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Notions de semi-conducteur
Enseignement d’électronique de Première Année
Eric PERONNIN
www.geii.eu 2
Structure des atomes
Constitution d’un atome
 Noyau composé de neutrons et protons
 Charge d ’un proton : +1.67 10-19 C
 Charge d ’un neutron : 0
 Masse du proton et du neutron : 1.67 10-27 kg
 Couches électroniques :
 électrons des premières couches = électrons fortement liés à
l’atome
 électrons de la couche périphérique = électrons susceptibles
de se libérer de l’atome
 Charge d ’un électron : -1.67 10-19C
 Masse d ’un électron : 9.1 10-31 kg
2
www.geii.eu 3
Ions
Ion positif
 Il s’agit d’un atome ayant perdu 1 ou plusieurs de ses électrons
périphériques.
 On le représentera de la façon suivante dans les dessins qui
suivront :
Ion négatif
 C’est un atome possédant un ou plusieurs électrons en excès.
 Représentation :
3
Ion positif
Ion négatif
www.geii.eu 4
Conduction dans un matériau
Définitions
 Isolant
 Un matériau est dit isolant si
les liaisons inter atomes de
sa structure sont trop fortes
pour autoriser la libération
d‘électrons dans la structure.
 Comme il n’y a pas
d’électrons libres dans la
structure, il n’y circule aucun
courant.
 Résistivité :
4
Bande de
valence
Bande de
conduction
Bande interdite
(Gap)
Ev
Ec
E
6eV
www.geii.eu 5
Conduction
 Conducteur
 Un matériau est dit
conducteur si les atomes de
son cristal libère facilement
un électron de leur couche
périphérique.
 L’ensemble des électrons
libérés autorise alors la
circulation d’un courant dans
le cristal.
 Résistivité :
– Rappel : calcul de résistance
d’un fil
5
Bande de
valence
Bande de
conduction
Pas de Gap
Ev
Ec
E
www.geii.eu 6
Conduction dans un matériau
 Semi-conducteur
 La structure cristalline de ces
matériaux autorise la libération
ponctuelle d’électrons lors d’un
apport énergétique suffisant :
– collisions photoniques,
– élévation de la température,
– force exercée par un champ
électrostatique.
 La densité des porteurs
libres est beaucoup plus faible
que dans un conducteur, d’où
le nom de semi-conducteur.
 Semi-conducteurs usuels :
Silicium (Si), Germanium (Ge),
Arséniure de Gallium (AsGa).
 Résistivité :
6
Bande de
valence
Bande de
conduction
Bande interdite
(Gap)
Ev
Ec
E
1.2eV
pour
Si
www.geii.eu 7
Cristal de Silicium
 C’est un cristal de type Diamant.
 Chaque atome est lié avec 4
atomes voisins
 Seul, l’atome Si possède 4 électrons
sur sa couche périphérique.
 Dans le cristal, il vérifie la règle de
l’octet et voit 8 électrons sur sa
couche périphérique grâce à ceux des
atomes voisins.
 Libérés assez facilement, les
électrons permettent la circulation
d’un courant dans le cristal.
7
a = 2.35A
°
www.geii.eu 8
Semi-conducteur intrinsèque
Représentation à plat
 En se libérant, l’électron laisse une place vide sur la couche
périphérique de son atome : le trou.
Concentration des atomes de Si : environ 1023 atomes/cm3 .
8
Si Si SiSiSiSi
Si Si SiSiSiSi
Si Si SiSiSiSi
Paire électron (noir)
- trou (blanc, charge +e)Atome de Si
Liaison covalente
www.geii.eu 9
Semi-conducteur intrinsèque
Précision sur les paires électrons-trous
 Origines diverses
 Bombardement photonique.
 Echauffement du cristal intrinsèque.
 Phénomène résultant
 L’apport d’énergie permet de briser des liaisons de valence
un électron se libère.
– Il se retrouve dans la bande de conduction (c’est un e- libre).
– Il laisse dans la bande de valence un atome de Si présentant un défaut d’électron 
un ion Si+.
– La place laissée dans la bande de valence par l’électron libéré est appelée « trou »
(charge +q).
Concentration des porteurs
 n = concentration des électrons libres dans la bande de conduction.
 p = concentration des trous libres dans la bande de valence.
9
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Semi-conducteur intrinsèque
Dans un cristal intrinsèque
 n=p=ni où ni désigne la concentration intrinsèque.
𝑛𝑖 = 𝐴. 𝑇
3
2. 𝑒
−𝐸 𝐺
2.𝑘.𝑇
 Où :
– A est une constante typique du matériau.
– T est la température thermodynamique en Kelvin.
– k=8,6.10-5 eV/K est la constante de Boltzmann.
– EG est la largeur de la bande interdite.
 Pour le silicium, ni = 1010 à 300K pour 1023 atomes
Soit 1 porteur libre pour 1013 atomes.
Ce chiffre explique bien la nature semi-conductrice du Si.
10
www.geii.eu 11
Semi-conducteur extrinsèque
Utilité du semi-conducteur intrinsèque
 Limitée !
 Usage :
 en thermistance car ni augmente très vite avec la
température (sa conductivité augmente avec T).
 en photorésistance car on peut faire varier la résistivité du Si
en l’éclairant.
Semi-conducteur extrinsèque
 Semi-conducteur intrinsèque modifié = semi-conducteur
extrinsèque = semi-conducteur dopé.
 Résistivité d’un semi-conducteur dopé << résistivité du cristal
intrinsèque.
11
www.geii.eu 12
Semi-conducteur dopé n
Principe
 On diffuse des atomes du groupe V dans le cristal : Phosphore
(P), Arsenic (As), Bismuth.
 Dans le cristal de Si, l’atome injecté présente un électron en
excès par rapport au reste du cristal.
 L’atome dopant, de concentration , est dit donneur et
l’électron libre qu’il fournit est le porteur majoritaire du cristal
dopé (concentration ). Si l’électron se libère et
l’impureté se présente sous la forme d’un ion positif 
 Les trous libres du cristal intrinsèque sont dits porteurs
minoritaires (concentration ).
 Echelle des concentrations lorsque :
12
www.geii.eu 13
Semi-conducteur dopé n
Représentation à plat
Représentation simplifiée
 Paires électrons-trous du Si
 Electron libres du donneur
 Donneur = Ion positif
13
Si P SiSiPSi
Si Si SiSiSiSi
Si Si SiSiSiSi
Paire électron (noir)
- trou (blanc, minoritaire)Atome de Si
Liaison covalente
Electron libre
majoritaire
www.geii.eu 14
Semi-conducteur dopé p
Principe
 On diffuse des atomes du groupe III dans le cristal : Bore (B),
Aluminium (Al), Indium (In).
 Dans le cristal de Si, l’atome injecté présente un défaut
d’électron par rapport au reste du cristal.
 L’atome dopant, de concentration , est dit accepteur et le
trou libre qu’il fournit est le porteur majoritaire du cristal dopé
(concentration ). Si le trou se libère et l’impureté se
présente sous la forme d’un ion négatif 
 Les électrons libres du cristal intrinsèque sont dits porteurs
minoritaires (concentration ).
 Echelle des concentrations lorsque :
14
www.geii.eu 15
Semi-conducteur dopé p
Représentation à plat
Représentation simplifiée
 Paires électrons-trous du Si
 Trous libres du donneur
 Accepteur = Ion négatif
15
Si B SiSiBSi
Si Si SiSiSiSi
Si Si SiSiSiSi
Paire électron (noir, minoritaire)
- trou (blanc)Atome de Si
Liaison covalente
Trou libre
majoritaire
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Notions de semi conducteur

  • 1. Notions de semi-conducteur Enseignement d’électronique de Première Année Eric PERONNIN
  • 2. www.geii.eu 2 Structure des atomes Constitution d’un atome  Noyau composé de neutrons et protons  Charge d ’un proton : +1.67 10-19 C  Charge d ’un neutron : 0  Masse du proton et du neutron : 1.67 10-27 kg  Couches électroniques :  électrons des premières couches = électrons fortement liés à l’atome  électrons de la couche périphérique = électrons susceptibles de se libérer de l’atome  Charge d ’un électron : -1.67 10-19C  Masse d ’un électron : 9.1 10-31 kg 2
  • 3. www.geii.eu 3 Ions Ion positif  Il s’agit d’un atome ayant perdu 1 ou plusieurs de ses électrons périphériques.  On le représentera de la façon suivante dans les dessins qui suivront : Ion négatif  C’est un atome possédant un ou plusieurs électrons en excès.  Représentation : 3 Ion positif Ion négatif
  • 4. www.geii.eu 4 Conduction dans un matériau Définitions  Isolant  Un matériau est dit isolant si les liaisons inter atomes de sa structure sont trop fortes pour autoriser la libération d‘électrons dans la structure.  Comme il n’y a pas d’électrons libres dans la structure, il n’y circule aucun courant.  Résistivité : 4 Bande de valence Bande de conduction Bande interdite (Gap) Ev Ec E 6eV
  • 5. www.geii.eu 5 Conduction  Conducteur  Un matériau est dit conducteur si les atomes de son cristal libère facilement un électron de leur couche périphérique.  L’ensemble des électrons libérés autorise alors la circulation d’un courant dans le cristal.  Résistivité : – Rappel : calcul de résistance d’un fil 5 Bande de valence Bande de conduction Pas de Gap Ev Ec E
  • 6. www.geii.eu 6 Conduction dans un matériau  Semi-conducteur  La structure cristalline de ces matériaux autorise la libération ponctuelle d’électrons lors d’un apport énergétique suffisant : – collisions photoniques, – élévation de la température, – force exercée par un champ électrostatique.  La densité des porteurs libres est beaucoup plus faible que dans un conducteur, d’où le nom de semi-conducteur.  Semi-conducteurs usuels : Silicium (Si), Germanium (Ge), Arséniure de Gallium (AsGa).  Résistivité : 6 Bande de valence Bande de conduction Bande interdite (Gap) Ev Ec E 1.2eV pour Si
  • 7. www.geii.eu 7 Cristal de Silicium  C’est un cristal de type Diamant.  Chaque atome est lié avec 4 atomes voisins  Seul, l’atome Si possède 4 électrons sur sa couche périphérique.  Dans le cristal, il vérifie la règle de l’octet et voit 8 électrons sur sa couche périphérique grâce à ceux des atomes voisins.  Libérés assez facilement, les électrons permettent la circulation d’un courant dans le cristal. 7 a = 2.35A °
  • 8. www.geii.eu 8 Semi-conducteur intrinsèque Représentation à plat  En se libérant, l’électron laisse une place vide sur la couche périphérique de son atome : le trou. Concentration des atomes de Si : environ 1023 atomes/cm3 . 8 Si Si SiSiSiSi Si Si SiSiSiSi Si Si SiSiSiSi Paire électron (noir) - trou (blanc, charge +e)Atome de Si Liaison covalente
  • 9. www.geii.eu 9 Semi-conducteur intrinsèque Précision sur les paires électrons-trous  Origines diverses  Bombardement photonique.  Echauffement du cristal intrinsèque.  Phénomène résultant  L’apport d’énergie permet de briser des liaisons de valence un électron se libère. – Il se retrouve dans la bande de conduction (c’est un e- libre). – Il laisse dans la bande de valence un atome de Si présentant un défaut d’électron  un ion Si+. – La place laissée dans la bande de valence par l’électron libéré est appelée « trou » (charge +q). Concentration des porteurs  n = concentration des électrons libres dans la bande de conduction.  p = concentration des trous libres dans la bande de valence. 9
  • 10. www.geii.eu 10 Semi-conducteur intrinsèque Dans un cristal intrinsèque  n=p=ni où ni désigne la concentration intrinsèque. 𝑛𝑖 = 𝐴. 𝑇 3 2. 𝑒 −𝐸 𝐺 2.𝑘.𝑇  Où : – A est une constante typique du matériau. – T est la température thermodynamique en Kelvin. – k=8,6.10-5 eV/K est la constante de Boltzmann. – EG est la largeur de la bande interdite.  Pour le silicium, ni = 1010 à 300K pour 1023 atomes Soit 1 porteur libre pour 1013 atomes. Ce chiffre explique bien la nature semi-conductrice du Si. 10
  • 11. www.geii.eu 11 Semi-conducteur extrinsèque Utilité du semi-conducteur intrinsèque  Limitée !  Usage :  en thermistance car ni augmente très vite avec la température (sa conductivité augmente avec T).  en photorésistance car on peut faire varier la résistivité du Si en l’éclairant. Semi-conducteur extrinsèque  Semi-conducteur intrinsèque modifié = semi-conducteur extrinsèque = semi-conducteur dopé.  Résistivité d’un semi-conducteur dopé << résistivité du cristal intrinsèque. 11
  • 12. www.geii.eu 12 Semi-conducteur dopé n Principe  On diffuse des atomes du groupe V dans le cristal : Phosphore (P), Arsenic (As), Bismuth.  Dans le cristal de Si, l’atome injecté présente un électron en excès par rapport au reste du cristal.  L’atome dopant, de concentration , est dit donneur et l’électron libre qu’il fournit est le porteur majoritaire du cristal dopé (concentration ). Si l’électron se libère et l’impureté se présente sous la forme d’un ion positif   Les trous libres du cristal intrinsèque sont dits porteurs minoritaires (concentration ).  Echelle des concentrations lorsque : 12
  • 13. www.geii.eu 13 Semi-conducteur dopé n Représentation à plat Représentation simplifiée  Paires électrons-trous du Si  Electron libres du donneur  Donneur = Ion positif 13 Si P SiSiPSi Si Si SiSiSiSi Si Si SiSiSiSi Paire électron (noir) - trou (blanc, minoritaire)Atome de Si Liaison covalente Electron libre majoritaire
  • 14. www.geii.eu 14 Semi-conducteur dopé p Principe  On diffuse des atomes du groupe III dans le cristal : Bore (B), Aluminium (Al), Indium (In).  Dans le cristal de Si, l’atome injecté présente un défaut d’électron par rapport au reste du cristal.  L’atome dopant, de concentration , est dit accepteur et le trou libre qu’il fournit est le porteur majoritaire du cristal dopé (concentration ). Si le trou se libère et l’impureté se présente sous la forme d’un ion négatif   Les électrons libres du cristal intrinsèque sont dits porteurs minoritaires (concentration ).  Echelle des concentrations lorsque : 14
  • 15. www.geii.eu 15 Semi-conducteur dopé p Représentation à plat Représentation simplifiée  Paires électrons-trous du Si  Trous libres du donneur  Accepteur = Ion négatif 15 Si B SiSiBSi Si Si SiSiSiSi Si Si SiSiSiSi Paire électron (noir, minoritaire) - trou (blanc)Atome de Si Liaison covalente Trou libre majoritaire