Cela signifie que plus la couche est rapprochée du noyau, plus il faut d'énergie pour lui arracher un électron.

C'est la dernière couche, ou couche extérieure dite de valence, qui nous intéresse car c'est elle qui permet les liaisons avec les atomes voisins autorisant ainsi la constitution de la molécule. D'autre part, c'est sur cette couche que l'on pourra tricher en ajoutant ou retranchant un électron.

La charge électrique d'un atome est neutre. On peut rompre cet équilibre en lui retranchant un électron de sa couche périphérique. La charge restante devient positive. On dit que l'atome est ionisé positivement et il prend le nom de cation.

Dans le cas contraire, si on ajoute un électron à la couche de valence, l'atome est ionisé négativement. Il prend le nom d'anion.

1. 2. - CONDUCTION INTRINSÈQUE

L'atome de silicium possède sur sa couche périphérique, ou couche de valence, 4 électrons. Ceux-ci permettent la liaison avec 4 atomes voisins.

A la température du zéro absolu, toutes ces liaisons sont stables et le matériau peut être considéré comme isolant.

Pour arracher un électron de son orbite, il faut le soumettre à une force plus importante que celle qui le lie à son noyau.

Cette force peut être la résultante d'un champ électrique créé par une tension, ou une élévation de température dont les effets se manifestent par des vibrations moléculaires. Ces vibrations se traduisent par l'application d'un système de forces sur les électrons dont la résultante peut suffire à arracher ceux-ci de leur orbite.

A la température de 20° C, le réseau cristallin du silicium est le siège d'une agitation thermique importante.

Des électrons sont alors arrachés de leurs orbites et, dans leurs cheminements, ils se recombinent avec des atomes ionisés positivement (c'est-à-dire des cations ou atomes ayant perdu précédemment un électron).

La quantité d'électrons libres est toujours égale à la quantité de "trous" prêts à accepter un électron, car la formation d'un trou est la conséquence du départ d'un électron.

Une augmentation de température entraîne la formation d'une quantité encore plus grande de paires "électrons / trous".

La mobilité de celles-ci conditionne la densité du courant circulant dans le matériau (le courant électrique est un déplacement d'électrons).

On constate, pour les semi-conducteurs, que lorsque la température augmente, la conductibilité fait de même.

Dans le germanium, cette augmentation est plus importante, car la force nécessaire pour arracher un électron de son orbite est plus faible que pour le silicium.

1.3. - CONDUCTION EXTRINSÈQUE

Si, dans le réseau cristallin du silicium, on introduit, en quantité suffisamment faible pour ne pas modifier celui-ci, un corps dont les atomes possèdent 5 électrons sur leur couche périphérique, ces atomes d'impuretés entrent dans le maillage du réseau cristallin, en imbriquant 4 électrons de leur couche de valence avec 4 atomes adjacents de silicium. Dans cette organisation, le cinquième électron est en "excès". A la température de 20° C, l'agitation thermique arrache cet électron de son orbite. Ainsi, l'atome d'impureté devient ionisé positivement (cation), puisqu'il perd une charge négative, l'électron.

Toutefois, ces charges opposées étant contenues dans le même volume, la charge résultante est nulle.

L'agitation thermique agit sur les atomes de silicium, la conduction intrinsèque existe toujours, mais la présence d'électrons en surnombre (due aux impuretés) aura tendance à recombiner d'autant plus vite le nombre d'atomes de silicium ayant perdu un électron, afin de reconstituer le maillage.

Il ne restera finalement que peu de liaisons manquantes dans le réseau. Ces manques sont en infériorité numérique par rapport aux électrons libres. Ils sont porteurs d'une charge positive. Pour rétablir leur équilibre, ils doivent accepter un électron.

Dans ce type de matériau, ils sont les porteurs minoritaires ou accepteurs (ce sont les trous).

Par opposition, les atomes d'impureté ayant libéré un électron sont appelés des donneurs. Ces électrons, en plus grand nombre que les trous, sont dits majoritaires et puisqu'ils sont porteurs d'une charge électrique (négative), on les appellera : les porteurs majoritaires.

Cette opération, qui consiste à injecter des impuretés dans le silicium (ou dans le germanium), prend le nom de : dopage.

Le résultat du dopage que nous venons de décrire se nomme :

      La conductibilité de type N, dans laquelle les porteurs majoritaires sont les électrons, les porteurs minoritaires, les trous.

Un raisonnement parallèle peut être tenu en injectant des atomes d'impureté trivalents (3 électrons sur la couche périphérique de valence), dans le réseau cristallin du silicium. Dans ce cas, chaque atome d'impureté s'associe avec 4 atomes adjacents de silicium, mais un électron, dans ce maillage, est manquant. Ceci constitue une place, ou trou, susceptible de recevoir un électron.

L'agitation thermique, conduisant à la conduction intrinsèque, fournit l'électron à cette place vacante, afin de reconstituer le maillage, créant ainsi un atome ionisé négativement (anion).

Il s'ensuit que les électrons libres, dans ce cas, sont en infériorité numérique par rapport aux trous, ils prendront l'appellation de porteurs minoritaires. Les atomes les ayant libérés sont les donneurs (qui après cette opération deviennent ionisés positivement, ce sont des cations).

Les trous, avec ce type de dopage, étant majoritaires, prennent le nom de porteurs majoritaires, et les atomes auxquels ils appartiennent sont les accepteurs.

Les atomes d'impureté injectés sont électriquement neutres. Quand ils captent un électron supplémentaire, ils se chargent négativement, mais cette charge est compensée par la création d'une autre, de signe opposé, due au départ de cet électron d'un atome voisin.

L'ensemble reste électriquement neutre. Ce dopage permet d'obtenir :

En résumé, les matériaux de conductibilité N ou P sont électriquement neutres.

       Dans le matériau P, tout se passe comme si on avait injecté des trous ou porteurs majoritaires. Quelques électrons libres subsistent, dûs à l'agitation thermique, ce sont les porteurs minoritaires.

Il faut souligner, pour ce qui va suivre, que les trous ne se déplacent pas dans le réseau cristallin. Seuls, les électrons qui sont des éléments matériels, se déplacent.

La conséquence du départ d'un électron est une lacune ou trou à l'emplacement qu'il occupait précédemment. Il y a donc circulation d'électrons dans un sens et l'apparence d'un déplacement de trous en sens inverse.

Dans les descriptions faites, nous avons parlé de liaisons entre atomes. Il existe plusieurs manières pour les atomes de se lier les uns avec les autres. Dans le cas présent, il s'agit de liaisons covalentes (ou liaisons de valence).

1. 4. - LA JONCTION   N. P.

Nous avons fait la connaissance de deux types de conductibilité :

• le type N

• le type P

Si on associe, côte à côte, un matériau de type N avec un matériau de type P, nous effectuons une jonction.

Celle-ci désigne la mince zone dans laquelle la conductibilité passe du type N au type P (ou l'inverse).

Examinons ce qui se passe au niveau de cette jonction dans les cas suivants :

1. - sans polarisation

2. - avec polarisation inverse

3. - avec polarisation directe

1. 4. 1. - JONCTION NON POLARISÉE   (figure 1 bis)

Dans la figure 1 bis ainsi que dans les figures 2 et 3 qui suivent, un certain nombre de signes ont été employés et que nous allons détailler à présent :

Matériau N

- atome pentavalent d'impureté, injecté dans le silicium. Avec l'agitation, celui-ci devient :

- un électron libre.

- un cation entrant dans le maillage. Sur les dessins, pour plus de clarté, seuls les électrons libres et les cations seront représentés.

Matériau P

- atome trivalent d'impureté, injecté dans le silicium. Avec l'agitation thermique, il capte l'électron manquant pour entrer dans le maillage et devient :

- anion entrant dans le maillage

Dans les deux matériaux, nous trouvons également :

- atome de silicium du maillage ayant perdu un électron par agitation thermique

- électron libre échappé de l'atome de silicium.

      a) - Le courant de diffusion

Les électrons porteurs majoritaires de la zone N, diffusent dans la zone P où ils se recombinent avec les porteurs majoritaires de cette zone, en prenant place dans les trous.

Il y a déséquilibre des charges électriques, en effet, dans la zone N, les électrons ayant disparu, la charge des donneurs ou ions positifs (cations) n'est plus contre-balancée et cette zone devient positive.

L'apport d'électrons dans les lacunes de la zone P modifie l'équilibre électrique de cette zone avec apparition d'ions négatifs (anions).

Le déplacement d'électrons de la zone N vers la zone P se nomme : courant de diffusion.

Il s'accompagne d'une charge d'espace positive du côté du matériau N et d'une charge égale mais de signe contraire du côté du matériau P. Celles-ci créent un champ électrique e.   

      b) - Courant de conduction

L'effet de ce champ électrique e va forcer les électrons porteurs minoritaires de la zone P, à circuler vers les lacunes ou porteurs minoritaires de la zone N, tendant à contre-balancer les charges perdues par courant de diffusion.

Un courant d'électrons s'établit de la zone P vers la zone N. Celui-ci est dû, dans ce cas, aux porteurs minoritaires de ces zones.

La jonction est le siège de deux courants égaux mais opposés. Il ne circule aucun courant dans le circuit extérieur.

La zone dans laquelle prend naissance le champ électrique e se nomme :

      c) - Barrière de potentiel

Dans cette zone, la concentration en porteurs devient identique à celle de la conduction intrinsèque (à température égale).

1. 4. 2. - JONCTION POLARISÉE DANS LE SENS INVERSE  (figure 2)

Appliquons maintenant le pôle négatif d'une pile sur l'électrode du matériau P et le pôle positif sur le matériau N.

Le champ électrique créé par l'application de la tension de cette pile est de même sens que le champ électrique e de la barrière de potentiel.

Ces deux champs s'additionnent et favorisent la circulation d'électrons ou porteurs minoritaires du courant de conduction. De plus, les électrons libres de la zone N et les porteurs majoritaires de la zone P (les trous) sous l'effet de ce champ, vont s'écarter de la jonction.

Il s'ensuit que la concentration en cations de la zone N et anions de la zone P va augmenter près de la jonction.

La barrière de potentiel est élargie et la circulation d'électrons, porteurs majoritaires, est déficitaire par rapport à celle des porteurs minoritaires, d'autant que le champ e augmente. Une limitation de ce courant s'établit car le départ des électrons de la zone P et leur arrivée dans la zone N, créent une charge d'espace qui limite ce courant en contrecarrant l'augmentation de e.

Il circule donc un faible courant dans le circuit extérieur. A température constante, pour une augmentation de la tension de la pile donc une augmentation de E, le courant reste pratiquement constant car il est dû aux porteurs minoritaires issus de l'agitation thermique.

Au delà d'un certain seuil, on constate que le courant augmente de façon brutale.

L'augmentation du champ E confère aux électrons du courant de conduction une vitesse telle que leur énergie cinétique atteint une valeur suffisante pour, qu'en cas de choc, avec un atome rencontré sur leur trajectoire, elle arrache un électron de celui-ci créant ainsi une augmentation d'électrons libres. Ces électrons s'ajoutent aux premiers et l'effet devient cumulatif.

Ce phénomène prend le nom d'effet d'avalanche. Il est utilisé pour certains dispositifs comme les diodes zener.

Dans une jonction qui n'est pas réalisée pour cet effet, celui-ci entraîne la destruction irrémédiable de la jonction par claquage.

La tension qui crée le champ électrique E pour lequel le phénomène se produit prend le nom de :

      - tension de claquage inverse ou tension d'avalanche.

En deçà de cette tension, si on augmente la température, à tension constante, l'agitation thermique augmente et le courant des porteurs minoritaires fait de même. Donc le courant inverse augmente. C'est un fait important dont il faudra se souvenir. Nous en reparlerons par la suite dans les paragraphes consacrés à la diode et au transistor.

      La tension de claquage est appelée : VRM

         (R = reverse = inverse ; M = maximum)

      - Le courant de conduction dû aux porteurs minoritaires, la jonction étant polarisée en inverse, est appelé : IR (R = reverse = inverse).

1. 4. 3. - JONCTION POLARISÉE DANS LE SENS DIRECT  (figure 3)

A une faible valeur de la tension correspond un faible champ électrique E, dirigé en sens inverse du champ e. 

Ces deux champs s'opposent et le résultat est une diminution de e.

Celui-ci étant à l'origine du courant de conduction (porteurs minoritaires de la zone P), nous constatons une diminution proportionnelle de ce courant. Par conséquent, le courant de diffusion (porteurs majoritaires de la zone N) va devenir prépondérant et un faible courant va circuler dans le circuit extérieur.

Le départ des électrons de la zone N tend à créer un déséquilibre de charge dans ce matériau immédiatement rétablit par la pile, qui en injecte une quantité égale.

De même, l'arrivée de ces électrons dans la zone P tend à créer un déséquilibre dans ce matériau (de signe opposé au précédent), mais la polarité positive de la pile appliquée de ce côté, aspire les charges négatives en excès, rétablissant l'équilibre.

L'augmentation progressive de la tension, ne conduit pas à une augmentation sensible du courant dans le circuit extérieur. Cependant, lorsque l'on atteint un certain seuil, dont la valeur reste faible malgré tout, on constate une brusque augmentation du courant.

Le champ électrique résultant, confère aux électrons porteurs majoritaires de la zone N (courant de diffusion), une énergie suffisante pour qu'ils traversent en grand nombre, la barrière de potentiel, dont la largeur est maintenant très réduite.

La pile compense le départ des électrons de la zone N et favorise l'arrivée de ceux-ci dans la zone P.

La circulation du courant est bien établie et pour une faible augmentation de la tension, on constate une grande augmentation du courant.

A cette valeur de champ électrique E, qui conditionne la nette augmentation de courant, correspond une tension que l'on nomme :

VD ou VF  -  (F = forward   =  direct).

Le courant qui circule dans le circuit extérieur et qui correspond à la polarisation dans le sens direct (ou passant) se nomme :

ID ou IF  -  (courant direct)

La température a peu d'influence sur ce courant ; seule la tension de seuil est affectée, nous verrons de quelle manière en observant les caractéristiques de la diode.

Maintenant que vous êtes familiarisé avec la notion de jonction, il faut donner un ordre de grandeur aux valeurs physiques dont il a été question. De plus, les principes décrits, concernant les différentes conductions, sont schématisés afin d'en permettre une approche suffisante pour notre utilisation.

Il a été surtout question du silicium, car il est désormais le matériau semi-conducteur le plus répandu (le principe reste identique avec le germanium).

Il faut savoir que l'atome de germanium possède un noyau constitué de 32 protons, de charge électrique + e et de neutron (41) de charge électrique neutre.

L'atome, en général, étant électriquement neutre, celui du germanium possède 32 protons et a également 32 électrons de charge électrique - e.

Ceux-ci gravitent sur 4 couches, ou orbites, autour du noyau.

Si l'on affecte à ces couches un numéro, la plus proche du noyau étant la première, le nombre maximum d'électrons pouvant graviter sur ces couches est donné par la formule :

N  =  2 n²

Avec N = nombre d'électrons sur la couche n.

n = numéro de la couche considérée.

Ainsi, le germanium possède : 2 électrons sur la première couche, 8 sur la seconde, 18 sur la troisième et seulement 4 sur la quatrième (qui pourrait en accepter 32).

L'atome de silicium est constitué, quant à lui, de :

• 14 protons de charge électrique + e

• 14 neutrons.

Autour de ce noyau, gravitent 14 électrons de charge - e. Les deux premières couches sont complètes, la troisième en contient 4 (alors qu'elle pourrait en accepter 18). Voir figure 1.

Ces deux atomes possèdent un même nombre d'électrons sur la couche périphérique, mais le silicium a une couche de moins.

Il faut préciser que plus un électron se trouve sur une couche éloignée du noyau, plus la force nécessaire pour l'en arracher est faible (à température égale) ; ce qui se traduit par une force mesurée en électron-volt (eV) de l'ordre de 36 % plus faible pour le germanium que pour le silicium à la température de 27° C.

Dans la jonction polarisée en inverse, le courant IR (dû aux porteurs minoritaires de l'agitation thermique) sera plus important dans le cas du germanium et, toute augmentation de la température, tendra à accroître ce courant dans des proportions plus grandes que pour le silicium.

C'est une raison supplémentaire pour le choix de ce matériau, car dans le cas de la diode (dont nous parlerons plus loin), ce courant est en quelque sorte un défaut.

Il a aussi été question de dopage, ou d'injection d'atomes "d'impureté".

Dans la conduction de type P, ces atomes sont trivalents, c'est-à-dire qu'ils possèdent 3 électrons sur leur couche périphérique. Ces atomes sont ceux : du bore (B), du gallium (Ga), de l'aluminium (Al) ou de l'indium (In).

Dans la conduction de type N, il s'agit d'atomes pentavalents (5 électrons sur la couche périphérique) qui sont : le phosphore (P), l'arsenic (As) ou l'antimoine (Sb).

La proportion reste très faible et de l'ordre de quelques atomes de ces corps pour des millions d'atomes de silicium. Cette proportion peut-être variable comme nous le verrons plus tard afin de favoriser certains phénomènes.

D'autre part, nous avons considéré ce matériau (le silicium) comme étant pur, ce qui, dans la réalité, n'est pas le cas. Dans la fabrication des semi-conducteurs, on s'efforcera d'affiner la matériau au mieux, afin qu'il ne contienne, comme impuretés, que celles qu'on lui injecte.

Nous avons parlé de largeur de la barrière de potentiel, il faut savoir qu'elle est d'environ 1 micromètre appelé plus couramment micron (1 micron = 1 µm = 10^-6 mètre), ce qui est déjà beaucoup à l'échelle atomique. La distance entre deux atomes de silicium est de l'ordre de 10^-10 mètre (soit 1 Å = 1 angström).

Il convient aussi de dire que si l'agitation thermique favorise le départ des électrons de leurs orbites, ceux-ci ne restent pas indéfiniment libres. Au cours de leur trajet, ils rencontrent une place laissée libre, par le départ d'un précédent, donc subissent une attraction car la charge électrique de cet atome est rompue (c'est un cation donc chargé positivement) et il y a capture.

C'est ce que l'on appelle : la durée de vie de l'électron libre avant sa recombinaison au sein d'un autre atome (ou plutôt cation).

Il est bon de préciser qu'un atome d'impureté pentavalent, injecté dans le silicium et entrant dans le maillage, aura tendance à perdre plus facilement son cinquième électron, par agitation thermique, car celui-ci n'entre pas dans le maillage.

Par contre, un atome de silicium (ionisé positivement par agitation thermique) ou un atome d'impureté trivalent faisant partie du maillage, attirera de façon plus sensible son électron manquant.

Il y aurait beaucoup à dire sur tous ces phénomènes, mais ceux-ci font l'objet d'études très poussées de la part de spécialistes et dépassent largement le cadre de cette première leçon.

La figure 4 indique les symboles des différentes jonctions que l'on peut rencontrer dans les dispositifs semi-conducteurs.

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