SEMI-CONDUCTEURS

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Dispositifs à semi-conducteurs

La jonction n-p

La jonction n-p est un dispositif semi-conducteur constitué d'un cristal dont une partie a été dopée n et l'autre dopée p, les deux parties étant séparées par un plan dit de jonction (fig. 3). Examinons le fonctionnement d'un tel dispositif. Imaginons que l'on sépare la jonction en deux parties et qu'on relie la région n au pôle négatif d'un générateur et la région p au pôle positif (polarisation directe). Les électrons libres de la région n, ainsi que les trous libres de la région p, vont vers la jonction, vu le sens de polarisation. Si les deux parties sont en contact, un courant passe. Les électrons sont injectés dans la région p et les trous dans la région n. On dit qu'il y a injection de porteurs minoritaires. Si l'on polarise la jonction en sens inverse, les électrons allant vers le pôle + et les trous vers le pôle —, ils s'éloignent de la jonction, laissant au voisinage de celle-ci des charges dues aux impuretés ionisées. Mais ces impuretés sont des atomes rigidement liés au réseau cristallin, qui ne peuvent se déplacer. Si l'on met les deux parties en contact, on a au voisinage une région isolante, et la résistance du dispositif en polarisation inverse sera donc très élevée. La jonction n-p joue donc le rôle d'un redresseur laissant passer le courant électrique en polarisation directe et présentant une très forte résistance en polarisation inverse. Si la polarisation est directe, il y a injection de porteurs minoritaires, par exemple des électrons dans la région p ; ces électrons ont tendance à se recombiner avec les trous présents en grand nombre dans cette région p ; ils le font au bout d'un temps τ appelé durée de vie des porteurs minoritaires. Cette durée de vie est l'un des paramètres fondamentaux qui détermine la qualité de la jonction. Plus τ est grand, plus l'effet redresseur est marqué. Le silicium est à ce sujet le meilleur semi-conducteur connu (τ peut atteindre la valeur de 1 milliseconde, alors qu'il est de l'ordre de la microseconde pour la plupart des autres semi-conducteurs). Un autre paramètre important est la longueur de diffusion : l'électron injecté dans la région p diffuse sur une certaine distance L avant de disparaître au bout du temps ; c'est cette longueur moyenne parcourue par les électrons dans la région p qui est appelée longueur de diffusion. Elle est de l'ordre de plusieurs micromètres pour le silicium.

Jonction n-p

Diaporama : Jonction n-p

Jonction n-p 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Le transistor

Le transistor est l'élément actif (amplificateur) qui est à la base de toute l'électronique à l'état solide. Il fut découvert en 1948 par John Bardeen, Walter Brattain et William B. Shockley. Il est simplement constitué de deux jonctions en série selon deux possibilités : structure n-p-n ou p-n-p. Examinons la première (fig. 4). La jonction n-p polarisée en direct est dite émettrice ; elle injecte des électrons dans la région p dite base. Si l'épaisseur de la base est plus petite que la longueur de diffusion des porteurs minoritaires, ces électrons atteignent la jonction p-n polarisée en inverse ; ils sont fortement accélérés dans cette jonction dite collectrice et recueillis dans la région n. Ce dispositif est amplificateur : il faut très peu d'énergie pour injecter les électrons dans la base, puisque la jonction émettrice présente une très faible résistance, et l'on recueille une grande énergie dans la jonction collectrice. L'énergie fournie à l'électron dans l'émetteur est eVb (fig. 4), l'énergie recueillie dans le collecteur est eVc ; le gain en énergie est donc g = Vc/Vb, qui est de l'ordre de 100.

Transistors

Photographie : Transistors

Dès 1962, les récepteurs radio mettent à profit les transistors, dispositifs semi-conducteurs mis au point en 1948. 

Crédits : Reg Speller/ Getty Images

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Transistor n-p-n

Dessin : Transistor n-p-n

Schéma de principe du transistor n-p-n 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Transistor n-p-n

Dessin : Transistor n-p-n

Schéma de principe du transistor n-p-n 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Le transistor a remplacé pratiquement tous les anciens dispositifs amplificateurs à tubes [cf. transitors et thyristors].

Transistor à effet de champ

Le transistor à effet de champ fonctionne sur un principe totalement différent de celui du transistor à jonction. On utilise le fait qu'une tension inverse appliquée à une jonction crée une barrière isolante dont la largeur augmente avec la tension appliquée. Si cette barrière s'étend dans un canal conducteur, on peut ainsi moduler la section du canal et donc sa résistance. On obtient un dispositif amplificateur, car la puissance de commande est très faible, la jonction de commande étant polarisée en inverse et ne débitant pas. On voit la différence fondamentale avec le transistor à jonction ; dans ce dernier, la commande se fait à fort courant et à tension très faible, tandis que, dans le transistor à effet de champ, la commande se fait à forte tension mais à débit pratiquement nu [...]

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Seuil d'absorption

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Jonction n-p

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  • : ancien directeur du laboratoire de physique de l'École normale supérieure

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Pour citer l’article

Julien BOK, « SEMI-CONDUCTEURS », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 09 août 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/semiconducteurs/