Semi-conducteurs

Source : Derek Wilson, Antonella Cooray, Ph.d., département de physique & astronomie, école de Sciences physique, University of California, Irvine, CA

Semi-conducteurs sont des matériaux dont la capacité de conduire un courant électrique dépend fortement de la température et le niveau d’impureté. Le type le plus commun de matériau semi-conducteur est le silicium cristallin. Semi-conducteurs plus pures ne sont pas des conducteurs en circulation ; pour améliorer la conductivité, un semiconducteur pur est souvent combiné ou « dopé » à une impureté. Ces impuretés sont deux donateurs, comme le phosphore et arsenic, que donner des électrons pour le silicium, ou accepteurs, comme le bore et aluminium, qui volent des électrons du silicium. Lorsque les accepteurs prennent les électrons du silicium, ils laissent des régions de charge positive, appelée « trous » qui effectivement se comportent comme des électrons chargés positivement.

Un semi-conducteur de type p est formé lorsque le dopage fait les trous qui sont le porteur de charge dominante dans le matériau. Un semi-conducteur de type n est formé quand un semi-conducteur est dopé de telle sorte que le porteur de charge dominante est l’électron. Comme on pouvait s’y attendre, une jonction p-n est formée à la frontière entre le semi-conducteur de type p et n-type semi-conducteurs. L’interaction des électrons et des trous à la jonction engendre le comportement remarquable utilisé dans les composants du circuit tels que des diodes et des transistors. Cet atelier explorera les propriétés d’une jonction p-n unique sous la forme d’une diode à semi-conducteur.

À la jonction entre les matériaux de type p et n, les électrons provenant des impuretés de donateurs dans le semiconducteur de type n se combinent avec les trous de la fabrication de semi-conducteurs de type p. L’impureté du donneur dans le semiconducteur de type n perd un électron et devient un ion positif. L’impureté de l’accepteur dans le p-type accepte cet électron, formant une ion négatif. La « région de déplétion » qui entourent la jonction devient donc déficiente en électrons et des trous. Dans la région de déplétion, la région de matériau de type n est maintenant remplie d’ions positifs, et le matériel de type p est dominé par des ions négatifs. Les ions positifs repoussent les électrons loin du côté de type n de la jonction, tandis que les ions négatifs repoussent les trous du côté de la jonction p-type. Le champ électrique de l’accumulation des ions à la jonction p-n empêche les électrons ou les trous de traversant la jonction.

Toutefois, si un solide que suffisamment de tension à travers la jonction p-n, courant peut faire couler à nouveau. Si une chute de tension positive est placée à travers la jonction (c'est-à-dire une diminution de tension du matériau de type p sur le matériau de type n), alors le champ électrique appliqué peut être en mesure de surmonter la force des ions et peut pousser des électrons à travers la jonction. La jonction est censée être « biaisée vers l’avant » dans ce cas. À l’inverse, si une chute de tension négative est appliquée à travers la jonction (c'est-à-dire une diminution de tension du matériau de type n pour le matériel de type p), puis la tension appliquée ajoute extra répulsion à la répulsion existante par les ions et actuel ne peut pas circuler. Dans cette configuration, la jonction est « inverse-partial. » Courant peut donc circuler que dans une seule direction à travers une jonction p-n.

L’équation de diode de Shockley décrit le courant,, traversant une jonction p-n en fonction de sa température et de la chute de tension à travers elle :

(Équation 1)

où j’ai_Sam est la saturation actuelle généralement en ampères (A), à e est la charge de l’électron égale à 1,602 10^-19 Coulombs (C), V est la chute de tension à travers la diode en Volts (V), n est un paramètre sans dimension qui varie de 1 à 2 et tient compte des imperfections dans la diode (n = 1 pour une diode idéale), est constante 1,38 10^-23 m² kg s^-2 K^{-1 de Boltzmann} , et T est la température en Kelvins (K) de la diode. La saturation actuelle est le courant minuscule qui parvient toujours à s’écouler même lorsque la diode est influencé par les revers. On peut voir que le courant croît de façon exponentielle pour les tensions positives et est exponentiellement amortie par tensions négatives. Il y a également une dépendance forte température. Des températures élevées diminuent le débit du courant, et basses températures provoquent le courant augmenter.

1. observer le comportement d’une jonction p-n sous la forme d’une diode à semi-conducteur et mesurer sa courbe caractéristique courant-tension.

1. Obtenir une diode à semiconducteurs, une LED (diode électroluminescente), une source d’alimentation, deux multimètres numériques, une résistance de kΩ 1, certains câbles de banane et connecteurs et un thermomètre.
2. Regardez les diodes de semi-conducteur. Il devrait y avoir une bande sur une de ses extrémités. Le côté avec la bande est la « cathode ». Le côté sans la bande est le « anode ».
3. Assurez-vous que l’alimentation est hors tension avant de brancher des composants du circuit. En utilisant les câbles de la banane, branchez la borne positive de la source d’alimentation d’un côté de la résistance et l’autre côté de la résistance à l’anode de la diode. Ensuite, connectez un multimètre en mode Ampèremètre à la cathode de la diode et connectez l’autre borne de l’ampèremètre à la borne négative de la source d’alimentation pour compléter le circuit.
4. Noter la température dans la chambre.
5. Prévoyez l’alimentation pour générer un courant V 5 et puis allumez-le.
6. Placez le fil positif du multimètre sur l’anode de la diode et la borne négative sur la cathode.
7. Dans cette configuration, la diode est considéré comme biaisée vers l’avant, donc il devrait y avoir un courant qui circule dans le circuit, et le multimètre doit afficher une tension. Enregistrer la tension et le courant qui affichent les multimètres.
8. Ajuster l’alimentation en courant pour générer une tension différente. Enregistrer la tension et des lectures actuelles des deux multimètres, qui doit encore être connectés partout et en série avec la diode.
9. Répétez l’étape précédente plusieurs fois pour une gamme de tensions. Enregistrement de la température ambiante pendant chaque répétition ainsi.
10. Retirez le multimètre et éteignez l’alimentation. Ces tensions ne sont pas à un niveau dangereux, mais il est toujours plus sûr d’éteindre l’alimentation lors de la manipulation des composants du circuit.
11. Gardez toutes les connexions et le programme d’installation le même, sauf le flip de la diode. La cathode est maintenant connectée à où l’anode a été précédemment connecté et vice versa pour l’anode.
12. Ré-allumer l’alimentation électrique, puis reconnectez le multimètre à la diode, avec la borne positive du multimètre sur l’anode de la diode et la borne négative sur la cathode.
13. Enregistrer la nouvelle tension et le courant qui s’affichent. Il peut être nécessaire d’ajuster la sensibilité du multimètre. La diode est maintenant inversée-partial, alors seulement qu'un courant minuscule est autorisé à circuler à travers le circuit.
14. L’équation de diode de Shockley permet de calculer le courant traversant la diode en fonction de la tension à travers la diode et la température de la diode. Supposons que j’ai_Sam = 10 4^-10 A.
15. Coupez l’alimentation électrique et échanger la diode pour une LED.
16. La LED aura deux broches. La tige plus longue est l’anode et la tige plus courte est la cathode. Observez la LED en configurations forward-biased et influencé par les revers.
17. Notez que, depuis le courant seulement passe quand le voyant est biaisée vers l’avant, la LED s’allume seulement quand il est dans la configuration forward-biased et sera foncée dans la configuration inverse biaisée.

Résultats typiques pour les mesures de circuit sont indiquées dans le tableau 1. L’équation de diode de Shockley décrit le courant dans une diode en fonction de la température de la diode et la chute de tension à travers elle. Pour une température de 293,0 K, un facteur d’idéalité de tension du 555 mV à travers la diode et arbitraire (mais représentatif) n = 1.5,

Le courant traversant la diode est calculé pour toutes les tensions mesurées. La courbe caractéristique de la diode (actuelle en fonction de la tension) est représentée à la Figure 1. On voit clairement la dépendance exponentielle du courant sur la tension. Quand en biais vers l’avant, la diode permet actuelle s’écouler. Quand en inverse-partial, seulement la saturation actuelle microscopique peut circuler, effectivement faire la diode une vanne qui permet seulement de courant dans un seul sens.

Tableau 1 : résultats.

Figure 1 : Les points théoriques de l’équation de diode de Shockley sont en bleu. Les points de données mesurées sont en rouge. Un facteur d’idéalité arbitraire de n = 1,5 a été utilisé dans l’équation de diode de Shockley. L’écart entre les valeurs mesurées et théoriques pourrait disparaître si le facteur d’idéalité vrai de la diode était connu.

Ce laboratoire explore les propriétés des semi-conducteurs et une jonction p-n sous la forme d’une diode à semi-conducteur. Une diode est un composant de circuit composé d’une jonction p-n. La courbe caractéristique de la diode a été mesurée, et la diode a été observée à conduire un courant électrique dans un seul sens. Une LED contenait un type spécial de jonction p-n qui émet de la lumière en plus d’effectuer de façon unidirectionnelle.

Semi-conducteurs sont largement utilisées dans l’industrie électronique. Diodes semi-conductrices contiennent uniquement une seule jonction p-n, tandis que les transistors sont fabriqués à partir des jonctions p-n-n et de p-n-p ; autrement dit, les jonctions de deux p-n directement à côté de l’autre. Semi-conducteurs transistors sont la base de presque toute l’électronique moderne. Il peuvent être utilisés pour construire des portes logiques, qui sont des circuits qui peuvent effectuer des opérations de logiques booléennes base tels que AND, OR, pas et NAND. Ces opérations logiques peuvent être combinées pour effectuer des opérations plus complexes telles que l’addition et la multiplication et peuvent même être utilisées pour construire la mémoire et les processeurs de l’ordinateur. LED de semi-conducteurs sont plus économes en énergie sources lumineuses que les ampoules à incandescence traditionnelles.