agrémentés d'impuretés. Ce sont des alliages ou corps composés.
-semi-conducteurs purs (intrinsèques) = contenant peu d’impuretés, peu de corps étrangers (pourcentage faible par rapport aux électrons et trous)
Ce sont des solides non métalliques (non métal, oxyde...) à résistance linéique thermique située entre 10-5 et 106 Ohm-mètre- (Ex: C, Si, Ge, Se…)
Mais certaines familles de corps purs à valences impaires, adoptent aussi les qualités d’un semi-conducteur pur- Ex: alliages de Zn, Al, Ge, In, Pb...
Si la conduction est assurée par les électrons >>> ce sont les semi-conducteurs de type N (comme négatif)
Si la conduction est assurée par des trous >>> ce sont des S-C de type P(comme positif)
DOPAGE
Les impuretés constituent le dopage, ayant rôle d’augmenter la conductivité
(pour les types N : les dopants sont As, Sb, Bi, P...
et pour les types P : B, Al, Ga, In...)
Mais certains composants exigent des dopages très importants (1024/m3)
QUALITES THERMIQUES des SEMI-CONDUCTEURS
-coefficient de dilatation linéique pour semi-conducteurs
Le coefficient de dilatation linèaire αl pour semi-conducteurs vaut # 2000 K-1
-enthalpie molaire de formation
L'enthalpie molaire Hm pour semi-conducteurs vaut de (3 à 8.105 J/mol)
QUALITES ELECTRIQUES des SEMI-CONDUCTEURS
-conductivité électrique
σ’ = e.(Φ*é.né+ Φ*t.n)
avec σ’(S/m)= conductivité électrique
e(C)= charge élémentaire (1,6021733.10-19C)
Φ*é et t(T-m3)-1= mobilité volumique d'électrons (indicés é) et trous (indicés t)
né et nt (nombres)= quantité d’électrons et de trous
Valeurs pratiques de cette conductivité: de 10-4 à 106 S/m
La loi de Widerman-Franz n'est plus vérifiée dans les semi-conducteurs
Il faut la remplacer par F'm = σ'.♣² / T
avec σ'(S/m)= conductivité électrique du corps
♣ = coefficient dimensionnel
F'm(A-2)= facteur de mérite électrique
T(K)= température absolue
-constante de Hall (B*H)
Sa valeur pour semi-conducteurs, à température ambiante est # 10-5 m3 /C
-effet photorésistif dans les semi-conducteurs
Un photon expédie un électron de la bande de valence vers une bande de conduction(avec production électron-trou).Il doit avoir une fréquence minimale
ν = ΔE / h
avec ν(Hz)= fréquence
ΔE(J)= énergie différentielle entre bande de valence et de conduction
h(J-s)= constante de Planck (6,62606876.10-34J-s)
-mobilité des électrons
Dans les semi-conducteurs purs: elle est variable avec T(la température):
Φ* = Φ*0(T / T0)3/2
La valeur de la mobilité Φ*0 vade 2 à 4.10-1(Tesla)-1
-résistivité
la résistivité des semi-conducteurs est comprise entre 10-1 et 102 W-m
(rappel: pour les isolants, elle est > 106 W-m)
Une proportion d’impuretés de seulement 10-5 suffit pour faire chuter la résitivité d’un facteur 1010
-thermistance
la résistivité des semi-conducteurs décroît avec la température.
Une thermistance est un appareil utilisant cette qualité
ρ = ρ0(1 + αv.ΔT)
avec ρ0 et ρ(Ω-m)= résistivités d’un corps avant et après son échauffement
ΔT(K)= variation de température
αv(K-1)= coefficient de dilatation volumique isobare
Exemple du silicium: à 0°C(=0,4)-- si > à 100°C(=0,2)--si > à 200°C(=0,12)--
si > à 300°C(=0,07)--si >à 700°C(=0,001)
DIODES SEMI-CONDUCTRICES
Une diode semi-conductrice est constituée de 2 plaquettes reliées entre elles (1 de type N et 1 de type P) et qui sont reliées en outre à une cathode (en N) et à une anode (en P).
Leur rôle est utile dans le redressement de courant alternatif, la détection radio, les lampes-témoins, le courant en fibres optiques....
Les qualités d'une diode
sont données par sa courbe de CARACTERISTIQUES (donnant l’intensité i en fonction de la tension U) -on y distingue:
-la tension de seuil (tension du seuil de conduction, à partir de laquelle la diode devient conductrice (ce seuil est de l'ordre de 0,6 Volt)
-la tension de claquage (tension contraire provoquant forte élévation de courant, à tendance destructrice)
-la tension de crête Uc (correspondant au sommet de la sinusoïde du courant alternatif) :
Uc = (2)1/2.Uefficace
avec Ucsortie = Ucentrée - 0,7 volt pour du silicium (et - 0,3 volt pour du germanium)
-le courant ne passe que dans un sens
-le courant de saturation est l’intensité qui plafonne à une certaine valeur, même en augmentant la tension (la valeur de ce courant varie en fonction de la température de cathode)
-la déplétion est une zone (à la jonction P-N) où il n’y a ni électron, ni trou—c’est une zone isolante--
-la charge d'espace (pour une diode à vide) est la zone atteinte quand la tension U bloque à une valeur limite > 0
En effet, le courant (i) est proportionnel en loi de Child-Langmuir (i = K.U3/2) et (i.t) atteint aussi une limite (dite alors charge d'espace)
Les principaux types de diodes :
-diodes à jonction (la jonction est la liaison N-P), avec les variantes:
Diac, Schottky, PIN, SRD, tunnel, Zener...
-diodes LED (électroluminescentes): le courant direct provoque émission de rayonnement soit visible, soit infrarouge, soit même thermique (selon les matériaux dopants)
Leur pseudo-rendement énergétique commercial est correct (20 à 50 lumen/Watt)