Semi-conducteurs

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 !