Semi-conducteurs — type P, type N et jonction PN

Un semi-conducteur est un matériau dont la conductivité électrique peut être contrôlée. Dans le silicium, les dopants donneurs produisent un matériau de type n où les électrons sont les porteurs majoritaires, les dopants accepteurs produisent un matériau de type p où les trous sont les porteurs majoritaires, et l’assemblage des deux crée une jonction PN qui conduit beaucoup plus facilement en polarisation directe qu’en polarisation inverse.

Cette seule idée explique une grande partie de l’électronique de base. Les diodes, les LED, les cellules solaires et de nombreuses structures de transistors dépendent toutes de la manière dont les porteurs se déplacent dans des régions semi-conductrices dopées.

Qu’est-ce qu’un semi-conducteur ?

Dans une représentation simple par bandes, un semi-conducteur possède une bande de valence remplie, une bande de conduction presque vide, et une bande interdite assez petite pour que le comportement des porteurs puisse être modifié dans les conditions ordinaires d’un composant. Le silicium pur à température ambiante possède quelques porteurs mobiles, mais bien moins qu’un métal.

La question essentielle n’est donc pas seulement « est-ce que ça conduit ? ». La question utile est plutôt : « qu’est-ce qui modifie le nombre et le mouvement des porteurs de charge ? » Dans les semi-conducteurs, la réponse est souvent le dopage, les champs électriques, la température ou la lumière.

Semi-conducteurs de type P et de type N

Un matériau semi-conducteur pur est souvent appelé intrinsèque. Lorsqu’on ajoute volontairement une petite quantité d’atomes d’impureté, on obtient un semi-conducteur extrinsèque.

Dans le silicium, un dopant donneur comme le phosphore peut fournir un électron supplémentaire faiblement lié. Cela produit un matériau de type n, dans lequel les électrons sont les porteurs majoritaires.

Un dopant accepteur comme le bore laisse au cristal un électron de liaison en moins dans la représentation simple des liaisons. Cela produit un matériau de type p, dans lequel les trous sont les porteurs majoritaires.

Un trou n’est ni un proton ni une particule fondamentale distincte. C’est une façon pratique de suivre le mouvement des électrons manquants dans un ensemble d’états presque rempli. Dans de nombreux problèmes, traiter les trous comme des porteurs mobiles positifs rend la physique beaucoup plus facile à suivre.

Comment le dopage modifie la conductivité

Le dopage change le type de porteur le plus facile à mettre en mouvement. Dans un matériau de type n, il y a beaucoup plus d’électrons disponibles pour la conduction que dans le silicium intrinsèque. Dans un matériau de type p, le mouvement des trous devient la contribution dominante.

Le cristal reste néanmoins globalement électriquement neutre. Ce point est important. Type p ne signifie pas que tout le solide possède une charge nette positive, et type n ne signifie pas qu’il possède une charge nette négative.

Comment se forme une jonction PN

Lorsque des régions de type p et de type n sont réunies, les porteurs ne restent pas parfaitement séparés. Les électrons proches de la jonction diffusent du côté n vers le côté p, et les trous diffusent du côté p vers le côté n.

Près de la frontière, beaucoup de ces porteurs se recombinent. Il reste alors des dopants ionisés fixes : des ions donneurs chargés positivement au bord du côté n et des ions accepteurs chargés négativement au bord du côté p.

Cette région est appelée région de déplétion parce qu’elle est appauvrie en porteurs mobiles, et non parce que la matière disparaît. Les charges mises à nu créent un champ électrique interne et une barrière intégrée qui s’oppose à une diffusion supplémentaire.

Cette barrière qui se forme d’elle-même est la clé du comportement d’une diode. Toute explication de la polarisation directe ou inverse doit suivre ce qui arrive à cette barrière.

Exemple détaillé : polarisation directe et polarisation inverse dans une diode au silicium

Prenons une diode au silicium simple constituée d’une région de type p et d’une région de type n.

Cas 1 : aucune pile externe

Dès que la jonction se forme, la diffusion et la recombinaison créent la région de déplétion. Le champ électrique interne s’oppose à une diffusion supplémentaire des porteurs, si bien que la jonction atteint un état d’équilibre.

Cas 2 : polarisation directe

Reliez maintenant le côté p à la borne positive d’une pile et le côté n à la borne négative. C’est la polarisation directe.

Dans cette situation, le champ externe réduit la barrière effective à travers la jonction. La région de déplétion devient plus étroite, et les porteurs majoritaires peuvent traverser la jonction plus facilement. Le courant peut alors augmenter fortement.

Cas 3 : polarisation inverse

Inversez la pile de sorte que le côté p soit négatif et le côté n positif. C’est la polarisation inverse.

Cette fois, le champ externe augmente la barrière et élargit la région de déplétion. Les porteurs majoritaires sont éloignés de la jonction, donc la conduction ordinaire reste faible. Les jonctions réelles présentent tout de même une certaine fuite inverse, et une tension inverse très élevée peut provoquer un claquage ; l’idée de « pas de courant du tout » n’est donc pas correcte.

C’est l’idée principale d’une diode en un seul exemple. La jonction n’est pas une valve mécanique à sens unique. C’est un système de porteurs et de champs dont la barrière change avec la polarisation appliquée.

Erreurs fréquentes dans les questions sur les semi-conducteurs

• Dire qu’un matériau de type p est globalement chargé positivement. Il reste globalement électriquement neutre.
• Traiter un trou comme une particule réellement chargée positivement, comme un proton. C’est un modèle du comportement des électrons manquants.
• Penser que la région de déplétion est un espace vide. C’est surtout une région avec très peu de porteurs mobiles et beaucoup de dopants ionisés fixes.
• Supposer que la polarisation inverse signifie un courant exactement nul. Les composants réels ont généralement une faible fuite, et une tension inverse suffisamment élevée peut changer complètement le comportement.
• Mémoriser « direct = bien, inverse = mal » sans suivre ce qui arrive à la barrière et au mouvement des porteurs.

Où sont utilisés les jonctions PN et les semi-conducteurs

Les semi-conducteurs apparaissent partout où un composant a besoin d’un comportement électrique contrôlé plutôt que d’une simple conduction métallique. Les jonctions PN sont à la base des diodes de redressement, des LED, des photodiodes, des cellules solaires et d’une grande partie de la conception des transistors.

Une fois que les notions de type p, de type n et de région de déplétion deviennent claires, beaucoup d’idées en électronique paraissent moins mystérieuses. Un transistor n’est plus seulement un symbole de circuit. Il devient une structure qui contrôle le flux de porteurs en façonnant les régions semi-conductrices et les champs électriques.

Essayez un cas similaire

Essayez votre propre version avec une LED ou une cellule solaire. Posez les mêmes questions dans le même ordre : où se trouvent les porteurs majoritaires, quel champ existe à la jonction, et qu’est-ce qui change lorsque vous appliquez une polarisation directe, une polarisation inverse ou de la lumière.