 Préparation des Semi-Conducteurs pour usage électronique
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Culture et dopage des monocristaux |
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Effet Hall - Préparation des Semi-Conducteurs :
2. - EFFET HALL
L'explication sur la circulation du courant dans un semi-conducteur du type P peut sembler complexe, du fait qu'elle suppose une conduction due à des charges positives. Cependant, le phénomène est justifié par les mesures relatives à l'effet Hall qui mettent en évidence le déplacement de charges positives (trous) dans un semi-conducteur du type P.
L'effet HALL (du nom du savant qui le découvrît), peut être mis en valeur par l'expérience montrée schématiquement figure 6.
Supposons d'abord qu'une tension continue soit appliquée à un bloc conducteur en matière ordinaire à l'aide de deux plaques AA' et BB'. Dans ce cas, le courant traversant ce bloc est formé d'électrons circulant de BB' vers AA'.
Plaçons ensuite le bloc dans un champ magnétique uniforme, créé par un aimant, de façon que les lignes de flux soient perpendiculaires au bloc.
Les électrons circulant dans le bloc sont influencés par le champ magnétique et tendent à se déplacer dans une direction perpendiculaire à celle de leur propre mouvement et des lignes du champ magnétique.
Dans le cas illustré figure 6 où les électrons se dirigent de BB' vers AA' alors que les lignes de force vont du haut (pôle nord) vers le bas (pôle sud), les charges tendent à se déplacer sur la droite de leur mouvement initial. Il en résulte que ces charges (électrons) ne sont plus uniformément réparties dans le bloc, mais se concentrent sur le côté A'B'.
Cette accumulation des électrons produit un effet qui peut être mis en évidence par un voltmètre très sensible. En effet, en branchant l'appareil comme indiqué figure 6, on mesure une différence de potentiel électrique : le côté A'B' est négatif par rapport au côté AB. Cette différence de potentiel provient évidemment de la concentration des électrons du côté A'B'.
L'effet HALL consiste précisément en cette déformation des lignes de courant (flux d'électrons), dans une plaque conductrice sous l'effet d'un champ magnétique perpendiculaire à cette plaque. Cet effet se vérifie encore dans le cas d'un bloc semi-conducteur N, du fait que ce sont les électrons qui forment le flux de courant le plus important.
Par contre, avec un bloc semi-conducteur du type P (figure 7), la tension indiquée par le voltmètre est de polarité opposée à celle que l'on avait avec le bloc conducteur ordinaire ou le semi-conducteur N.
Ce résultat ne peut être expliqué que si l'on admet que les charges mobiles sont positives dans le cas du semi-conducteur du type P.
Elles seront décalées, sous l'action du champ magnétique, vers la gauche du sens de leur défilement qui est contraire à celui des électrons de la figure 6. Cette concentration de trous sur la face A'B' entraîne, elle aussi, une polarité inverse de celle qui était présente dans le cas d'un conducteur ordinaire ou d'un semi-conducteur. Ainsi, on confirme expérimentalement que les trous (charges positives) forment le courant circulant dans les semi-conducteurs du type P.
A l'aide de l'effet HALL, on a également pu mesurer la mobilité des charges dans les deux types de semi-conducteur.
La mobilité exprime, en centimètre par seconde (cm / s), la vitesse des charges qui se déplacent dans un cube de semi-conducteur de 1 cm d'arête lorsque la tension appliquée sur deux faces opposées est de 1 volt.
Cette mesure a permis de déterminer que les électrons ont une mobilité supérieure à celle des trous (encore appelés cavité ou lacune).
La moyenne de vie des trous et des électrons libres est un paramètre important à ne pas négliger ; elle correspond à l'intervalle de temps qui s'écoule entre le moment où dans le semi-conducteur la concentration des trous et des électrons libres subit une variation, et celui où elle revient à la conduction d'équilibre (recombinaison des charges).
3. - LA PRÉPARATION DES SEMI-CONDUCTEURS POUR USAGE ÉLECTRONIQUE
Le germanium et le silicium sont les semi-conducteurs les plus largement utilisés dans la fabrication des composants électroniques.
On trouve le germanium sous forme de sel minéral dans certains types de roche : la houille (ou charbon fossile), les minerais de zinc et de cadmium.
Une grande partie du germanium destinée aux usages électroniques est extraite des sous-produits des transformations industrielles de la blende (minerai de zinc) et du carbone fossile (la houille).
En soumettant à des traitements opportuns les suies du carbone et les scories du minerai de zinc, on obtient un composé du germanium appelé bi-oxyde de germanium. Le bi-oxyde ainsi extrait est loin de posséder la pureté demandée. Il contient en effet de nombreuses traces d'éléments étrangers qu'il convient d'éliminer par des moyens chimiques avant d'extraire le germanium. Le bi-oxyde de germanium purifié est placé dans un creuset qui passe dans un four à atmosphère d'hydrogène et en sortie, on obtient du germanium (figure 8).
Celui-ci a un aspect blanc-argenté, brillant ; il est déjà relativement pur, mais pas assez pour l'utilisation dans l'industrie électronique. Pour obtenir la pureté voulue, on met le germanium dans un creuset de graphite, qui passe lentement dans un four tubulaire spécial, illustré schématiquement figure 9-a.
Le four est constitué d'un long tube de quartz, sur lequel se trouvent des bobines parcourues par un courant très intense de haute fréquence. Ce courant produit à l'intérieur du four un champ magnétique variable particulièrement puissant sous chaque bobine. Ainsi, dans le germanium qui se trouve sous les bobines, il se produit un fort échauffement et une fusion rapide. La fusion du germanium reste limitée aux zones placées sous les bobines. Par conséquent, tandis que le creuset avance lentement d'une extrémité à l'autre du four, les zones en fusion se déplacent dans le germanium dans le sens opposé à celui du creuset.
Le front de solidification qui avance de gauche à droite (figue 9-b) en suivant la zone en fusion, peut se comparer à un filtre poreux qui laisse passer le germanium, et maintient les impuretés dissoutes dans la zone fondue.
L'opération se répète sous chaque bobine, et à la sortie du four, on obtient un germanium d'un haut degré de pureté.
Comme le germanium, le silicium destiné à des usages électroniques doit être très pur. Normalement, le silicium est extrait du bi-oxyde de silicium en portant un mélange sable-charbon à une température de 3 000°C.
Le silicium que l'on obtient par ce procédé contient 2 à 3 % d'impuretés, alors que pour l'utilisation en électronique cette valeur doit être inférieur à 0,05 %.
On peut obtenir un certain degré de pureté en traitant chimiquement le silicium avec différents acides.
Depuis quelques temps, on obtient cependant de meilleurs résultats à partir du traitement chimique d'un sel de silicium au lieu du sable.
Pour le raffinage physique des cristaux de silicium, on utilise une variante de la méthode illustrée figure 9-a.
La barrette de silicium est placée dans la position vertical au centre d'un four tubulaire HF.
Le long de la paroi externe du four, on fait descendre une spire parcourue par un courant HF intense. En correspondance avec cette spire, on forme dans le silicium une zone fondue qui se déplace dans la barrette d'une extrémité à l'autre. L'action filtrante s'exerce ainsi de la même façon que celle décrite pour le germanium (figure 9-b).
Le procédé est répété plusieurs fois afin d'obtenir le degré de pureté nécessaire.
4. - CULTURE ET DOPAGE DES MONOCRISTAUX
Après le raffinage, le semi-conducteur se présente sous forme d'un agrégat solide, constitué par d'innombrables cristaux, très petits et disposés dans tous les sens.
Le semi-conducteur ainsi formé, bien qu'étant très pur, n'est pas encore utilisable pour la réalisation des diodes et des transistors. Pour ces composants, il faut transformer l'agrégat en monocristal, c'est-à-dire en un unique et grand cristal. La figure 10 illustre deux méthodes de formation des monocristaux de germanium.
La première méthode (figure 10-a) constitue une nouvelle application du four HF (Haute Fréquence) et de la zone mobile en fusion.
La barrette de germanium obtenue à la fin du raffinage est placée dans un creuset de quartz avec un monocristal de germanium appelé semence et une couche de graphite. Le creuset avance lentement dans le four de façon à ce que la zone en fusion se déplace régulièrement d'un bout à l'autre de la barrette.
La partie fondue se solidifie sous forme d'un unique cristal orienté selon le réticule cristallin de la semence.
Pendant la formation du monocristal, on introduit des quantités rigoureusement dosées de substances étrangères, afin de transformer le semi-conducteur intrinsèque en semi-conducteur de type P ou N.
Les substances les plus fréquemment utilisées pour former les semi-conducteurs de type P sont l'indium, l'aluminium et le gallium. Pour les semi-conducteurs de type N, on utilise l'arsenic, le phosphore et l'antimoine.
Pour la formation du monocristal, on peut également procéder selon la méthode illustrée figure 10-b. L'installation comprend essentiellement un réchauffeur, un creuset et un arbre de soulèvement.
Dans le creuset, on fait fondre le germanium et les matériaux d'impureté nécessaires à la réalisation des types P ou N. Initialement, la semence est placée à la partie inférieure de l'arbre de soulèvement, et adhère ainsi par la suite à la surface du germanium en fusion contenu dans le creuset.
En réglant la température, on peut obtenir que le germanium commence à se cristalliser au point de contact avec la semence. A ce moment, l'arbre de soulèvement remonte très lentement de façon à ce que le cristal en formation continue à croître.
En général à la fin de cette étape, le monocristal se présente sous forme de lingot cylindrique. Celui-ci, après quelques contrôles concernant la parfaite distribution des impuretés, est taillé en lamelles très fines appelées pastilles (figure 11-a). Ces pastilles sont aplanies sur les deux faces, polies avec des solvants, puis découpées en plaquettes (figure 11-b).
Une autre méthode d'accroissement d'un cristal largement diffusée est celui de la croissance épit-axiale (figure 12).
Cette technique permet de déposer à la surface d'un produit cristallin un autre produit qui lui est apporté sous forme de vapeur. La couche déposée à la surface du produit dite, couche épitaxiale, a le même dopage que le produit vaporisé.
La croissance cristalline épit-axiale permet d'obtenir la formation de très fines couches mono cristallines d'une épaisseur de l'ordre du micron (millième de millimètre).
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