Seance 21 conducteurs semi conducteurs

Séance 21 (conducteurs, semi-conducteurs)
28 août 14
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Spécialité Séance n° 21 : Structures et propriétés des matériaux
Les matériaux de l'électronique moderne : Conducteurs, semi-conducteurs
Doc. 1 : Spectre des ondes électromagnétiques :
L'énergie
d'une
onde
électromagnétique est donnée par
E=h.ν avec h = constante de
Planck h=6,64 .10−34 J.s .
L'électron-volt est une unité
d'énergie adaptée à l'atome et
1eV =1,6 .10−19 J
Doc. 2 : Théorie des bandes : (voir la vidéo "La théorie des bandes)
Bande de valence : zone où se
trouvent
les
électrons
périphériques.
Bande de conduction : zone où
un électron est libre de se
mouvoir à travers le cristal
d'atomes.
Bande interdite (ou Gap) : zone
d'énergie qu'aucun électron ne
peut atteindre. (Gap = écart;
fossé)
Dans les bandes d'énergie, les
électrons peuvent voir leur
énergie
varier
quasiment
continûment.
Ainsi dans un conducteur la simple agitation thermique va permettre à un électron de la bande de valence de passer
continûment dans la bande de conduction.
Dans un isolant la bande interdite est de l'ordre de 6 eV. Pour qu'un électron de la bande de valence passe dans la
bande conduction il faudrait une agitation thermique de 6 eV soit une température de l'ordre de 100 000 K !! C'est
impossible donc pas de conduction !
Dans un semi-conducteur, la bande interdite est réduite à 1 eV. Une température de 16 000 K serait nécessaire pour
qu'un électron de la bande de valence passe dans la bande de conduction ce qui est toujours impossible. Ce sont
toujours des isolants.
Dans un semi-conducteur dopé (voir Doc 2 p.148), le fait d'insérer des atomes ayant un électron périphérique
supplémentaire par rapport aux atomes constituant l'essentiel du cristal par exemple, va rendre ces électron
supplémentaires quasiment libre : leur niveau d'énergie se situe dans la bande interdite (pour les autres électrons) à
une dizaine de meV de la bande de conduction. Une agitation thermique correspondant à 100 ou 200 K (la
température ambiante est d'environ 300 K) suffit à les faire passer dans la bande de conduction. De tels semiconducteurs deviennent conducteurs (plus ou moins en fonction du pourcentage d'impureté introduites dans le
cristal primitif.
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Doc. 3 : La jonction PN
Les semi-conducteurs dopés sont formé à partir d'un cristal de silicium (à 4 électrons périphériques). On insère dans la
structure cristalline (voir schéma doc 2 p 148) :
- soit des atomes de phosphore (5 électrons périphériques) et on obtient une structure ayant un surplus d'électrons :
dopage de type N.
- Soit des atomes de bore (3 électrons périphériques) et on obtient une structure ayant un manque d'électrons : dopage
de type P.
Si deux semi-conducteurs de type différent sons accolés on obtient une jonction PN. L'intérêt d'une telle association est
qu'à température ambiante, les électrons libres de la zone N vont diffuser vers la zone P pour combler le manque
d'électrons de cette zone. Mais au fur et à mesure que les électrons diffusent, la zone d'où proviennent les électrons se
charge positivement et la zone comblée négativement ; il se forme un champ électrique à la jonction qui va bloquer la
diffusion.
N
N
P
électron libre
diffusion
On réalise ainsi une diode :
+
+
+
+
-
P
jonction N-P
électron manquant (trou)
N
N
P
+ I>0A
+
+
+
+
I = 0A +
-
P
Le générateur annule le champ de jonction Le générateur augmente le champs de
et les électrons libres vont passer à travers jonction et aucun électron ne pourra
la jonction PN .
passer
La diode est représentée par le schéma suivant :
N
P
le courant ne peut passer que dans le sens de la flèche.
I. Théorie des bandes :
1. Voir la vidéo "La théorie des bandes"
2. Questions :
a. En utilisant la théorie des bandes, expliquer la conductivité électrique élevée des métaux.
b. Dans la théorie des bandes, qu’est-ce qui différencie un semi-conducteur d’un isolant ?
c. Pourquoi un semi-conducteur constitué d’un monocristal de silicium a-t-il une conductivité quasi nulle ?
d. À température ambiante, l’énergie d’agitation thermique est d’environ 25 meV. Pourquoi, à température
ambiante, un semi-conducteur dopé n peut-il conduire le courant électrique ?
II. Caractéristique d'une diode (Durée conseillée : 1 h)
Une diode est un composant dont le symbole est :
1. Réaliser le montage suivant et régler l’ampèremètre pour qu’il
mesure l’intensité I en milliampère (mA) puis le voltmètre pour
qu’il mesure la tension U D aux bornes de la diode, en volt (V).
2. Faire varier la tension U PN entre les valeurs – 3,0 V et +6,0 V ,
et relever pour chaque tension les valeurs de la tension U D aux
bornes de la diode et de l’intensité I qui la traverse.
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3. Porter ces valeurs dans un tableau. Les valeurs négatives de la tension U PN sont obtenues en inversant les
branchements aux bornes du générateur.
U PN (en V)
-3,0
-2,0
-1,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
2,0
4,0
6,0
U D (en V)
I (en mA)
4. Tracer le graphe I = f (U D ) . Décrire l’allure du graphe
caractéristique, la diode :
(1) conduit le courant électrique (diode passante)
(2) bloque le courant électrique (diode bloquée).
I = f (U D ) . Indiquer sur quelle partie de la
5. Le graphe précédent peut être modélisé par deux droites perpendiculaires. Les représenter sur le graphe. A partir de
cette modélisation, déterminer graphiquement la tension de seuil de la diode, notée U S , tension pour laquelle la
diode devient passante.
6. Choisir une valeur de U PN pour laquelle la diode est passante. Inverser le sens de branchement de la diode.
Qu’observe-t-on ?
7. La diode n’est pas un dipôle symétrique. Justifier cette affirmation.
8. Dans le document 3, associer les deux états "passant" et "bloqué" à deux des schémas.
III. Une application de la diode : Redressement
1. simple alternance (Si il reste du temps - montage prof.)
2. Double alternance

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