semi-conducteur (suite)

• Conductivité du type P. Si, dans la même structure cristalline, un atome d’impureté est trivalent, l’un des couplages d’électrons périphériques manque aux liaisons de valence. Or, cette lacune peut être comblée par un électron échappé d’un atome voisin. Mais cet électron manquera à cet atome, et l’on peut dire que tout se passe comme si la lacune s’était, elle-même, déplacée. On peut aussi considérer cette lacune (on dit également le trou) comme une charge positive apte à absorber un électron. Pour une quantité suffisante d’impuretés de ce type, la conductivité apparaît également à la température ambiante. Sous un champ convenable, les trous, appelés porteurs de charge (positifs), circulent, en quelque sorte, en direction de l’électrode négative. On appelle accepteur le semi-conducteur ainsi formé. On dit aussi qu’il est du type P, car les porteurs de charge, rendus disponibles, sont positifs. Un cristal de germanium (quadrivalent) ou de silicium (également quadrivalent), dopé à l’aluminium, au gallium ou à l’indium (trivalents), est un semi-conducteur extrinsèque du type P.

Dans un semi-conducteur du type N, l’atome d’impureté qui libère son électron périphérique en surnombre devient un centre positif fixe, car il est immobilisé par ses liaisons de valence et parce que son noyau contient désormais un proton en excès. On l’appelle atome donneur. Dans un semi-conducteur du type P, l’atome d’impureté qui absorbe un électron (on dit qu’il libère un trou) devient un centre négatif fixe, car il est immobilisé par ses liaisons de valence et parce qu’il manque désormais un proton à son noyau. On l’appelle atome accepteur.

Jonction P-N

On appelle jonction P-N une région de faible épaisseur où, dans un même cristal, une semi-conductivité du type P cède plus ou moins graduellement la place à une semi-conductivité du type N. Dans chacune des deux parties, quelques porteurs de charge sont des électrons arrachés, par excitation thermique, aux bandes de valence. D’autres porteurs (positifs) sont les trous laissés par les électrons qui se sont échappés. Ces porteurs, peu nombreux, sont dits minoritaires. Les trous et les électrons dus aux atomes d’impureté, en beaucoup plus grand nombre, sont appelés majoritaires. La jonction P-N doit ses propriétés au comportement simultané des porteurs majoritaires (mobiles), des porteurs minoritaires (mobiles) et des centres donneurs et accepteurs (fixes). Le premier effet d’une telle jonction est une diffusion des électrons (porteurs négatifs) de la région N vers les trous de la région P et une diffusion des trous (porteurs positifs) de la région P vers les électrons de la région N. Cette migration, réciproque et symétrique, donne d’abord naissance à un courant dit de diffusion ; mais ce courant ne peut subsister, car le signe de la charge des centres fixes formés dès le départ des porteurs s’y oppose. Négatifs du côté P, ces centres fixes repoussent les électrons venant de N ; positifs du côté N, ils tiennent à distance les électrons venant de P. La zone ainsi peuplée de centres fixes, de polarités opposées, face à face, est alors vide de porteurs mobiles ; ceux-ci, électrons du côté N, trous du côté P, s’accumulent de part et d’autre de la jonction. On dit que la jonction a formé sa barrière de potentiel et que cette dernière est équilibrée.

Polarisation extérieure d’une jonction P-N

Un champ électrique appliqué à une jonction P-N rompt l’équilibre de celle-ci, d’abord en modifiant le comportement des porteurs de charge majoritaires, puis en favorisant ou en défavorisant la conductibilité électrique de l’ensemble.

• Polarisation inverse. Une électrode négative appliquée à l’extrémité de la partie P tend à nourrir cette partie d’électrons, qui viennent combler des trous en grand nombre et renforcer l’effet de barrière que les centres fixes, négatifs du côté P, opposent à la diffusion des électrons, porteurs majoritaires de la partie N. D’autre part, l’électrode positive appliquée à l’extrémité de la partie N vient absorber des électrons en grand nombre et renforcer l’effet de barrière que les centres fixes, positifs du côté N, opposent à la diffusion des trous, porteurs majoritaires de la partie P. Cette double absorption et ce double renforcement de la barrière de potentiel rendent finalement impossible toute circulation des porteurs majoritaires des deux signes. Aucun courant dû à ces porteurs ne peut circuler. On dit que la jonction, polarisée en sens inverse, est bloquée. Toutefois, les porteurs minoritaires (trous dans la partie N, électrons dans la partie P) sont attirés respectivement et sans obstacle par chacune des deux électrodes, et un faible courant apparaît. On l’appelle courant inverse de la jonction. Si la différence de potentiel qui crée le champ électrique vient à croître, le courant inverse augmente, les collisions affectant la structure atomique du réseau cristallin se font plus fréquentes, des électrons sont arrachés à la manière d’une excitation thermique et des paires électron-trou sont créées ; or, dans une paire électron-trou, l’un des deux est nécessairement un porteur majoritaire et l’autre un porteur minoritaire (effet Zener), leur nature (signe) dépendant du type (P ou N) de semi-conducteur. Si le porteur majoritaire est repoussé par la barrière de potentiel, le porteur minoritaire, de signe nécessairement opposé, traverse la jonction. Le courant inverse augmente très rapidement avec la différence de potentiel appliquée entre les électrodes. Le phénomène peut devenir cumulatif à la manière de l’ionisation d’un gaz (effet d’avalanche). Les augmentations rapides de courant ne sont pas destructives si elles n’entraînent pas d’échauffement exagéré de la jonction.

• Polarisation directe. Une électrode positive appliquée à l’extrémité P du cristal atténue l’effet des centres fixes négatifs qui repoussaient les électrons porteurs en grand nombre dans la partie N. Si le potentiel positif de cette électrode augmente, l’effet de barrière est annulé, et un flot d’électrons traverse la jonction. Une électrode négative appliquée à l’extrémité N atténue de même, puis annule l’effet des centres fixes positifs qui retenaient les trous en grand nombre dans la partie P, et un flot de ces porteurs positifs traverse aussi la jonction. Un courant intense, dû à ces porteurs majoritaires des deux signes, circule d’une électrode à l’autre. On dit que la jonction, polarisée dans le sens direct, est passante.