Transcription de la vidéo
Dans cette vidéo, notre sujet concerne les diodes à semi-conducteurs. Ces diodes sont l’un des éléments de base de l’électronique moderne, et dans cette leçon, nous allons apprendre comment elles fonctionnent au niveau atomique et même subatomique.
Pour commencer à étudier les diodes on peut s’intéresser aux deux classes principales ou types de semi-conducteurs. Il y a d’une part le type p, où se situe la majorité des trous d’électrons, ou lacunes, et d’autre part le type n qui a une majorité d’électrons libres. Il y a donc ici une vaste quantité d’électrons libres se déplaçant dans le semi-conducteur. Et il y a ici beaucoup de trous chargés positivement, ce qui est parfaitement adapté pour recevoir des électrons libres.
Pour créer une diode à semi-conducteur, il s’agit de combiner le type p et le type n ensemble. Lorsqu’ils sont ainsi associés, ceci créé ce qu’on appelle une jonction. Ainsi, ces semi-conducteurs p et n combinés ensemble sont parfois appelés une jonction PN ou une diode PN. Maintenant, voyons ce qui se passe lorsque nous associons ce semi-conducteur de type p, qui a beaucoup de trous chargés positivement, nous allons les modéliser avec ces points, avec un semi-conducteur de type n comportant de nombreux électrons libres, se déplaçant à l’intérieur de son volume. Même si ces semi-conducteurs de type p et n sont individuellement électriquement neutres, c’est-à-dire que la charge nette de ce semi-conducteur est nulle, tout comme la charge nette de celui-ci, il y aura quand même une attraction électrique entre les électrons libres chargés négativement du type n et les trous chargés positivement du type p.
Et donc, pour les électrons proches de l’interface entre ces semi-conducteurs, il y a une forte probabilité qu’ils soient attirés de l’autre côté et remplissent les trous à proximité de cette jonction. Admettons que cela se produise, disons que ces électrons vont remplir ces trous. A ce moment-là, nous pouvons effacer ces trous et les électrons libres, car les trous n’existent plus maintenant qu’ils sont remplis, et les électrons libres sont à présent liés à un atome, et ne sont donc plus libres. Au cours de ce processus, cependant, il se passe quelque chose d’intéressant. Les atomes du semi-conducteur de type p qui avaient auparavant des trous mais qui sont maintenant remplis par des électrons libres provenant du côté n prennent maintenant une charge globale, ou charge nette, négative.
Rappelons qu’avant que les trous de ces atomes ne soient remplis par des électrons libres, les atomes eux-mêmes étaient neutres. Donc, si nous leur ajoutons un électron libre, cela donne aux atomes une charge globale négative. Pendant ce temps, du côté du semi-conducteurs de type n, étant donné que cette partie du semi-conducteur a perdu les électrons libres qui se sont transférés vers les trous du côté du type p, les atomes proches de cette jonction acquièrent une charge positive. Cela s’explique par le fait qu’ils ont perdu, pour ainsi dire, les électrons libres qui conféraient auparavant à ces atomes une charge globale neutre.
De ce fait, cette région ici, proche de la jonction de ces deux semi-conducteurs, n’a plus de trous chargés positivement car ceux-ci ont été remplis par des électrons libres. Et il n’y a plus d’électrons libres non plus, car ceux-ci ont servi à remplir les trous. Pour cette raison, un nom spécifique est donné à cette région. Cela s’appelle une région de déplétion ou une couche de déplétion, et rappelons encore, que ce nom est dû au fait que cette région n’a ni trous ni électrons libres. On notera que dans la région de déplétion, on a des charges positives d’un côté et négatives de l’autre. Cela signifie qu’un champ électrique global sera créé, est sera toujours dirigé du positif vers le négatif.
Par ailleurs, ce champ est important car il sert en réalité à s’opposer au mouvement des électrons libres du reste du semi-conducteur de type n vers les trous chargés positivement du côté p. Même si les électrons libres restants peuvent être attirés par ces charges positives ici, ils sont repoussés par ce mur de charges négatives à la jonction. Ainsi, ils ne traversent pas cette limite entre les types p et n. Et par conséquent, cette diode PN est complètement inerte. Nous arrivons maintenant au cœur du fonctionnement d’une diode PN, ou à semi-conducteur, et de son intégration en tant que composant d’un circuit électrique.
Supposons que l’on prenne cette diode PN et qu’on la connecte dans un circuit fermé. On pourrait donc imaginer, par exemple, que notre diode est ici, et dans le reste du circuit, elle ressemble à ceci. Dans cette configuration, nous allons envisager deux scénarios, d’abord, avec notre alimentation électrique orientée comme ceci, avec la borne positive vers la droite. Lorsqu’il est configuré de cette façon, nous savons que la direction du courant conventionnel, c’est-à-dire un écoulement de charge positive dans le circuit, est dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Cela signifie concrètement qu’on a une charge positive sortant de notre diode dans cette direction et une charge négative dans l’autre direction.
Lorsqu’on a une diode PN dans un circuit électrique fermé comme celui-ci, la condition essentielle pour que le courant passe à travers la diode, et donc à travers le circuit, implique que les électrons du type n doivent pouvoir traverser cette interface entre les deux types de semi-conducteurs. Sans quoi, la charge n’est pas transmise à travers la diode et donc, la charge ne circule pas dans le circuit. Ici, avec la charge positive venant de la droite et la charge négative venant de gauche, les électrons libres du côté de type n peuvent-ils traverser cette jonction ?
Et bien, nous savons que les charges opposées s’attirent, ce qui signifie que nos électrons libres chargés négativement sont donc attirés vers la droite vers ces charges positives entrantes. De plus, toutes ces charges négatives entrantes vont commencer à remplir les trous du côté du type p de la diode, ce qui va créer encore plus d’ions négatifs. Cela signifie que la barrière à la libre circulation des électrons à travers la jonction PN devient encore plus forte. Et par conséquent, les électrons libres ne traverseront pas cette interface, et donc ne traverseront pas la diode, ce qui ne permettra pas à la charge de circuler à travers notre circuit.
Donc, ce qu’on observe, c’est que lorsque notre alimentation électrique est configurée comme ceci, en essayant d’envoyer des charges positives du côté du type n de notre diode PN, aucun électron ne peut circuler à travers la diode, et le courant ne peut absolument pas circuler dans le circuit. On a ici un des fonctionnements caractéristiques d’un circuit avec une diode PN. Mais maintenant, inversons la configuration de notre alimentation électrique. On se trouve alors en présence d’un circuit où le courant conventionnel circule dans le sens des aiguilles d’une montre. Ainsi, si on regarde notre schéma de plus près, on a maintenant une charge positive venant de la gauche et une charge négative arrivant par la droite.
Si on réfléchit ici aux électrons libres, ces électrons seront repoussés par les charges négatives arrivant par la droite, ce qui va avoir tendance à les déplacer de droite à gauche. Ensuite, toutes ces charges positives qui entrent ici vont créer davantage de trous du côté du type p de notre jonction, ce qui va engendrer une forte attraction électrique sur les électrons libres négatifs situés du côté du type n. Ainsi, l’effet combiné de ces phénomènes va permettre aux électrons libres de traverser la jonction.
En effet, ils vont facilement pouvoir la traverser s’ils sont poussés ou repoussés par la droite et tirés ou attirés par la gauche. Une fois que la charge électrique passe à travers la diode, cette charge peut ensuite parcourir le circuit dans son ensemble. On en conclut que lorsque la diode et l’alimentation électrique sont configurées de cette façon, le courant peut circuler dans ce circuit. On observe ici que la diode PN, diode à semi-conducteur, peut fonctionner comme un interrupteur dans le circuit. Si elle est configurée dans ce sens par rapport à l’alimentation électrique, on dit que la diode est polarisée en direct, c’est-à-dire qu’elle permet à la charge de circuler. Dans l’autre configuration possible de l’alimentation électrique par rapport à la diode, le courant ne peut pas circuler dans le circuit car la diode bloque la circulation de la charge électrique. Lorsque la diode bloque la circulation de la charge électrique, elle est dite à polarisation inverse.
Ainsi, en fonction de la configuration du circuit, la diode peut soit permettre à la charge électrique de circuler, soit la bloquer, on peut donc dire qu’une diode fonctionne comme une valve à clapet dans un circuit, bloquant la circulation dans un sens tout en la permettant dans l’autre. Maintenant qu’on en sait plus sur le fonctionnement des diodes, exerçons-nous avec un exemple.
Cette figure illustre un réseau d’atomes de silicium dans un semi-conducteur. Le côté gauche du réseau a été dopé avec des atomes donneurs. Il est appelé le côté n. Le côté droit du réseau a été dopé avec des atomes receveurs. Il est appelé le côté p. Les zones de chaque côté de la ligne de division sont de taille égale, et la concentration en ions est la même des deux côtés. Le semi-conducteur est à l’équilibre thermique.
Bien, avant d’arriver à la question, décortiquons les informations qui nous sont données ici. On nous dit que cette figure illustre un réseau d’atomes de silicium. Et on peut voir que la plupart des atomes ici sont en effet du silicium, représentés par le symbole Si. On a donc un réseau de silicium, pour lequel on nous dit que le côté gauche, ici, a été dopé avec des atomes donneurs. Cela signifie que certains des atomes de silicium du réseau ont été remplacés par des impuretés. Ces impuretés sont appelées atomes donneurs parce qu’elles ont un électron de valence de plus à l’état naturel que le silicium. Et par conséquent, lorsqu’elles sont ajoutées au réseau de silicium, elles transfèrent cet excès d’électrons au réseau.
On nous dit que ce côté gauche du réseau s’appelle le côté n, on peut donc le marquer de cette façon en haut. Ensuite, si on regarde le côté droit de notre réseau de silicium, on nous dit que celui-ci a aussi été dopé, mais avec des atomes receveurs. Ce sont des atomes qui, à eux seuls, ont un électron de valence de moins que le silicium. Et donc, quand ils sont ajoutés dans le réseau de silicium, ils créent une lacune ou un trou d’électron. Ils sont appelés atomes receveurs car ils ont tendance à recevoir les électrons libres dans ces trous. Ce côté droit est le côté p du semi-conducteur. Sachant que le côté p et le côté n sont de taille égale et qu’ils ont la même concentration d’ions et que notre ensemble de semi-conducteurs est en équilibre thermique, passons maintenant à la question.
La première partie de la question nous demande de quel côté du réseau les électrons libres auront tendance à se déplacer par diffusion. Et la deuxième partie dit nous demande vers quel côté du réseau les trous auront tendance à se déplacer par diffusion. Bien, si on s’intéresse à cette première partie concernant le mouvement des électrons libres dans le semi-conducteur, nous avons appris plus tôt que c’est le côté gauche du semi-conducteur, le côté n, qui contient ce qu’on appelle des atomes donneurs. On peut voir ces atomes ici et ici. Ce sont des atomes de phosphore.
La raison pour laquelle ces atomes de phosphore sont appelés donneurs est que, bien que le silicium ait naturellement quatre électrons dans sa coque de valence, un atome de phosphore en a un de plus, cinq, ce qui signifie que lorsque ces atomes de phosphore sont insérés dans le réseau de silicium, chacun contribue à une addition, qu’on pourrait appeler, électron, un de plus que les atomes de silicium qu’ils ont remplacés. Ces électrons supplémentaires sont séparés des atomes de phosphore et peuvent alors se déplacer librement à l’intérieur du côté n de notre semi-conducteur.
Aussi, d’après ce que l’on sait au sujet de la façon dont les électrons libres se déplacent, on peut déduire de quel côté ils vont commencer. Ils vont commencer du côté n, alimentés par ces atomes de phosphore donneurs. Les électrons chargés négativement sont attirés vers les charges positives, et il s’avère que de telles charges positives se trouvent du côté p. Ici, au lieu de doper notre réseau de silicium avec du phosphore, nous l’avons fait avec du bore. Le bore est différent du silicium car il n’a que trois électrons de valence, un de moins que le silicium. Ainsi, lorsque ces atomes de bore remplacent le silicium dans le réseau, il y a, pour ainsi dire, un électron manquant dans leur coque de valence.
Ces emplacements vacants sont appelés trous, et ils ont une charge positive. Et c’est exactement ce vers quoi les électrons libres sont attirés. Donc, du côté n, on aperçoit cet électron libre ici et celui-ci ici, chacun apporté par les atomes de phosphore. Et nous savons que ces objets chargés négativement seront attirés vers les trous chargés positivement ici du côté p. Voilà donc notre réponse à la première partie de la question.
Maintenant, passons à la deuxième partie qui demande vers quel côté du réseau les trous auront tendance à se déplacer par diffusion ? Et bien, tout comme les électrons libres négatifs sont attirés vers les trous positifs, les trous positifs seront attirés vers les électrons libres négatifs. Ainsi, les trous commençant alors du côté p, le côté droit, seront attirés vers la gauche, qui comme nous l’avons vu, est le côté n. Par diffusion, les trous seront attirés vers le côté n, ou le côté gauche, du réseau.
Résumons à présent ce que nous avons appris sur les diodes à semi-conducteur. Dans cette leçon, nous avons vu que lorsque des semi-conducteurs de type p et de type n sont associés, ils créent une diode PN. À la jonction de la diode, l’endroit où les semi-conducteurs de type p et n se rejoignent, apparaît une région de déplétion qui n’a ni trous ni électrons libres. Pour finir, nous avons vu que lorsqu’une diode est placée dans un circuit, elle permet soit la circulation de la charge électrique, ce qu’on appelle polarisation directe, soit elle la bloque, ce qu’on appelle polarisation inverse. De cette façon, une diode fonctionne comme une valve à clapet. Ceci est un résumé des diodes à semi-conducteur.
