Qu'est-ce qu'un semi-conducteur

Outre les conducteurs d'électricité, il existe de nombreuses substances dans la nature qui ont une conductivité électrique nettement inférieure à celle des conducteurs métalliques. Les substances de ce type sont appelées semi-conducteurs.

Les semi-conducteurs comprennent : certains éléments chimiques tels que le sélénium, le silicium et le germanium, les composés soufrés tels que le sulfure de thallium, le sulfure de cadmium, le sulfure d'argent, les carbures tels que le carborundum, le carbone (diamant), le bore, l'étain, le phosphore, l'antimoine, l'arsenic, le tellure, l'iode , et un certain nombre de composés qui comprennent au moins un des éléments du groupe 4 - 7 du système de Mendeleïev. Il existe également des semi-conducteurs organiques.

La nature de la conductivité électrique du semi-conducteur dépend du type d'impuretés présentes dans le matériau de base du semi-conducteur et de la technologie de fabrication de ses éléments constitutifs.

Semi-conducteur — substance avec conductivité électrique 10-10 — 104 (ohm x cm)-1 situé par ces propriétés entre le conducteur et l'isolant.La différence entre les conducteurs, les semi-conducteurs et les isolants selon la théorie des bandes est la suivante : dans les semi-conducteurs purs et les isolants électroniques, il existe une bande d'énergie interdite entre la bande remplie (de valence) et la bande de conduction.

Pourquoi les semi-conducteurs conduisent le courant

Un semi-conducteur a une conductivité électronique si les électrons externes de ses atomes d'impuretés sont relativement faiblement liés aux noyaux de ces atomes. Si un champ électrique est créé dans ce type de semi-conducteur, sous l'influence des forces de ce champ, les électrons externes des atomes d'impuretés du semi-conducteur quitteront les limites de leurs atomes et deviendront des électrons libres.

Les électrons libres vont créer un courant de conduction électrique dans le semi-conducteur sous l'influence des forces du champ électrique. Par conséquent, la nature du courant électrique dans les semi-conducteurs électriquement conducteurs est la même que dans les conducteurs métalliques. Mais comme il y a plusieurs fois moins d'électrons libres par unité de volume d'un semi-conducteur que par unité de volume d'un conducteur métallique, il est naturel que, toutes autres conditions étant les mêmes, le courant dans un semi-conducteur soit plusieurs fois plus faible que dans un conducteur métallique. conducteur.

Un semi-conducteur a une conductivité "trouée" si les atomes de son impureté non seulement ne cèdent pas leurs électrons externes, mais, au contraire, ont tendance à capter les électrons des atomes de la substance principale du semi-conducteur. Si un atome d'impureté enlève un électron à un atome de la substance principale, alors dans ce dernier se forme une sorte d'espace libre pour un électron - un "trou".

Un atome semi-conducteur qui a perdu un électron est appelé un "trou d'électron" ou simplement un "trou".Si le "trou" est rempli d'un électron transféré d'un atome voisin, alors il est éliminé et l'atome devient électriquement neutre, et le "trou" se déplace vers l'atome voisin qui a perdu un électron. Ainsi, si un champ électrique est appliqué à un semi-conducteur à conduction « trouée », les « trous électroniques » vont se déplacer dans la direction de ce champ.

La polarisation des «trous d'électrons» dans le sens d'action d'un champ électrique est similaire au mouvement des charges électriques positives dans un champ et est donc un phénomène de courant électrique dans un semi-conducteur.

Les semi-conducteurs ne peuvent pas être strictement différenciés selon le mécanisme de leur conductivité électrique, car avec la conductivité "Trou", ce semi-conducteur peut avoir une conductivité électronique à un degré ou à un autre.

Les semi-conducteurs se caractérisent par :

• type de conductivité (électronique - type n, trou -p -type);

• résistance;

• durée de vie des porteurs de charge (minoritaire) ou durée de diffusion, taux de recombinaison en surface ;

• densité de luxation.

Voir également: Caractéristiques courant-tension des semi-conducteurs Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus courant

La température a des êtres qui affectent les caractéristiques des semi-conducteurs. Son augmentation entraîne principalement une diminution de la résistance et vice versa, c'est-à-dire les semi-conducteurs se caractérisent par la présence de coefficient de température de résistance… Proche du zéro absolu, le semi-conducteur devient un isolant.

De nombreux dispositifs sont basés sur des semi-conducteurs. Dans la plupart des cas, ils doivent être obtenus sous forme de monocristaux.Pour donner les propriétés souhaitées, les semi-conducteurs sont dopés avec diverses impuretés. Des exigences accrues sont imposées sur la pureté des matériaux semi-conducteurs de départ.

Dispositifs semi-conducteurs

Traitement thermique des semi-conducteurs

Traitement thermique d'un semi-conducteur - chauffage et refroidissement d'un semi-conducteur selon un programme donné afin de modifier ses propriétés électrophysiques.

Modifications : modification cristalline, densité de dislocations, concentration de lacunes ou de défauts structuraux, type de conductivité, concentration, mobilité et durée de vie des porteurs de charge. Les quatre derniers, en outre, peuvent être liés à l'interaction des impuretés et des défauts structuraux ou à la diffusion des impuretés dans la masse des cristaux.

Le chauffage des échantillons de germanium à une température> 550 ° C suivi d'un refroidissement rapide entraîne l'apparition d'accepteurs thermiques à des concentrations plus la température est élevée. Un recuit ultérieur à la même température restaure la résistance initiale.

Le mécanisme probable de ce phénomène est la dissolution du cuivre dans le réseau de germanium qui diffuse depuis la surface ou s'est préalablement déposé sur des dislocations. Un recuit lent provoque le dépôt de cuivre sur les défauts structurels et la sortie du réseau. L'apparition de nouveaux défauts structurels lors d'un refroidissement rapide est également possible. Les deux mécanismes peuvent réduire la durée de vie, ce qui a été établi expérimentalement.

Dans le silicium à des températures de 350 — 500°, la formation de donneurs thermiques se produit à des concentrations d'autant plus élevées que l'oxygène est dissous dans le silicium lors de la croissance cristalline. À des températures plus élevées, les donneurs de chaleur sont détruits.

Le chauffage à des températures comprises entre 700 et 1300 ° réduit considérablement la durée de vie des porteurs de charge minoritaires (à > 1000 °, le rôle décisif est joué par la diffusion des impuretés de la surface). Le chauffage du silicium à 1000-1300 ° affecte l'absorption optique et la diffusion de la lumière.

Application des semi-conducteurs

Dans les technologies modernes, les semi-conducteurs ont trouvé l'application la plus large ; ils ont eu un impact très fort sur le progrès technologique. Grâce à eux, il est possible de réduire considérablement le poids et les dimensions des appareils électroniques. Le développement de tous les domaines de l'électronique conduit à la création et à l'amélioration d'un grand nombre d'équipements divers basés sur des dispositifs à semi-conducteurs. Les dispositifs semi-conducteurs servent de base aux microcellules, micromodules, circuits durs, etc.

Les dispositifs électroniques basés sur des dispositifs semi-conducteurs sont pratiquement sans inertie. Un dispositif semi-conducteur soigneusement construit et bien scellé peut durer des dizaines de milliers d'heures. Cependant, certains matériaux semi-conducteurs ont une faible limite de température (par exemple, le germanium), mais une compensation de température peu difficile ou le remplacement du matériau de base du dispositif par un autre (par exemple, le silicium, le carbure de silicium) élimine largement cet inconvénient. de la technologie de fabrication de dispositifs semi-conducteurs se traduit par une réduction de la dispersion et de l'instabilité des paramètres encore existants.

Semi-conducteurs en électronique

Le contact semi-conducteur-métal et la jonction électron-trou (jonction n-p) créés dans les semi-conducteurs sont utilisés dans la fabrication de diodes semi-conductrices.Doubles jonctions (p-n-p ou n-R-n) — transistors et thyristors. Ces appareils sont principalement utilisés pour redresser, générer et amplifier des signaux électriques.

Les propriétés photoélectriques des semi-conducteurs sont utilisées pour créer des photorésistances, des photodiodes et des phototransistors. Le semi-conducteur sert de partie active des oscillateurs (amplificateurs) d'oscillations lasers à semi-conducteurs… Lorsqu'un courant électrique traverse la jonction pn dans le sens direct, les porteurs de charge - électrons et trous - se recombinent avec l'émission de photons, qui est utilisée pour créer des LED.

LED

Les propriétés thermoélectriques des semi-conducteurs ont permis de créer des résistances thermoélectriques semi-conductrices, des thermocouples semi-conducteurs, des thermocouples et des générateurs thermoélectriques et un refroidissement thermoélectrique des semi-conducteurs basé sur l'effet Peltier, — des réfrigérateurs thermoélectriques et des thermostabilisateurs.

Les semi-conducteurs sont utilisés dans les convertisseurs mécaniques de chaleur et d'énergie solaire dans les générateurs électriques — thermoélectriques et les convertisseurs photoélectriques (cellules solaires).

La contrainte mécanique appliquée à un semi-conducteur modifie sa résistance électrique (l'effet est plus fort que pour les métaux), qui est à la base de la jauge de contrainte du semi-conducteur.

Les dispositifs semi-conducteurs se sont répandus dans la pratique mondiale, révolutionnant l'électronique, ils servent de base au développement et à la production de :

• appareils de mesure, ordinateurs,

• des équipements pour tous types de communications et de transports,

• pour l'automatisation des processus industriels,

• appareils de recherche,

• fusée,

• équipement médical

• autres appareils et appareils électroniques.

L'utilisation de dispositifs à semi-conducteurs vous permet de créer de nouveaux équipements et d'améliorer les anciens, ce qui signifie qu'il réduit sa taille, son poids, sa consommation d'énergie et, par conséquent, réduit la génération de chaleur dans le circuit, augmente la résistance, la préparation immédiate à l'action, il donne vous permet d'augmenter la durée de vie et la fiabilité des appareils électroniques.