Informatika | Semi-conducteurs

Et bienvenue dans une nouvelle série de post. Les posts de cette série seront basés sur l’informatique (comme vous pouvez le comprendre avec le titre). Je vais essayer de vous apprendre le fonctionnement de vos composant informatique par exemple en partant de zéro. Bien sûr, cela prendra du temps et ne sera pas facile à comprendre pour tout le monde, c’est pourquoi je vais essayer au maximum d’imager mes propos afin qu’ils soient compréhensibles du plus grand nombre. Bien sûr, cela prendra du temps et ne sera pas facile à comprendre pour tout le monde, c’est pourquoi je vais essayer au maximum d’imager mes propos afin qu’ils soient compréhensibles du plus grand nombre.

Électrons

Pour commencer à parler de transistors, il faut d’abord que j’explique ce que sont les matériaux semi-conducteurs et pour cela on va devoir parler un peu de physique quantique (n’ayez pas peur, nous n’allons pas rentrer dans les détails avec des explications ultra compliquées). En physique quantique, la représentation de l’atome et de ses électrons est différente de celle que vous avez pu voir en cours de physique classique. En effet en physique quantique, les électrons ne sont pas positionnés sur des « orbites » autour du noyau, en réalité ils n’ont pas vraiment de place définie non plus. En réalité, ils ont une probabilité d’être à un endroit autour du noyau, on appelle cette probabilité une orbitale atomique. Cette probabilité est décrite par 3 valeurs quantiques ainsi qu’une 4e valeur appelée le spin, c’est l’état quantique de l’électron, pour chaque état quantique il existe une énergie donnée. Dans un atome, il ne peut y avoir qu’un seul électron par état quantique.

Maintenant que vous en savez un peu plus, parlons de l’énergie d’un électron. Dans les solides, les électrons peuvent prendre des valeurs d’énergie comprises uniquement entre certains intervalles, ces intervalles sont appelés « bande permise », entre ces bandes il y a d’autres bandes, qui elles sont appelées « bandes interdites », l’écart entre deux bandes permises est quant à lui appelé gap. Pour étudier la conductivité d’un matériau on met ce dernier à son état fondamental. C’est l’état de la matière lorsque sa température tend vers 0°K soit -273,15°C. À cet état, on peut observer 3 cas différents. Pour se faire on étudie la dernière bande permise pleine d’électrons – appelée bande de valence – et celle juste au-dessus de cette dernière – appelée bande de conductivité. Le premier cas (en réalité, il n’y a aucun ordre) est celui d’un matériau isolant, lorsqu’un matériau est isolant, sa bande de conductivité est vide. Et le gap entre la bande de valence et celle de conductivité est de l’ordre de 10eV le gap est tellement grand qu’aucun électron est capable d’aller dans la bande de conduction. Le second cas est celui d’un matériau conducteur, dans ce cas, la bande de conductivité est contient des électrons en faible quantité même à la température du 0 absolu. Un faible champ électrique peut faire passer un électron au niveau d’énergie supérieur, on peut donc en conclure que ce matériau est conducteur. Et pour finir, parlons des matériaux semi-conducteurs. À l’état fondamental, la bande de conductivité de ces matériaux est vide, mais le gap entre cette dernière et la bande de valence est faible, de l’ordre de l’eV, alors, une simple excitation, ou un changement de température permet à certains électrons de franchir le gap et d’atteindre la bande de conductivité, rendant le matériau conducteur.

À présent vous savez ce qu’est un matériau semi-conducteur, mais vous vous demandez sûrement quels éléments de notre bonne vieille classification périodique sont des éléments conducteurs. Les éléments semi-conducteurs se trouvent dans la colonne IV de la classification, mais attention, tous les éléments de la colonne IV ne sont pas forcément semi-conducteurs, cela dépend de la « taille » du gap de ces éléments. Pour la suite de cet article nous allons utiliser uniquement le Silicium qui est un élément semi-conducteur. Tous les éléments semi-conducteurs possèdent 4 électrons de valence (électrons sur leur couche externe)

Maintenant parlons de dopage (non ce n’est pas le dopage que vous avez en tête avec les cyclistes qui s’injectent des substances pas très licites afin d’améliorer leurs performances, mais le résultat n’est pas très différent). Il existe deux types de dopage chez les éléments semi-conducteurs : le dopage P – positif – et le dopage N – négatif.

Le dopage de type P consiste à ajouter des atomes de la colonne III aux matériaux semi-conducteurs, cela aura pour effet de créer des matériaux présentant 7 électrons sur leur couche externe, ces matériaux seront donc chargés positivement et présenteront un défaut d’électron, c’est pour cela que les semi-conducteurs dopés de type P sont appelés « trous ». Les atomes de ces matériaux sont donc très conducteurs, parce que sous certaines conditions, un électron peut être transmis d’un atome à un autre.

Le dopage de type N, contrairement au dopage de type P dans le dopage de type N ont introduit des atomes appartenant à la colonne V de la classification (des atomes ayant 5 électrons sur leur couche externe), lorsque le dopant entre en contact avec le silicium (ou tout autre élément semi-conducteur), ils partagent des paires d’électrons, et ils contiennent donc 8 électrons sur leur couche externe. Sauf que de base il y avait 9 électrons présent sur la couche externe de ces atomes, un électron du dopant est donc « solitaire », il est devenu un électron libre capable de conduire le courant.

Maintenant que vous savez ce qu’il se passe au niveau de l’atome on va parler de choses plus concrètes. Je vous ai dit que les matériaux semi-conducteurs sont des matériaux à limite entre isolant et conducteur. En réalité ce sont des matériaux qui sont conducteurs uniquement si le courant qui les traverse dépasse un certain seuil, ce seuil varie selon les matériaux. Il est de 0.6V pour le silicium. Le dopage permet de réduire ce seuil et de donner certaines propriétés aux matériaux mais nous verrons ceci dans un prochain post qui sera quant à lui axé sur les transistors et les diodes.