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La figure ci-dessous montre un électron libre dans une diode à semi-conducteur dans laquelle les porteurs de charge mobiles se diffusent librement. L’électron libre est représenté en trois positions différentes: du côté de la région de déplétion qui borde le côté n de la diode, au centre du côté chargé positivement de la région de déplétion et au centre de la région de déplétion. En correspondance de quelle position la valeur de la force nette agissant sur l’électron est la plus grande? (A) Position A, (B) position B, (C) position C, (D) La force nette est la même pour toutes les positions.
À droite, nous voyons ces trois figures d’une diode à semi-conducteur. Toutes les figures sont les mêmes, à l’exception de la différence de la position de l’électron libre indiquée dans chacun d’eux. Notre question est la suivante: en correspondance de quelle position la valeur de la force nette agissant sur l’électron libre est la plus grande? Parce que nous envisageons un électron, une charge, afin de déterminer la force nette agissant sur celui-ci, nous aimerions savoir quelles sont les autres charges autour de cet électron.
Pour commencer à répondre à cette question, considérons notre diode à semi-conducteur. Cette diode que nous connaissons est la jonction d’un matériau semi-conducteur de type p et d’un matériau de type n. Ces désignations nous indiquent que du côté de type n de la jonction, les porteurs de charge mobiles ont une charge négative, c’est-à-dire que les charges mobiles sont des électrons libres, tandis que du côté de type p de la jonction, les porteurs de charge mobiles ont une charge positive.
Même si nous avons dessiné ces régions de sorte qu’il puisse sembler que le côté de type p a une charge totale positive et le côté de type n une charge totale négative, en fait, les deux côtés ont une charge globale de zéro. Nous n’avons tout simplement pas pris en compte les charges négatives du côté de type p qui équilibrent les porteurs de charge mobiles chargés positivement ou les charges positives du côté de type n qui équilibrent les électrons libres. Malgré cela, les deux côtés du semi-conducteur sont électriquement neutres. À l’endroit où le matériau de type p se joint au matériau de type n, cela s’appelle la jonction. Les électrons libres voisins peuvent traverser cette jonction et remplir certains des trous voisins du côté de type p.
Plusieurs choses se produisent à la suite de cela. D’une part, les atomes fixes dans le réseau près de cette jonction mais du côté du type p, quand ils acceptent un électron libre, ils deviennent globalement chargés négativement. Chacun de ces cercles avec un signe moins indique alors un atome fixe chargé négativement. De l’autre côté, les atomes que les électrons libres ont dépassés, par exemple, pour passer du côté de type p sont maintenant chargés positivement. Et ceux-ci sont également fixes sur certaines positions du réseau. Notez alors que dans cette région, ici, dans notre diode à semi-conducteur, il n’y a plus de charge mobiles, positives ou négatives. C’est ce qu’on appelle la région de déplétion, comme nous le voyons indiqué sur notre figure.
Notez que du côté de type n de la région de déplétion, il y a une charge totale positive. Et du côté du type p de cette région, il y a une charge totale négative. Parce qu’il y a une séparation de charges, un champ électrique, nous l’appellerons 𝐸, se forme à travers la région de déplétion. Une chose importante à réaliser à propos de ce champ électrique est que c’est le résultat de charges répartie sur ces deux parties de la région de déplétion. C’est-à-dire que c’est différent de la façon dont les charges sont distribuées, par exemple, sur les plaques d’un condensateur. Nous savons qu’un champ électrique pointe de la plaque positive d’un condensateur vers la plaque négative. Et le plus important, ce champ est uniforme.
Mais c’est différent de la situation dans laquelle nous nous trouvons car les charges sont réparties dans toute la région de déplétion. Disons que nous avons un graphique sur lequel l’axe horizontal nous montre notre position dans l’espace en traversant notre diode à semi-conducteur. Sur l’axe vertical, nous représentons la valeur du champ électrique. Rappelons que nous avons constaté précédemment que la charge totale dans la région de type p est nulle. Par conséquent, la valeur du champ électrique dans cette région serait également nulle. La même chose s’applique à la charge totale de la région de type n. Cette région est électriquement neutre, ce qui signifie qu’elle a également une valeur globale nulle de champ électrique. Entre ces régions, cependant, dans la zone de déplétion, la valeur du champ électrique n’est pas nulle.
Pour revenir à notre condensateur, si le champ de cette région était comme le champ d’un condensateur, alors nous pourrions le dessiner, par exemple, comme cette ligne en pointillée. Cependant, la valeur du champ électrique dans une région de déplétion n’est pas uniforme. Au contraire, il ressemble à ceci, où la valeur maximale correspond à celle de la jonction des matériaux de type p et n. Dans notre question, ce n’est pas la valeur du champ électrique qui nous est demandé, mais plutôt la force nette agissant sur l’électron libre d’intérêt. Nous rappelons cependant que la force agissant sur une charge 𝑞 est égale à cette charge multipliée par le champ électrique 𝐸 dans lequel la charge existe. Dans les trois positions de notre électron, la charge de l’électron est la même.
Ainsi, la position dans laquelle l’électron subit la plus grande intensité de champ électrique sera également celle dans laquelle il subit la plus grande force nette. Nous voyons que lorsque l’électron est en position A, il se trouve en fait dans une région où le champ électrique est nul, et par conséquent, il ne subit aucune force. Lorsque l’électron est en position B, nous le situerions ici sur notre graphique de champ électrique, il subirait une force nette non nulle. Mais lorsque notre électron est en position C, à la jonction entre ces régions de type p et de type n, l’intensité du champ électrique qu’il subit est la plus grande. Cela signifie que la force nette qu’il subit est également la plus grande. Pour notre réponse, nous choisissons l’option (C).
