Les semi-conducteurs sont des éléments qui remplissent la fonction de conducteurs ou d'isolateurs de manière sélective, en fonction des conditions extérieures auxquelles ils sont soumis, telles que la température, la pression, le rayonnement et les champs magnétiques ou électriques.
Dans le tableau périodique, 14 éléments semi-conducteurs sont présents, parmi lesquels le silicium, le germanium, le sélénium, le cadmium, l'aluminium, le gallium, le bore, l'indium et le carbone. Les semi-conducteurs sont des solides cristallins avec une conductivité électrique moyenne, ils peuvent donc être utilisés à la fois comme conducteur et isolant.
S'ils sont utilisés comme conducteurs, dans certaines conditions ils permettent la circulation du courant électrique, mais uniquement dans un sens. De plus, ils n'ont pas une conductivité aussi élevée que celle des métaux conducteurs..
Les semi-conducteurs sont utilisés dans les applications électroniques, en particulier pour la fabrication de composants tels que des transistors, des diodes et des circuits intégrés. Ils sont également utilisés comme accessoires ou compléments de capteurs optiques, tels que les lasers à semi-conducteurs, et certains dispositifs d'alimentation pour les systèmes de transmission d'énergie électrique..
À l'heure actuelle, ce type d'élément est utilisé pour des développements technologiques dans les domaines des télécommunications, des systèmes de contrôle et du traitement du signal, tant dans les applications domestiques qu'industrielles..
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Il existe différents types de matériaux semi-conducteurs, en fonction des impuretés qu'ils présentent et de leur réponse physique aux différents stimuli environnementaux..
Ce sont ces éléments dont la structure moléculaire est constituée d'un seul type d'atome. Parmi ce type de semi-conducteurs intrinsèques, on trouve le silico et le germanium.
La structure moléculaire des semi-conducteurs intrinsèques est tétraédrique; c'est-à-dire qu'il a des liaisons covalentes entre quatre atomes environnants, comme présenté dans l'image ci-dessous.
Chaque atome d'un semi-conducteur intrinsèque a 4 électrons de valence; c'est-à-dire 4 électrons en orbite dans la coquille la plus externe de chaque atome. À leur tour, chacun de ces électrons forme des liaisons avec les électrons adjacents..
De cette manière, chaque atome a 8 électrons dans sa couche la plus superficielle, formant ainsi une liaison solide entre les électrons et les atomes qui composent le réseau cristallin..
En raison de cette configuration, les électrons ne se déplacent pas facilement à l'intérieur de la structure. Ainsi, dans des conditions standard, les semi-conducteurs intrinsèques se comportent comme un isolant.
Cependant, la conductivité du semi-conducteur intrinsèque augmente chaque fois que la température augmente, car certains électrons de valence absorbent l'énergie thermique et se séparent des liaisons..
Ces électrons deviennent des électrons libres et, s'ils sont correctement dirigés par une différence de potentiel électrique, peuvent contribuer au flux de courant dans le réseau cristallin..
Dans ce cas, les électrons libres sautent dans la bande de conduction et se dirigent vers le pôle positif de la source de potentiel (une batterie, par exemple).
Le mouvement des électrons de valence induit un vide dans la structure moléculaire, qui se traduit par un effet similaire à celui produit par une charge positive dans le système, c'est pourquoi ils sont considérés comme porteurs de charge positive..
Ensuite, un effet inverse se produit, car certains électrons peuvent tomber de la bande de conduction à la coquille de valence, libérant de l'énergie dans le processus, ce qui s'appelle la recombinaison..
Ils se conforment en incluant des impuretés dans les conducteurs intrinsèques; c'est-à-dire en incorporant des éléments trivalents ou pentavalents.
Ce procédé est connu sous le nom de dopage et son but est d'augmenter la conductivité des matériaux, d'améliorer leurs propriétés physiques et électriques..
En substituant un atome de semi-conducteur intrinsèque à un atome d'un autre composant, deux types de semi-conducteurs extrinsèques peuvent être obtenus, qui sont détaillés ci-dessous.
Dans ce cas, l'impureté est un élément semi-conducteur trivalent; c'est-à-dire avec trois (3) électrons dans sa couche de valence.
Les éléments intrusifs au sein de la structure sont appelés éléments dopants. Des exemples de ces éléments pour les semi-conducteurs de type P sont le bore (B), le gallium (Ga) ou l'indium (In).
Faute d'un électron de valence pour former les quatre liaisons covalentes d'un semi-conducteur intrinsèque, le semi-conducteur de type P a un espace dans la liaison manquante.
Cela rend propice le passage d'électrons n'appartenant pas au réseau cristallin à travers ce trou qui porte une charge positive..
En raison de la charge positive du trou de liaison, ces types de conducteurs sont appelés avec la lettre "P" et, par conséquent, ils sont reconnus comme accepteurs d'électrons.
Le flux d'électrons à travers les trous de la liaison produit un courant électrique qui circule dans la direction opposée au courant dérivé des électrons libres.
L'élément intrusif dans la configuration est donné par des éléments pentavalents; c'est-à-dire ceux qui ont cinq (5) électrons dans la bande de valence.
Dans ce cas, les impuretés qui sont incorporées dans le semi-conducteur intrinsèque sont des éléments tels que le phosphore (P), l'antimoine (Sb) ou l'arsenic (As).
Les dopants ont un électron de valence supplémentaire qui, n'ayant pas de liaison covalente à laquelle se lier, est automatiquement libre de se déplacer à travers le réseau cristallin.
Ici, le courant électrique circule à travers le matériau grâce au surplus d'électrons libres fourni par le dopant. Par conséquent, les semi-conducteurs de type N sont considérés comme des donneurs d'électrons..
Les semi-conducteurs se caractérisent par leur double fonctionnalité, leur efficacité énergétique, la diversité des applications et leur faible coût. Les principales caractéristiques des semi-conducteurs sont détaillées ci-dessous.
- Sa réponse (conductrice ou isolante) peut varier en fonction de la sensibilité de l'élément à l'éclairage, aux champs électriques et aux champs magnétiques de l'environnement..
- Si le semi-conducteur est soumis à une basse température, les électrons resteront unis dans la bande de valence et, par conséquent, aucun électrons libres ne se produira pour la circulation du courant électrique..
D'autre part, si le semi-conducteur est exposé à des températures élevées, les vibrations thermiques peuvent affecter la force des liaisons covalentes des atomes de l'élément, laissant des électrons libres pour la conduction électrique..
- La conductivité des semi-conducteurs varie en fonction de la proportion d'impuretés ou d'éléments dopants dans un semi-conducteur intrinsèque.
Par exemple, si 10 atomes de bore sont inclus dans un million d'atomes de silicium, ce rapport augmente la conductivité du composé mille fois, par rapport à la conductivité du silicium pur..
- La conductivité des semi-conducteurs varie dans une plage comprise entre 1 et 10-6 S.cm-1, selon le type d'élément chimique utilisé.
- Les semi-conducteurs composites ou extrinsèques peuvent présenter des propriétés optiques et électriques considérablement supérieures aux propriétés des semi-conducteurs intrinsèques, comme l'arséniure de gallium (GaAs), utilisé principalement dans les radiofréquences et dans d'autres applications optoélectroniques..
Les semi-conducteurs sont largement utilisés comme matière première dans l'assemblage d'éléments électroniques qui font partie de notre vie quotidienne, comme les circuits intégrés..
L'un des principaux éléments d'un circuit intégré sont les transistors. Ces appareils remplissent la fonction de fournir un signal de sortie (oscillatoire, amplifié ou redressé) en fonction d'un signal d'entrée spécifique.
De plus, les semi-conducteurs sont également le matériau principal des diodes utilisées dans les circuits électroniques pour permettre le passage du courant électrique dans un seul sens..
Pour la conception de diodes, des jonctions semi-conductrices extrinsèques de type P et de type N. sont formées. En alternant les éléments donneurs et porteurs d'électrons, un mécanisme d'équilibrage entre les deux zones est activé..
Ainsi, les électrons et les trous dans les deux zones se croisent et se complètent si nécessaire. Cela se produit de deux manières:
- Le transfert d'électrons de la zone de type N à la zone P. se produit. La zone de type N obtient une zone de charge majoritairement positive.
- Il y a un passage de trous porteurs d'électrons de la zone de type P à la zone de type N. La zone de type P acquiert une charge majoritairement négative.
Enfin, il se forme un champ électrique qui induit la circulation du courant dans un seul sens; c'est-à-dire de la zone N à la zone P.
De plus, l'utilisation de combinaisons de semi-conducteurs intrinsèques et extrinsèques peut produire des dispositifs qui remplissent des fonctions similaires à un tube à vide qui contient des centaines de fois son volume..
Ce type d'application s'applique aux circuits intégrés, tels que les puces de microprocesseur qui couvrent une quantité considérable d'énergie électrique..
Les semi-conducteurs sont présents dans les appareils électroniques que nous utilisons dans notre vie quotidienne, tels que les équipements de la ligne brune tels que les téléviseurs, les lecteurs vidéo, les équipements audio; ordinateurs et téléphones portables.
Le semi-conducteur le plus utilisé dans l'industrie électronique est le silicium (Si). Ce matériau est présent dans les dispositifs qui composent les circuits intégrés qui font partie de notre quotidien.
Les alliages de silicium et de germanium (SiGe) sont utilisés dans les circuits intégrés à grande vitesse pour les radars et les amplificateurs d'instruments électriques, tels que les guitares électriques..
Un autre exemple de semi-conducteur est l'arséniure de gallium (GaAs), largement utilisé dans les amplificateurs de signaux, en particulier pour les signaux à gain élevé et à faible niveau de bruit..
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