Exemple de matériaux semi-conducteurs

Selon leur capacité à conduire le courant électrique, les matériaux sont divisés en trois catégories: les conducteurs, les isolants et les semi-conducteurs. L'exemple le plus important de conducteurs sont les métaux, tels que le cuivre Cu, l'aluminium Al et l'argent Ag; et des isolants les polymères et le verre. La troisième classe sera discutée ensuite: les semi-conducteurs.

Les propriétés électriques des semi-conducteurs font partie de celles des isolants et des conducteurs.Le silicium Si et le germanium Ge sont des exemples bien connus de semi-conducteurs qui sont fréquemment utilisés dans la fabrication d'une variété de dispositifs électroniques.. Les propriétés électriques des semi-conducteurs peuvent être modifiées de plusieurs ordres de grandeur, ajoutant des quantités contrôlées d'atomes étrangers aux matériaux.

Les semi-conducteurs se comportent comme des isolants à basse température, mais si celle-ci est augmentée, ils se comportent comme des conducteurs. Cette dualité de conductivité est due au fait que les électrons de valence du matériau sont faiblement liés à leurs noyaux respectifs. atomique, mais pas assez, pour que la montée en température leur permette de laisser l'atome circuler à travers le réseau atomique du Matériel. Dès qu'un électron quitte un atome, il laisse à sa place un trou qui peut être comblé par un autre électron qui circulait dans le réseau.

C'est le cas des éléments chimiques précédemment cités, Silicium Si et Germanium Ge, qui ont quatre électrons de valence à leur dernier niveau. Il convient de noter que, pour ajouter de l'énergie au matériau semi-conducteur, en plus du transfert de chaleur, de la lumière peut être appliquée.

Pour mieux comprendre le comportement des matériaux semi-conducteurs, la Théorie des Bandes sera utilisée.

Théorie du groupe

 La notion de Bande de Valence, qui est l'énergie accumulée possédée par les électrons de valence.

De plus, cette théorie traite de la définition de Bande de conduction, comme l'énergie que les électrons doivent retirer de leurs atomes. Les électrons qui se trouvent dans la bande de conduction peuvent circuler à travers le matériau s'il existe une tension électrique qui les entraîne entre deux points.

Sur la base des deux Bandes, les cas Conducteur, Isolant et Semi-conducteur seront étudiés pour avoir une perspective pour ce dernier.

Pour un conducteur, l'énergie de la bande de Valence est supérieure à celle des électrons de la bande de conduction. De telle sorte que les bandes se chevauchent et que de nombreux électrons de Valencia se placent très facilement sur la Conduction, et donc, avec la possibilité de circuler au milieu.

Pour un isolant, en revanche, l'énergie de la bande de conduction est bien supérieure à l'énergie de la bande de Valence. Ici, il y a un écart entre la bande de Valence et la bande de conduction, de sorte que les électrons de Valence ne peuvent pas accéder à la bande de conduction qui sera vide. C'est pourquoi l'isolant n'est pas conducteur. Ce n'est qu'à des températures élevées que ces matériaux peuvent être conducteurs.

Dans le cas des semi-conducteurs, la bande de conduction est toujours supérieure à la bande de Valence, mais l'écart entre les deux est considérablement plus petit, de sorte qu'avec une augmentation énergétique, les électrons de Valencia sautent dans la bande de conduction et peuvent circuler à travers le milieu. Lorsqu'un électron saute de la bande de Valence à la bande de conduction, il laisse un œuf dans la bande de Valence qui est également considéré comme un porteur de courant électrique.

Dans les semi-conducteurs, on distingue deux types de porteurs de courant électrique: les électrons chargés négativement, et les trous, chargés positivement.

Types de semi-conducteurs 

Il existe deux classes de semi-conducteurs selon leur pureté. Les matériaux semi-conducteurs à l'état pur sont connus sous le nom de semi-conducteurs intrinsèques; et il y a des semi-conducteurs extrinsèques, qui sont purs mais contaminés par des impuretés dans des proportions infimes, comme une particule sur un million.

Ce processus de contamination est appelé dopage, qui à son tour se manifeste sous deux types.

Le premier type de dopage est le type N, dans lequel le matériau est contaminé par des atomes de valence 5, comme le phosphore P, l'arsenic As ou l'antimoine Sb. En impliquant le cinquième électron de valence dans la structure de atomes tétravalents, est forcé d'errer à travers le matériau semi-conducteur, sans trouver un site stable où Être placé. L'ensemble de ces électrons errants est appelé électrons majoritaires.

Le deuxième type de dopage est le type P, dans lequel le matériau semi-conducteur est contaminé par des atomes de valence 3, tels que le bore B, le gallium Ga ou l'indium In. Si cet atome est introduit dans le matériau, il reste un trou là où un électron doit aller. Le trou se déplace facilement à travers la structure du matériau, comme s'il était porteur de charge positive. Dans ce cas, les trous sont des Porteurs Majoritaires.

Application de semi-conducteur: Diode

La diode est un composant électronique qui consiste en l'union de deux cristaux semi-conducteurs extrinsèques, l'un de type N et l'autre de type P. En les joignant, une partie des électrons de type N en excès passe au cristal de type P, et une partie des trous de type P passe au cristal de type N. Une bande appelée la zone de transition est créée à la jonction, qui a un champ électrique qui se comporte comme un barrière qui s'oppose au passage de plus d'électrons de la Zone N à la Zone P et des trous de la Zone P à la Zone N.

Lorsqu'une diode est connectée à une batterie, deux cas différents se produisent: la polarisation directe et la polarisation inverse.

En polarisation directe, le pôle positif est connecté au cristal P et le pôle négatif au cristal N. Cela rend la zone de transition beaucoup plus étroite, brisant la barrière et permettant le libre passage du courant. Dans cette condition, la diode est conductrice.

En polarisation inversée, le pôle positif se connecte au cristal N et le pôle négatif au cristal P. Cela rend la zone de transition beaucoup plus large, renforçant la barrière qui empêche le passage du courant. Dans ce cas, la Diode est Isolante.

Les applications de la Diode sont multiples. Cependant, l'application la plus populaire est celle qui l'utilise comme redresseur. Un redresseur est un système capable de convertir un signal d'entrée alternatif sinusoïdal en un autre qui a le même sens, pour convertir plus tard le courant alternatif en courant continu. Avant de rectifier le courant, un transformateur est utilisé qui réduit la valeur de la tension.

Exemples de matériaux semi-conducteurs

Par le groupe dans lequel ils sont présents dans le tableau périodique, voici quelques exemples d'éléments semi-conducteurs :

Groupe IIIA: Bore B, Aluminium Al, Gallium Ga, Indium In.

TVA de groupe: Silicium Si, Germanium Ge.

Groupe VA: Phosphore P, Arsenic As, Antimoine Sb.

Groupe VIA: Soufre S, Sélénium Se, Tellure Te.