Les semi-conducteurs sont des substances dont la conductivité électrique se situe entre celle des bons conducteurs et celle des isolants. Les semi-conducteurs, sans aucune impureté, sont appelés semi-conducteurs intrinsèques. Le germanium et le silicium sont les semi-conducteurs intrinsèques les plus couramment utilisés. Le Ge (numéro atomique 32) et le silicium (numéro atomique 14) appartiennent tous deux au quatrième groupe du tableau périodique et sont tétravalents.
Quelles sont les caractéristiques des semi-conducteurs ?
À des températures proches du zéro absolu, le Ge et le Si purs se comportent comme des isolants parfaits. Mais leurs conductivités augmentent avec l'augmentation de la température. Pour Ge, l'énergie de liaison d'un électron dans la liaison covalente est de 0,7 eV. Si cette énergie est fournie sous forme de chaleur, certaines liaisons sont rompues et les électrons sont libérés.
Aux températures ordinaires, certains des électrons sont libérés des atomes du cristal de Ge ou de Si et ils errent dans le cristal. L'absence d'électron à un endroit précédemment occupé implique une charge positive à cet endroit. On dit qu'un « trou » est créé à l'endroit où l'électron est libéré. Un trou (vide) équivaut à une charge positive et il a tendance à accepter un électron.
Lorsqu'un électron saute dans un trou, un nouveau trou est produit à l'endroit où se trouvait auparavant l'électron. Le mouvement des électrons dans une direction équivaut au mouvement des trous dans la direction opposée. Ainsi, dans les semi-conducteurs intrinsèques, les trous et les électrons sont produits simultanément, et les deux agissent comme porteurs de charge.
Les types de semi-conducteurs et leurs utilisations
Il existe deux types de semi-conducteurs extrinsèques: le type n et le type p.
semi-conducteur de type n : Des éléments tels que l'arsenic (As), l'antimoine (Sb) et le phosphore (P) sont pentavalents, tandis que Ge et Si sont tétravalents. Si une petite quantité d'antimoine est ajoutée au cristal de Ge ou de Si, en tant qu'impureté, alors sur ses cinq électrons valents, quatre formeront des liaisons covalentes avec les atomes de Ge voisins. Mais le cinquième électron d'antimoine devient presque libre de se déplacer dans le cristal.
Si une tension potentielle est appliquée au cristal de Ge dopé, les électrons libres du Ge dopé se déplaceront vers la borne positive et la conductivité augmente. Étant donné que les électrons libres chargés négativement augmentent la conductivité du cristal de Ge dopé, on l'appelle un semi-conducteur de type n.
semi-conducteur de type p : Si une impureté trivalente comme l'indium, l'aluminium ou le bore (ayant trois électrons de valence) est ajoutée dans un très faible proportion de Ge ou Si tétravalent, alors trois liaisons covalentes sont formées avec trois atomes de Ge. Mais le quatrième électron de valence de Ge ne peut pas former de liaison covalente avec l'indium car il ne reste aucun électron pour l'appariement.
L'absence ou la déficience d'un électron s'appelle un trou. Chaque trou est considéré comme une région de charge positive en ce point. Comme la conductivité du Ge dopé à l'indium est due aux trous, on parle de semi-conducteur de type p.
Ainsi, le type n et le type p sont les deux types de semi-conducteurs, et leurs utilisations sont expliquées comme suit: semi-conducteur et un semi-conducteur de type n sont joints ensemble, et l'interface commune s'appelle une jonction p-n diode.
Une diode à jonction p-n est utilisée comme redresseur dans les circuits électroniques. Un transistor est un dispositif semi-conducteur à trois bornes, qui est fabriqué en prenant en sandwich une fine tranche de matériau de type n entre deux plus gros morceaux de matériau de type p, ou une fine tranche de semi-conducteur de type p entre deux plus gros morceaux de type n semi-conducteur. Ainsi, il existe deux types de transistors: p-n-p et n-p-n. Un transistor est utilisé comme amplificateur dans les circuits électroniques.
Quels sont les avantages des semi-conducteurs ?
Une comparaison entre une diode semi-conductrice et un vide donnerait un aperçu plus clair des avantages des semi-conducteurs.
- Contrairement aux diodes à vide, il n'y a pas de filaments dans les dispositifs semi-conducteurs. Par conséquent, aucun chauffage n'est nécessaire pour émettre des électrons dans un semi-conducteur.
- Les dispositifs à semi-conducteurs peuvent être utilisés immédiatement après la mise sous tension du dispositif de circuit.
- Contrairement aux diodes à vide, aucun bourdonnement n'est produit par les semi-conducteurs au moment du fonctionnement.
- Par rapport aux tubes à vide, les dispositifs à semi-conducteurs ont toujours besoin d'une faible tension de fonctionnement.
- Parce que les semi-conducteurs sont de petite taille, les circuits qui les impliquent sont également très compacts.
- Contrairement aux tubes à vide, les semi-conducteurs sont résistants aux chocs. De plus, ils sont de plus petite taille, occupent moins d'espace et consomment moins d'énergie.
- Par rapport aux tubes à vide, les semi-conducteurs sont extrêmement sensibles à la température et au rayonnement.
- Les semi-conducteurs sont moins chers que les diodes à vide et ont une durée de vie illimitée.
- Les dispositifs à semi-conducteurs n'ont pas besoin de vide pour fonctionner.
En résumé, les avantages des dispositifs à semi-conducteurs dépassent de loin ceux des tubes à vide. Avec l'avènement des matériaux semi-conducteurs, il est devenu possible de développer de petits appareils électroniques plus sophistiqués, durables et compatibles.
Quelles sont les applications des dispositifs semi-conducteurs ?
Le dispositif semi-conducteur le plus courant est le transistor, qui est utilisé pour fabriquer des portes logiques et des circuits numériques. Les applications des dispositifs à semi-conducteurs s'étendent également aux circuits analogiques, qui sont utilisés dans les oscillateurs et les amplificateurs.
Les dispositifs semi-conducteurs sont également utilisés dans les circuits intégrés, qui fonctionnent à une tension et un courant très élevés. Les applications des dispositifs à semi-conducteurs sont également observées dans la vie quotidienne. Par exemple, les puces informatiques à grande vitesse sont fabriquées à partir de semi-conducteurs. Les téléphones, les équipements médicaux et la robotique utilisent également des matériaux semi-conducteurs.