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Comment fonctionnent les semi-conducteurs

La technologie moderne est rendue possible grâce à une classe de matériaux appelés semi-conducteurs. Tous les composants actifs, circuits intégrés, puces, transistors, ainsi que de nombreux capteurs sont construits avec des matériaux semi-conducteurs. Alors que le silicium est le matériau semi-conducteur le plus utilisé et le plus connu en électronique, une large gamme de semi-conducteurs est utilisée, notamment le germanium, l'arséniure de gallium, le carbure de silicium et les semi-conducteurs organiques. Chaque matériau apporte à la table certains avantages, tels que le rapport coût / performance, le fonctionnement à haute vitesse, la température élevée ou la réponse souhaitée au signal.

Semi-conducteurs

Ce qui rend les semi-conducteurs si utiles est la possibilité de contrôler avec précision leurs propriétés électriques et leur comportement pendant le processus de fabrication. Les propriétés des semi-conducteurs sont contrôlées en ajoutant de petites quantités d'impuretés dans le semi-conducteur par le biais d'un processus appelé dopage, avec différentes impuretés et concentrations produisant des effets différents. En contrôlant le dopage, il est possible de contrôler la manière dont un courant électrique se déplace dans un semi-conducteur.

Dans un conducteur typique, comme le cuivre, les électrons transportent le courant et servent de porteurs de charge. Dans les semi-conducteurs, les électrons et les «trous», l'absence d'électron, agissent en tant que porteurs de charge. En contrôlant le dopage du semi-conducteur, la conductivité et le porteur de charge peuvent être personnalisés pour être basés sur des électrons ou des trous.

Il existe deux types de dopage, le type N et le type P. Les dopants de type N, généralement le phosphore ou l'arsenic, ont cinq électrons qui, ajoutés à un semi-conducteur, fournissent un électron libre supplémentaire. Comme les électrons ont une charge négative, un matériau ainsi dopé est appelé type N. Les dopants de type P, tels que le bore et le gallium, ne comportent que trois électrons, ce qui entraîne l'absence d'électron dans le cristal semi-conducteur, créant ainsi un trou ou une charge positive, d'où le nom de type P. Les dopants de type N et de type P, même en quantités infimes, feront du semi-conducteur un bon conducteur. Cependant, les semi-conducteurs de type N et de type P ne sont pas très spéciaux en eux-mêmes, ils ne sont que des conducteurs décents. Cependant, lorsque vous les mettez en contact les uns avec les autres, formant une jonction P-N, vous obtenez des comportements très différents et très utiles.

La diode de jonction P-N

Une jonction P-N, contrairement à chaque matériau séparément, ne fait pas office de conducteur. Plutôt que de laisser le courant circuler dans un sens ou dans l'autre, une jonction P-N ne permet qu'un courant dans une direction, créant ainsi une diode de base. L'application d'une tension sur une jonction P-N dans le sens direct (polarisation directe) aide les électrons de la région de type N à se combiner aux trous de la région de type P. Tenter d'inverser le flux de courant (polarisation inverse) à travers la diode force les électrons et les trous à se séparer, ce qui empêche le courant de circuler dans la jonction. La combinaison des jonctions P-N d'une autre manière ouvre les portes à d'autres composants semi-conducteurs, tels que le transistor.

Transistors

Un transistor de base est constitué de la combinaison de la jonction de trois matériaux de type N et de type P plutôt que des deux utilisés dans une diode. La combinaison de ces matériaux donne les transistors NPN et PNP, appelés transistors à jonction bipolaire ou BJT. La région centrale, ou base, BJT permet au transistor de jouer le rôle de commutateur ou d’amplificateur.

Les transistors NPN et PNP peuvent ressembler à deux diodes placées dos à dos, ce qui empêcherait tout courant de circuler dans les deux sens. Lorsque la couche centrale est polarisée vers l'avant de sorte qu'un faible courant traverse la couche centrale, les propriétés de la diode formée avec la couche centrale changent pour permettre à un courant beaucoup plus important de circuler dans l'ensemble du dispositif. Ce comportement donne à un transistor la capacité d'amplifier de petits courants et d'agir comme un commutateur allumant ou éteignant une source de courant.

Une variété de types de transistors et d'autres dispositifs à semi-conducteurs peuvent être fabriqués en combinant les jonctions P-N de différentes manières, des transistors à fonction spéciale avancés aux diodes contrôlées. Vous trouverez ci-dessous quelques-uns des composants fabriqués à partir de combinaisons judicieuses de jonctions P-N.

  • DIAC
  • Diode laser
  • Diode électroluminescente (LED)
  • Diode Zener
  • Darlington transistor
  • Transistor à effet de champ, y compris les MOSFET
  • Transistor IGBT
  • Redresseur commandé par silicium (SCR)
  • Circuit intégré (ICs)
  • Microprocesseur
  • Mémoire numérique - RAM et ROM

Capteurs

Outre le contrôle actuel que permettent les semi-conducteurs, ils possèdent également des propriétés qui rendent les capteurs efficaces. Ils peuvent être rendus sensibles aux changements de température, de pression et de lumière. Le changement de résistance est le type de réponse le plus courant pour un capteur semi-conducteur. Quelques-uns des types de capteurs rendus possibles par les propriétés des semi-conducteurs sont énumérés ci-dessous.

  • Capteur à effet Hall (capteur de champ magnétique)
  • Thermistance (capteur de température résistif)
  • CCD / CMOS (capteur d'image)
  • Photodiode (capteur de lumière)
  • Photorésistance (capteur de lumière)
  • Piézorésistif (capteurs de pression / contrainte)