La technologie moderne est rendue possible grâce à une classe de matériaux appelés semi-conducteurs. Tous les composants actifs, circuits intégrés, micropuces, transistors et de nombreux capteurs sont construits avec des matériaux semi-conducteurs.
Alors que le silicium est le matériau semi-conducteur le plus largement utilisé en électronique, une gamme de semi-conducteurs est utilisée, notamment le germanium, l'arséniure de gallium, le carbure de silicium et les semi-conducteurs organiques. Chaque matériau présente des avantages tels que le rapport coût/performance, le fonctionnement à grande vitesse, la tolérance aux hautes températures ou la réponse souhaitée à un signal.
Semi-conducteurs
Les semi-conducteurs sont utiles car les ingénieurs contrôlent les propriétés et le comportement électriques pendant le processus de fabrication. Les propriétés des semi-conducteurs sont contrôlées en ajoutant de petites quantités d'impuretés dans le semi-conducteur par un processus appelé dopage. Différentes impuretés et concentrations produisent des effets différents. En contrôlant le dopage, la façon dont le courant électrique se déplace à travers un semi-conducteur peut être contrôlée.
Dans un conducteur typique, comme le cuivre, les électrons transportent le courant et agissent comme porteurs de charge. Dans les semi-conducteurs, les électrons et les trous (l'absence d'électron) agissent comme des porteurs de charge. En contrôlant le dopage du semi-conducteur, la conductivité et le porteur de charge sont adaptés pour être à base d'électrons ou de 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. Comme les électrons ont une charge négative, un matériau ainsi dopé est appelé de type N.
- Les dopants de type P, tels que le bore et le gallium, ont trois électrons, ce qui entraîne l'absence d'un électron 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 en quantités infimes, font d'un semi-conducteur un bon conducteur. Cependant, les semi-conducteurs de type N et de type P ne sont pas spéciaux et ne sont que des conducteurs décents. Lorsque ces types sont mis en contact les uns avec les autres, formant une jonction P-N, un semi-conducteur obtient des comportements différents et utiles.
La diode de jonction PN
Une jonction P-N, contrairement à chaque matériau séparément, n'agit pas comme un conducteur. Plutôt que de permettre au courant de circuler dans les deux sens, une jonction PN permet au courant de circuler dans un seul sens, créant une diode de base.
L'application d'une tension aux bornes d'une 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. Tenter d'inverser le flux de courant (polarisation inverse) à travers la diode force les électrons et les trous à s'écarter, ce qui empêche le courant de circuler à travers la jonction. La combinaison de jonctions P-N d'autres manières ouvre les portes à d'autres composants semi-conducteurs, tels que le transistor.
Transistors
Un transistor de base est constitué de la combinaison de la jonction de trois matériaux de type N et de type P plutôt que des deux utilisés dans une diode. La combinaison de ces matériaux donne les transistors NPN et PNP, connus sous le nom de transistors à jonction bipolaire (BJT). La région centrale ou de base BJT permet au transistor d'agir comme un interrupteur ou un amplificateur.
Les transistors NPN et PNP ressemblent à deux diodes placées dos à dos, ce qui empêche tout courant de circuler 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 propriétés de la diode formée avec la couche centrale changent pour permettre à un courant plus important de circuler à travers l'ensemble du dispositif. Ce comportement donne à un transistor la capacité d'amplifier de petits courants et d'agir comme un interrupteur qui active ou désactive une source de courant.
De nombreux types de transistors et autres dispositifs à semi-conducteurs résultent de la combinaison de jonctions P-N de plusieurs manières, des transistors avancés à fonction spéciale aux diodes contrôlées. Voici quelques-uns des composants fabriqués à partir de combinaisons minutieuses de jonctions P-N:
- DIAC
- Diode laser
- Diode électroluminescente (DEL)
- Diode Zener
- Transistor Darlington
- Transistor à effet de champ (y compris les MOSFET)
- Transistor IGBT
- Redresseur contrôlé au silicium
- Circuit intégré
- Microprocesseur
- Mémoire numérique (RAM et ROM)
Capteurs
En plus du contrôle de courant que permettent les semi-conducteurs, les semi-conducteurs ont également des propriétés qui en font des capteurs efficaces. Ceux-ci peuvent être rendus sensibles aux changements de température, de pression et de lumière. Un changement de résistance est le type de réponse le plus courant pour un capteur semi-conducteur.
Les types de capteurs rendus possibles par les propriétés des semi-conducteurs incluent:
- Capteur à effet Hall (capteur de champ magnétique)
- Thermistance (capteur de température résistif)
- CCD/CMOS (capteur d'image)
- Photodiode (capteur de lumière)
- Photorésistance (capteur de lumière)
- Piézorésistif (capteurs de pression/contrainte)
