Comment fonctionnent les semi-conducteurs
La technologie moderne est rendue possible par une classe de matériaux appelés semi-conducteurs. Tous les composants actifs, circuits intégrés, micropuces, transistors et de nombreux capteurs sont fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs.
Bien que le silicium soit le matériau semi-conducteur le plus largement utilisé en électronique, une gamme de semi-conducteurs est également utilisée, notamment le germanium, l’arséniure de gallium, le carbure de silicium et les semi-conducteurs organiques. Chaque matériau offre des avantages tels que le rapport coût-performance, le fonctionnement à grande vitesse, la résistance aux hautes températures ou la réponse souhaitée à un signal.
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semi-conducteur
Les semi-conducteurs sont utiles car les ingénieurs contrôlent les propriétés et le comportement électriques pendant la fabrication. Les propriétés des semi-conducteurs sont contrôlées en ajoutant de petites quantités d’impuretés au semi-conducteur par un processus appelé dopage. Différentes impuretés et concentrations auront des effets différents. En contrôlant le dopage, vous pouvez contrôler la façon dont le courant circule à travers le semi-conducteur.
Dans un conducteur typique tel que le cuivre, les électrons transportent le courant et agissent comme porteurs de charge. Dans les semi-conducteurs, les électrons et les trous (sans électrons) agissent comme porteurs de charge. En contrôlant le dopage du semi-conducteur, la conductivité et les porteurs de charge sont réglés pour être basés sur des électrons ou des trous.
Il existe deux types de dopage :
- Les dopants de type N, généralement du phosphore ou de l’arsenic, ont cinq électrons qui, lorsqu’ils sont ajoutés à un semi-conducteur, fournissent un électron libre supplémentaire. Les matériaux ainsi dopés sont dits de type N car les électrons sont chargés négativement.
- Les dopants de type P, tels que le bore et le gallium, ont trois électrons, ce qui entraîne l’absence d’électrons dans le cristal semi-conducteur. Cela crée un trou ou une charge positive, d’où le nom de type P.
Les dopants de type N et de type P, même à l’état de traces, font des semi-conducteurs de bons conducteurs. Cependant, les semi-conducteurs de type N et de type P ne sont pas des conducteurs spéciaux, juste décents. Lorsque ces types se touchent, formant une jonction PN, le semi-conducteur acquiert des comportements différents et utiles.
Diode de jonction PN
Contrairement à tous les matériaux, une jonction PN n’agit pas comme un conducteur. Au lieu de permettre au courant de circuler dans les deux sens, une jonction PN permet au courant de circuler dans un seul sens, formant une diode de base.
L’application d’une tension aux bornes de la jonction PN dans le sens direct (polarisation directe) aide les électrons de la région de type N à se combiner avec les trous de la région de type P. Essayer d’inverser (polarisation inverse) le courant à travers la diode force les électrons et les trous à s’écarter, empêchant le courant de circuler à travers la jonction. La combinaison de jonctions PN d’autres manières ouvre la porte à d’autres composants semi-conducteurs, tels que les transistors.
transistor
Le transistor de base est constitué d’une combinaison de jonction de trois matériaux de type N et de type P au lieu des deux matériaux utilisés dans les diodes. La combinaison de ces matériaux produit des transistors NPN et PNP, appelés transistors à jonction bipolaire (BJT). La région centrale ou de base BJT permet au transistor d’agir comme un commutateur ou un amplificateur.
Les transistors NPN et PNP ressemblent à deux diodes placées dos à dos, bloquant tout flux de courant dans les deux sens. Lorsque la couche centrale est polarisée en direct de sorte qu’un petit courant circule à travers la couche centrale, les caractéristiques de la diode formée par la couche centrale changent, permettant à des courants plus importants de circuler à travers l’ensemble du dispositif. Ce comportement permet aux transistors d’amplifier de petits courants et d’agir comme des interrupteurs qui allument ou éteignent les sources de courant.
De nombreux types de transistors et autres dispositifs à semi-conducteurs sont créés en combinant des jonctions PN de différentes manières, des transistors à fonctions spéciales avancées aux diodes contrôlées. Voici quelques composants soigneusement assemblés à partir de jonctions PN :
- DIAC
- diode laser
- Diodes électroluminescentes (DEL)
- Diode Zener
- Transistor Darlington
- Transistors à effet de champ (y compris les MOSFET)
- Transistor IGBT
- Redresseur contrôlé au silicium
- circuit intégré
- microprocesseur
- Mémoire numérique (RAM et ROM)
capteur
Outre le contrôle du courant que permettent les semi-conducteurs, les semi-conducteurs ont également des propriétés qui en font des capteurs efficaces. Ceux-ci peuvent être sensibles aux changements de température, de pression et de lumière. Le changement de résistance est le type de réponse le plus courant pour les capteurs à semi-conducteurs.
Les types de capteurs rendus possibles par les propriétés des semi-conducteurs comprennent :
- Capteurs à effet Hall (capteurs de champ magnétique)
- Thermistor (capteur de température résistif)
- CCD/CMOS (capteur d’images)
- Photodiode (capteur de lumière)
- Photorésistance (capteur de lumière)
- Piézorésistif (capteur de pression/contrainte)
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