Semi-conducteurs

Physics II

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Overview

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.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Notions essentielles de physique II. Semi-conducteurs. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

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 :

Equation 1(Équation 1)

j’aiSam 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.

Procedure

<>

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’aiSam = 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.

Semi-conducteurs sont largement utilisés pour construire Electronique et constituent le fondement de l’industrie des semi-conducteurs mondial.

Un semi-conducteur est une substance solide qui a généralement une conductivité entre celle d’un isolant et celle de la plupart des métaux comme le cuivre ou l’or. Le type le plus commun de matériau semi-conducteur est le silicium cristallin, qui est mis à disposition sous la forme de tranches minces et polis.

Il existe deux principaux types de semi-conducteurs, de type p et de type n. Ceux-ci sont fabriqués à côté de l’autre et dans des configurations différentes pour construire des dispositifs à semi-conducteurs comme les jonctions p-n ou p-n-p transistors. Chaque configuration possède des propriétés électriques uniques utiles dans les différents dispositifs électroniques.

Cette vidéo présente les principes de base des matériaux semi-conducteurs et les propriétés des jonctions p-n sous la forme d’une diode. Ensuite, il illustrera un protocole étape par étape afin de caractériser une diode, suivie de quelques applications du monde réel des semi-conducteurs.

Des semi-conducteurs plus pures ou intrinsèques, comme silicium, ne sont pas des conducteurs électriques exceptionnelles. C’est parce que chaque atome de silicium a quatre électrons de valence ou ultrapériphérique shell. Elle partage ces électrons avec les atomes de silicium voisins pour former des liaisons covalentes, création d’une structure en treillis dépourvu des électrons libres. Ainsi un semi-conducteur fait plus conductrice par adjonction d’impuretés, un processus également connu sous le nom de dopage, pour former des semi-conducteurs dopés ou extrinsèques.

Ces impuretés sont de deux types : donneurs et accepteurs. « Donateurs », comme le phosphore et arsenic, ont cinq électrons dans leur couche de valence. Quatre d'entre eux sont utilisés pour former des liaisons covalentes avec les atomes de silicium adjacents. Le reste un électron est alors libre de se déplacer à travers le réseau. Ce type de semi-conducteur dopé, dans lequel les électrons sont les porteurs de charge dominante, est appelé un semi-conducteur de type n.

Maintenant si l’impureté est une molécule d’accepteur, comme le bore ou l’aluminium, le résultat est différent. Ces accepteurs ont seulement trois électrons dans leur couche de valence. Par conséquent, quand un atome accepteur forme des liaisons avec les atomes de silicium environnantes, il laisse derrière une région de charge positive, appelée un « trou » qui se comporte effectivement comme un électron de charge positive. Le trou est désormais libre de se déplacer à travers le réseau. Ce type de semi-conducteur dopé, où les trous sont les porteurs de charge majoritaire, est appelé un semi-conducteur de type p.

Maintenant, quand une région sur un cristal de semiconducteur unique ou d’une plaquette est dopée avec des atomes donneurs et une région adjacente est dopée avec des atomes accepteurs, une jonction p-n est formée. L’interface entre le p - et n-régions est appelé la limite de la jonction.

À la limite de la jonction, les électrons en excès dans la région du n diffusent vers la région de p-, et en même temps les trous excès dans la région de p-diffusent vers la région de n.

À la suite de cette diffusion, les atomes donneurs dans la région du n deviennent des ions positifs immobiles, alors que les atomes accepteurs dans la région de p-deviennent des ions chargés négativement immobiles. Ainsi, à la frontière entre le p et n-régions, une « zone de déplétion » qui est déficient en électrons mobiles et trous est formé.

Les ions négatifs dans la région de déplétion de type p repoussent les électrons qui diffusent de la région n à la région p, tandis que les ions positifs dans la région de déplétion de type n repoussent les trous qui diffusent de la région de p-n-région.

En d’autres termes, le champ électrique de l’accumulation des ions dans la région de déplétion bloque efficacement le courant traversant la jonction. Cependant, courant peut faire couler à nouveau en appliquant une tension à travers l’intersection.

Si une chute de tension positive est appliquée, également connu sous le nom « avant-biais », la largeur de la région de déplétion réduit, diminuant le champ électrique de la région, grâce à laquelle les électrons et les trous sautent par-dessus la jonction et donc le courant passe par le biais de la configuration.

À l’inverse, si une chute de tension négative est appliquée dans l’ensemble de la jonction, connu sous le nom « reverse-biais », puis augmente la largeur de région d’épuisement. Cela augmente l’intensité du champ électrique de la région et la résistance à l’écoulement des électrons et des trous à travers la jonction.

Courant circule ainsi que dans une seule direction à travers une jonction p-n. L’équation de diode de Shockley peut servir à calculer ce courant en fonction de la chute de tension de la diode et la température. Ici, « e » est la charge électronique, ' n’est un facteur d’idéalité qui caractérise comment se comporte une diode réelle par rapport à une diode idéale, « Ko » est la constante de Boltzmann et « Isat » est le courant de fuite faible qui circule dans l’appareil même quand c’est inverser biaisée.

Après avoir terminé les bases, laissez-nous maintenant examiner un protocole étape par étape pour caractériser une jonction p-n. Tout d’abord obtenir les matériaux nécessaires et les instruments, à savoir une diode à semiconducteurs, une diode électroluminescente ou LED, une source d’alimentation, deux multimètres numériques, une résistance de 1 kilohm, certains câbles de banane et connecteurs et un thermomètre.

Regardez les diodes de semi-conducteur et vérifiez qu’il existe une borne rouge et une borne noire. La borne noire s’appelle la cathode et la borne rouge est l’anode.

Ensuite, branchez la résistance en série avec l’anode de la diode. Puis, en utilisant les câbles de la banane, branchez la borne positive de la source d’alimentation à la fin non connectée de la résistance. Puis, connectez la cathode de la diode à la borne positive d’un ampèremètre et la borne négative de l’ampèremètre à la borne négative de la source d’alimentation pour compléter le circuit pour compléter le circuit.

La diode est biaisée vers l’avant. Noter la température de la pièce. Ensuite, définissez l’alimentation à courant continu + 5 volts à travers le circuit d’alimentation.

Que la diode est biaisée vers l’avant, il devrait y avoir un courant qui circule dans le circuit et une tension chute à la diode.

Ensuite, branchez la borne positive d’un multimètre de seconde sur l’anode de la diode et la borne négative sur la cathode. Assurer le multimètre en mode voltmètre et mesure la chute de tension. Notez également le courant tel qu’enregistré par l’ampèremètre.

Maintenant, ajustez l’alimentation pour générer une tension différente et enregistrer la baisse correspondante à la diode à l’aide d’un voltmètre et le courant qui traverse à l’aide de l’ampèremètre.

Aussi, notez la température ambiante pour chaque lecture et répétez le protocole pour une gamme de tensions de diode.

Une fois que toutes les mesures sont enregistrées, déconnectez le voltmètre et coupez l’alimentation électrique. Garder tout le reste le même, faire basculer la diode afin que les connexions de l’anode et la cathode sont maintenant inversées et la diode est reliée à la mode de polarisation inverse.

Allumez l’alimentation, et rebranchez le voltmètre à la diode, avec la borne positive du multimètre reliée à l’anode de la diode et la borne négative vers la cathode.

Enregistrer la chute de tension à travers la diode, la température et le courant traversant la diode pour une gamme de tensions de diode. Mettre hors tension et débrancher la diode.

Enfin, connectez une LED à la place de la diode et observez la LED dans des configurations de biais avance et arrière pour une série de chutes de tension.

Avec le protocole complet maintenant, passons en revue les résultats des deux l’expérience directe et inverse-partialité utilisant la diode et la LED. Tout d’abord, calculer que le courant traversant la diode pour la tension différentes gouttes à l’aide de l’équation de diode de Shockley et le fabricant a fourni de valeur Isat. Par exemple, pour une température de 293 kelvin et une tension de diode mesurée de 555 milli-volts, le courant traversant la diode peut être calculé comme 0,913 milli-ampères.

Résultats typiques pour les mesures de circuit avec la diode connectée en biais avant et arrière sont répertoriés dans le tableau. Le courant calculé et mesuré est tracé en fonction de la tension de diode mesurée. C’est ce qu’on appelle la « courbe caractéristique » de la diode.

Le graphique montre la dépendance exponentielle des deux courants mesurés et calculés sur la tension de la diode. Plus précisément, on observe que lorsque la diode est décentrée vers l’avant, il permet le courant de circuler à travers.

Mais lorsque la diode est inverse biaisée, ne courant traverse, effectivement ce qui en fait une vanne qui permet seulement de courant dans un seul sens. Le courant minuscule qui parvient toujours à s’écouler, même lorsque la diode est influencé par les revers, est la saturation actuelle.

Semi-conducteurs forment la base de l’industrie de l’électronique ensemble allant de simples LEDs utilisées dans nos écrans de télévision pour les complexes super-ordinateurs utilisés pour des fins de manipulation des données scientifiques.

Semi-conducteurs sont des jonctions p-n utilisé non seulement construire ou diodes, mais aussi transistors, qui sont n-p-n ou jonctions p-n-p. Ces transistors sont à la base de toute l’électronique moderne, car ils peuvent être utilisés pour la construction de portes logiques, qui sont des circuits qui peuvent effectuer des opérations de logiques booléennes base tels que AND, OR, pas et la NAND. Ces opérations logiques peuvent être combinées selon les besoins pour effectuer des opérations plus complexes tels que digital addition et multiplication. Il peut même être utilisé pour construire la mémoire et les processeurs de l’ordinateur.

Matériaux semi-conducteurs peuvent également servir à générer lumière pour application en optique électronique. Par exemple, un light emitting diodes ou LED est une jonction p-n qui émet de la lumière lorsqu’il est activé. Lorsqu’une tension appropriée est appliquée sur elle, électrons recombinent avec les trous dans le dispositif, libérant une énergie sous forme de lumière.

LED de semi-conducteurs sont plus économes en énergie sources de lumière que l’ampoule à incandescence traditionnelle. Par conséquent, LEDs ont trouvé des applications dans l’environnement et éclairage de tâche, électronique affiche et technologie de communication de pointe.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE à semi-conducteurs. Vous devez maintenant comprendre les rudiments de semi-conducteurs et les principes, fonctionnement et caractéristiques de la jonction p-n. Merci de regarder !

Results

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,

Equation 2
Equation 3
Equation 4

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.

Tension mesurée (V) Température mesurée (K) Mesure de courant

(mA)

Calcul courant (mA)
0,555 293,0 0,372 0,913
0,617 293.1 1,813 4,66
0,701 293.1 114.67 42,7
-0.523 293,2 0,0014 -4 * 10-7
-0.620 293,0 0,0011 -4 * 10-7
-0.695 292,9 0,0008 -4 * 10-7

Figure 1
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.

Applications and Summary

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.

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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’aiSam = 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.

Semi-conducteurs sont largement utilisés pour construire Electronique et constituent le fondement de l’industrie des semi-conducteurs mondial.

Un semi-conducteur est une substance solide qui a généralement une conductivité entre celle d’un isolant et celle de la plupart des métaux comme le cuivre ou l’or. Le type le plus commun de matériau semi-conducteur est le silicium cristallin, qui est mis à disposition sous la forme de tranches minces et polis.

Il existe deux principaux types de semi-conducteurs, de type p et de type n. Ceux-ci sont fabriqués à côté de l’autre et dans des configurations différentes pour construire des dispositifs à semi-conducteurs comme les jonctions p-n ou p-n-p transistors. Chaque configuration possède des propriétés électriques uniques utiles dans les différents dispositifs électroniques.

Cette vidéo présente les principes de base des matériaux semi-conducteurs et les propriétés des jonctions p-n sous la forme d’une diode. Ensuite, il illustrera un protocole étape par étape afin de caractériser une diode, suivie de quelques applications du monde réel des semi-conducteurs.

Des semi-conducteurs plus pures ou intrinsèques, comme silicium, ne sont pas des conducteurs électriques exceptionnelles. C’est parce que chaque atome de silicium a quatre électrons de valence ou ultrapériphérique shell. Elle partage ces électrons avec les atomes de silicium voisins pour former des liaisons covalentes, création d’une structure en treillis dépourvu des électrons libres. Ainsi un semi-conducteur fait plus conductrice par adjonction d’impuretés, un processus également connu sous le nom de dopage, pour former des semi-conducteurs dopés ou extrinsèques.

Ces impuretés sont de deux types : donneurs et accepteurs. « Donateurs », comme le phosphore et arsenic, ont cinq électrons dans leur couche de valence. Quatre d'entre eux sont utilisés pour former des liaisons covalentes avec les atomes de silicium adjacents. Le reste un électron est alors libre de se déplacer à travers le réseau. Ce type de semi-conducteur dopé, dans lequel les électrons sont les porteurs de charge dominante, est appelé un semi-conducteur de type n.

Maintenant si l’impureté est une molécule d’accepteur, comme le bore ou l’aluminium, le résultat est différent. Ces accepteurs ont seulement trois électrons dans leur couche de valence. Par conséquent, quand un atome accepteur forme des liaisons avec les atomes de silicium environnantes, il laisse derrière une région de charge positive, appelée un « trou » qui se comporte effectivement comme un électron de charge positive. Le trou est désormais libre de se déplacer à travers le réseau. Ce type de semi-conducteur dopé, où les trous sont les porteurs de charge majoritaire, est appelé un semi-conducteur de type p.

Maintenant, quand une région sur un cristal de semiconducteur unique ou d’une plaquette est dopée avec des atomes donneurs et une région adjacente est dopée avec des atomes accepteurs, une jonction p-n est formée. L’interface entre le p - et n-régions est appelé la limite de la jonction.

À la limite de la jonction, les électrons en excès dans la région du n diffusent vers la région de p-, et en même temps les trous excès dans la région de p-diffusent vers la région de n.

À la suite de cette diffusion, les atomes donneurs dans la région du n deviennent des ions positifs immobiles, alors que les atomes accepteurs dans la région de p-deviennent des ions chargés négativement immobiles. Ainsi, à la frontière entre le p et n-régions, une « zone de déplétion » qui est déficient en électrons mobiles et trous est formé.

Les ions négatifs dans la région de déplétion de type p repoussent les électrons qui diffusent de la région n à la région p, tandis que les ions positifs dans la région de déplétion de type n repoussent les trous qui diffusent de la région de p-n-région.

En d’autres termes, le champ électrique de l’accumulation des ions dans la région de déplétion bloque efficacement le courant traversant la jonction. Cependant, courant peut faire couler à nouveau en appliquant une tension à travers l’intersection.

Si une chute de tension positive est appliquée, également connu sous le nom « avant-biais », la largeur de la région de déplétion réduit, diminuant le champ électrique de la région, grâce à laquelle les électrons et les trous sautent par-dessus la jonction et donc le courant passe par le biais de la configuration.

À l’inverse, si une chute de tension négative est appliquée dans l’ensemble de la jonction, connu sous le nom « reverse-biais », puis augmente la largeur de région d’épuisement. Cela augmente l’intensité du champ électrique de la région et la résistance à l’écoulement des électrons et des trous à travers la jonction.

Courant circule ainsi que dans une seule direction à travers une jonction p-n. L’équation de diode de Shockley peut servir à calculer ce courant en fonction de la chute de tension de la diode et la température. Ici, « e » est la charge électronique, ' n’est un facteur d’idéalité qui caractérise comment se comporte une diode réelle par rapport à une diode idéale, « Ko » est la constante de Boltzmann et « Isat » est le courant de fuite faible qui circule dans l’appareil même quand c’est inverser biaisée.

Après avoir terminé les bases, laissez-nous maintenant examiner un protocole étape par étape pour caractériser une jonction p-n. Tout d’abord obtenir les matériaux nécessaires et les instruments, à savoir une diode à semiconducteurs, une diode électroluminescente ou LED, une source d’alimentation, deux multimètres numériques, une résistance de 1 kilohm, certains câbles de banane et connecteurs et un thermomètre.

Regardez les diodes de semi-conducteur et vérifiez qu’il existe une borne rouge et une borne noire. La borne noire s’appelle la cathode et la borne rouge est l’anode.

Ensuite, branchez la résistance en série avec l’anode de la diode. Puis, en utilisant les câbles de la banane, branchez la borne positive de la source d’alimentation à la fin non connectée de la résistance. Puis, connectez la cathode de la diode à la borne positive d’un ampèremètre et la borne négative de l’ampèremètre à la borne négative de la source d’alimentation pour compléter le circuit pour compléter le circuit.

La diode est biaisée vers l’avant. Noter la température de la pièce. Ensuite, définissez l’alimentation à courant continu + 5 volts à travers le circuit d’alimentation.

Que la diode est biaisée vers l’avant, il devrait y avoir un courant qui circule dans le circuit et une tension chute à la diode.

Ensuite, branchez la borne positive d’un multimètre de seconde sur l’anode de la diode et la borne négative sur la cathode. Assurer le multimètre en mode voltmètre et mesure la chute de tension. Notez également le courant tel qu’enregistré par l’ampèremètre.

Maintenant, ajustez l’alimentation pour générer une tension différente et enregistrer la baisse correspondante à la diode à l’aide d’un voltmètre et le courant qui traverse à l’aide de l’ampèremètre.

Aussi, notez la température ambiante pour chaque lecture et répétez le protocole pour une gamme de tensions de diode.

Une fois que toutes les mesures sont enregistrées, déconnectez le voltmètre et coupez l’alimentation électrique. Garder tout le reste le même, faire basculer la diode afin que les connexions de l’anode et la cathode sont maintenant inversées et la diode est reliée à la mode de polarisation inverse.

Allumez l’alimentation, et rebranchez le voltmètre à la diode, avec la borne positive du multimètre reliée à l’anode de la diode et la borne négative vers la cathode.

Enregistrer la chute de tension à travers la diode, la température et le courant traversant la diode pour une gamme de tensions de diode. Mettre hors tension et débrancher la diode.

Enfin, connectez une LED à la place de la diode et observez la LED dans des configurations de biais avance et arrière pour une série de chutes de tension.

Avec le protocole complet maintenant, passons en revue les résultats des deux l’expérience directe et inverse-partialité utilisant la diode et la LED. Tout d’abord, calculer que le courant traversant la diode pour la tension différentes gouttes à l’aide de l’équation de diode de Shockley et le fabricant a fourni de valeur Isat. Par exemple, pour une température de 293 kelvin et une tension de diode mesurée de 555 milli-volts, le courant traversant la diode peut être calculé comme 0,913 milli-ampères.

Résultats typiques pour les mesures de circuit avec la diode connectée en biais avant et arrière sont répertoriés dans le tableau. Le courant calculé et mesuré est tracé en fonction de la tension de diode mesurée. C’est ce qu’on appelle la « courbe caractéristique » de la diode.

Le graphique montre la dépendance exponentielle des deux courants mesurés et calculés sur la tension de la diode. Plus précisément, on observe que lorsque la diode est décentrée vers l’avant, il permet le courant de circuler à travers.

Mais lorsque la diode est inverse biaisée, ne courant traverse, effectivement ce qui en fait une vanne qui permet seulement de courant dans un seul sens. Le courant minuscule qui parvient toujours à s’écouler, même lorsque la diode est influencé par les revers, est la saturation actuelle.

Semi-conducteurs forment la base de l’industrie de l’électronique ensemble allant de simples LEDs utilisées dans nos écrans de télévision pour les complexes super-ordinateurs utilisés pour des fins de manipulation des données scientifiques.

Semi-conducteurs sont des jonctions p-n utilisé non seulement construire ou diodes, mais aussi transistors, qui sont n-p-n ou jonctions p-n-p. Ces transistors sont à la base de toute l’électronique moderne, car ils peuvent être utilisés pour la construction de portes logiques, qui sont des circuits qui peuvent effectuer des opérations de logiques booléennes base tels que AND, OR, pas et la NAND. Ces opérations logiques peuvent être combinées selon les besoins pour effectuer des opérations plus complexes tels que digital addition et multiplication. Il peut même être utilisé pour construire la mémoire et les processeurs de l’ordinateur.

Matériaux semi-conducteurs peuvent également servir à générer lumière pour application en optique électronique. Par exemple, un light emitting diodes ou LED est une jonction p-n qui émet de la lumière lorsqu’il est activé. Lorsqu’une tension appropriée est appliquée sur elle, électrons recombinent avec les trous dans le dispositif, libérant une énergie sous forme de lumière.

LED de semi-conducteurs sont plus économes en énergie sources de lumière que l’ampoule à incandescence traditionnelle. Par conséquent, LEDs ont trouvé des applications dans l’environnement et éclairage de tâche, électronique affiche et technologie de communication de pointe.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE à semi-conducteurs. Vous devez maintenant comprendre les rudiments de semi-conducteurs et les principes, fonctionnement et caractéristiques de la jonction p-n. Merci de regarder !

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