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 purs (intrinsèques) = solides non métalliques (non métal, oxyde...) à conductibilité située entre 10-5 et 106 Ohm-mètre- (Ex:C, Si, Ge, Se...)

-semi-conducteurs extrinsèques (composés dopés): alliages ou corps composés, agrémentés d'impuretés-

Mais des 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...)

Même un faible pourcentage d’atomes d’impuretés ( Ex.10-6) peut entraîner une conductivité bien plus forte (jusqu'à 100 fois plus)

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 linèique  αl  pour les 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 S-C

-conductivité électrique

 σ’ = e.(Φ*é.né+ Φ*t.n)

avec σ(S/m)= conductivité électrique

e(C)= charge élémentaire (1,6021733.10-19 C)

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'= 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 (6,62606876.10-34 J-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  va de 2 à 4.10-1 (Tesla)-1

-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 (1 type N et 1 type P) reliées entre elles et reliées en outre à une cathode (en N) et à une anode (en P).

Rôle joué dans : redressement de courant alternatif, détection radio, lampes-témoins, 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) :

U= (2)1/2.Uefficace

avec Uc sortie = Uc entrée - 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)

 

EFFET PHOTORÉSISTIF

Dans un semi-conducteur, quand 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 de ν(Hz) = E / h

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 purs (intrinsèques) = solides non métalliques (non métal, oxyde...) à conductibilité située entre 10-5 et 106 Ohm-mètre- (Ex:C, Si, Ge, Se...)

-semi-conducteurs extrinsèques (composés dopés): alliages ou corps composés, agrémentés d'impuretés-

Mais des familles de corps purs à valences impaires, adoptent aussi les qualités d’un semi-conducteur pur- Exemples: alliages de Zn, Al, Ge, In, Pb...

Si la conduction est assurée par les électrons >>> ce sont les semi-conducteurs de 

type N (N comme négatif)

Si la conduction est assurée par des trous >>> ce sont des S-C  de type P (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...)

Même un faible pourcentage d’atomes d’impuretés ( Ex.10-6) peut entraîner une conductivité bien plus forte (jusqu'à 100 fois plus)

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 linèique  αl  pour les 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 S-C

-conductivité électrique

 σ’ = e.(Φ*é.né+ Φ*t.n)

avec σ(S/m)= conductivité électrique

e(C)= charge élémentaire (1,6021733.10-19 C)

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'= 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 ) pour semi-conducteurs

Valeur à température ambiante ≈ 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 (6,62606876.10-34 J-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  va de 2 à 4.10-1 (Tesla)-1

-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 (1 type N et 1 type P) reliées entre elles et reliées en outre à une cathode (en N) et à une anode (en P).

Rôle joué dans : redressement de courant alternatif, détection radio, lampes-témoins, 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) :

U= (2)1/2.Uefficace

avec Uc sortie = Uc entrée - 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)

 

EFFET PHOTORÉSISTIF

Dans un semi-conducteur, quand 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 de  Σν(Hz) = ΣE / h    

ΣE(J)= énergie différentielle entre bande de valence et de conduction

 

h(J-s)= constante de Planck(6,62606876.10-34 J-s)

ΣE(J)= énergie différentielle entre bande de valence et de conduction

h(J-s)= constante de Planck(6,62606876.10-34 J-s)

 

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