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Les atomes des semi-conducteurs possèdent 4 électrons sur leur couche périphérique.
On les appelle semi-conducteurs particulièrement par ce qu'il y a 4 électrons sur leur couche périphérique et 4 c'est la moitié de 8 électrons sur cette couche périphérique.
Bien sûr, une couche périphérique de 8 électrons est une couche qui est dite complète.
Si le semi-conducteur donne 4 électrons, il deviendra un métal et si le semi-conducteur capture 4 électrons, il deviendra un isolant.
Les semi-conducteurs sont le carbone, le germanium, ou bien le silicium.
Aujourd'hui, on fabrique des galettes de silicium bien pur en cristal.
Chaque atome de silicium va donner 1 électron à un autre atome de silicium voisin, et donc un atome de silicium va s'unir avec 4 atomes de silicium voisins pour former un magnifique cristal.
Voici une galette au silicium pur à 99,999 %.
On récolte le sable maritime de bonne qualité qui est de l'oxyde de silicium SiO2.
Le SiO2 est un bon isolant.
On le fera fondre à plus de 1700°c et puis on captera l'oxygène du sable avec du carbone (C).
SiO2 + 2C -> Si + 2CO. Attention le monoxyde (CO) de carbone est très toxique.
Un Cristal de silicium possède des atomes de silicium parfaitement alignés.
La résistance du Cristal de silicium est environ de 8 ohms par cm.
Si la température augmente la résistance va diminuer.
Alors que pour un métal comme du cuivre lorsque la température augmente la résistance augmentera. Cela s'appelle la conductibilité intrinsèque.
Le verre est aussi un cristal, mais sa fabrication est différente, il vous faut de l’oxyde de silicium (SiO2), l’oxyde de sodium et l’oxyde de calcium. Le verre est plutôt un isolant.
Un Cristal pur de silicium ne possède aucun électron vagabond à 0° Kelvin ou -273,15°C.
Il faut apporter de l'énergie pour créer des électrons vagabonds, soit par la température ou par la lumière. Un électron véhiculera une charge électrique négative et pour chaque charge vagabonde, il restera, à sa place une charge positive.
Un Cristal pur de silicium intrinsèque aura toujours autant de charges négatives que de charges positives.
Charges négatives = n et charges positives = p.
Un Cristal pur de silicium intrinsèque aura toujours n = p.
Le Cristal pur de silicium intrinsèque est peu utilisé sous cette forme et il existe depuis 1955.
Les atomes voisins de silicium mettent en commun chacun un électron pour former une force de liaison covalente. Ils prêtent chacun un électron à l'autre.
On va l'utiliser en grande pompe avec des additifs pour fabriquer des diodes.
Avant en 1910, il existait des diodes dans des tubes à vide d'air, puis en 1942 des diodes en germanium et enfin les diodes au silicium en 1945.
Voici le symbole d'une diode au silicium à jonction PN.
Pour réaliser la diode à jonction PN, on a dû faire du dopage au cristal de silicium pur intrinsèque. Et on obtient alors du cristal de silicium extrinsèque dopé.
Le dopage consiste à ajouter un petit % d'atomes d'impuretés comme le Bore.
L'atome de Bore a sa couche périphérique composée de 3 électrons.
Ainsi on obtiendra du cristal de silicium extrinsèque de type P.
Le type P possède des charges positives en plus parce qu'il a un manque d'électrons.
Un manque d'électron sera appelé un trou de charge +.
Un seul atome est électriquement neutre en charge électrique, le noyau est de charge + et les électrons sont de charge négative. Un atome possède autant de charges + que de charges négatives. Il y aura autant de protons + dans son noyau que d'électrons négatifs.
Si l'on enlève un électron de cet atome, il devient alors un ion +.
Si l'on ajoute un électron à cet atome, il devient alors un ion -.
Le second dopage consiste à ajouter un petit % d'atomes d'impuretés comme le phosphore.
L'atome de phosphore a sa couche périphérique composée de 5 électrons.
Ainsi on obtiendra du cristal de silicium extrinsèque de type N.
Les diodes à jonction PN
Lorsque l'on met un type N contre un type P, il se passe une diffusion entre les 2 types.
On appellera cela faire une jonction NP ou PN. On vient de créer une diode au silicium avec une jonction PN.
Au voisinage de cette jonction, les électrons du type N vont diffuser vers le type P pour combler les trous du type P. Au voisinage de cette jonction, il y aura donc une barrière de potentiel, et celle-ci constitue un champ électrique.
Une diode est passante de P vers N et dans l'autre sens, elle sera bloquée.
Dans le sens passant PN la barrière de potentiel est affaiblie et dans l'autre sens NP cette barrière de potentiel sera renforcée (plus longue) et donc le courant ne saura pas passer.
La différence entre une diode au germanium et une diode au silicium, le seuil passant, est de + 0,35 v pour la diode au germanium et de + 0,65 v pour celle au silicium.
La diode au silicium peut supporter de grand courant alors que l'autre de faible courant.
Une diode a une tension maximale et un courant maximal afin de ne pas la claquer.
Ils peuvent travailler dans une gamme de températures de -40°C à 110°C.
Mais il faut sans méfier, il y a une différence des températures tolérées entre les composants militaires ou en médicale et les composants du civil (commercial).
Une 1N4148 -> 75 V -> 125 mA. Mais assez rapide (4 ns et 4 pF).
Une 1N4007 -> 1000 v -> 1 A. (1500 nS et 15 pF).
À droite du graphique, on a une courbe exponentielle et c'est la zone utilisée, cette courbe peut changée en fonction de la température ambiante.
On ne met au grand jamais un condensateur trop près d'une diode qui chauffe.
Il existe une multitude de diodes.
Il faut une résistance (un petit courant au minimum) pour visualiser l'écrêtage de la sinusoïde.
Seules les demi-alternances positives passent au travers de la diode dans le sens PN - 0,6 V.
Comment calculer le courant dans la diode.
-1- Quand le circuit est ouvert (diode non connectée) aux bornes de celle-ci, on aura 6 Vpp
-2- Quand la diode est en court-circuit le courant sera de 6 Vpp / 27 k = 220 mA pp.
-3- On aura une droite de charge en rouge pour cette diode 1N4007.
-4- Le courant dans la diode sera de 110 mA pp d'après la caractéristique de cette diode.
-5- La courbe n'est pas vraiment la caractéristique de cette diode, vous pouvez toujours la relever vous-même. Avec une source variable de 0 V a +10 V de 1 A maximum.
On tracera toujours la droite de charge sur les caractéristiques des semi-conducteurs, car c'est bien plus facile que le calcul différentiel des courbes.
Quand une diode conduit le courant, elle a une certaine capacité parasite.
Plus faible sera la capacité parasite et plus vite elle saura conduire du courant.
On mesure cette capacité aux environs de 1 MHz.
La 1N4007 -> 50 HZ et 1N4148 -> plus de 100 MHz.
Les 1N4148 sont dites de commutation, utilisées comme diodes de protection pour l'entrée des fréquencemètres.
Les diodes Zener utilisent plutôt la gauche du graphique, le claquage sera contrôlé.
Il existe des diodes Zener de 2,4 v -> 250 V.
Les plus stables en température sont les diodes Zener de +5 V à +7 V.
Il faut s'assurer que la tension d'alimentation ne descend pas en dessous +6 V.
Les diodes Schottky
Un homme intelligent a remplacé un type N par un métal pour faire une diode dite Schottky.
En effet, ils sont tous les deux des porteurs de charge électriques négatifs.
La barrière de potentiel est plus faible de l'ordre de + 0,3 V.
La diode Schottky 1N5711 est la plus connue. Sa capacité est de 2pF -> 1 GHz.
Elles sont utilisées en logique dans la série 74LSxxxx.
Les diodes Varicap
Sa capacité va changer en fonction de la tension qui lui est appliquée.
La figure ci-dessus est un oscillateur VCO.
Les diodes PIN
Utilisées en mode de commutation de circuits HF, quand elles conduisent elles ont une très faible résistance de 1 ohm à 5 ohms.
Quand elles ne conduisent pas, elles ont une très grande résistance.
La diode Transil
C'est une sorte de diode Zener qui provoque un court-circuit quand la tension est trop élevée. Protection contre les sur tensions.
Si la durée du court-circuit est suffisamment courte la diode Transil ne claquera pas.
Il existe des diodes Transils en double sens.
La diode à effet Tunnel
La flèche bleue indique le courant maximal avant le claquage.
Du point vert au point noir, on a une résistance négative.
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