^{Source [Pixnio Domaine Publique]}

Bonjour à tous

Dans le dernier post, (il y a de cela très longtemps maintenant) d'Informatika nous nous intéressions aux bases de l'électronique moderne à savoir les semi-conducteurs. Expliquant sommairement le principe de fonctionnement des semi-conducteurs et de leur conception. Nous somme sarrivés à définir 2 types principaux de semi-conducteurs, les semiconducteurs dopés positivement, de type P et présentant des trous, et les semiconducteurs dopés négativement, de type N présentant eux des électrons libres. Nous allons maintenant nous intéresser à la mise en relation de ces matériaux et des applications qui en découlent en électronique.

Les jonctions

Nous avons donc vu le principe de dopage de semiconducteurs. Attardons-nous maintenant au principe de jonction qui est le principe fondamental utilisé pour le fonctionnement des diodes. Une jonction correspond à l'accolement de deux semiconducteurs dopés différemment, on appelle ces jonctions binaires des jonctions P-N. C'est équivalent à N-P puisqu'il suffirait de retourner la structure dans ce cas, les jonctions P-P ou N-N n'existent pas puisqu'ils ne présentent aucune particularité.

^{Zone de charge espace [Wikimedia CC BY-SA 3.0]}

Lors de l'accolement de deux semi-conducteurs dopés différemment a donc lieu un phénomène électrique: les électrons libres présents dans la région dopée négativement se déplacent vers la région dopée positivement, pour y combler les "trous" qui n'en sont pas si je dois le rappeler. Ce déplacement d'électrons créé ainsi un champ électrique dans la région que l'on appelle Zone de déplétion, région dans laquelle les anciens électrons et trous portés par les ions se sont diffuser, laissant donc deux zones de charge opposées: une charge positive dans la région N ayant perdue ses électrons, et une zone de charge négative dans la région P ayant perdue ses "trous". Cette différence de charge induit inévitablement une différence de potentiel entre les deux pôles d'une jonction P-N appelé potentiel de jonction. Ce potentiel est de l'ordre de 0,7 V pour les jonctions de silicium, les plus courantes.

La diode

Tous ceux ayant fait un minimum d'électronique connaissent le principe de fonctionnement d'une diode, elle laisse passer le courant dans un sens et le bloque dans l'autre (ou du moins assez fortement pour que cela soit négligeable). Et bien ce fonctionnement est dû au fait qu'une diode est simplement une jonction P-N. Branchée dans le sens dit indirecte ou bloquant, c'est à dire en appliquant une tension négative du côté P et positive du coté N, les électrons et les trous sont attirés vers les pôles les plus proches, (voir schéma ci-dessus). Les électrons sont attirés vers la Cathode (côté N souvent noté K) tandis que les trous sont attirés vers l'Anode (côté P souvent noté A) élargissant la région de déplétion et empêchant ainsi la circulation du courant. Jusqu'à un phénomène que je ne traiterais pas ici pour des raisons de simplification appelé phénomène d'avalanche, je laisserais un lien vers plus d'informations en bas de post pour les plus curieux. Maintenant, lorsque l'on branche une diode dans le sens direct, avec une tension supérieure à la tension du potentiel de jonction, les électrons "injectés" du côté de la cathode franchissent la zone de déplétion pour ensuite combler les trous de la région P ou bien rejoindre et continuer dans le circuit électrique jusqu'à l'alimentation. Ainsi le courant passe dans la diode.

^{Symbole d'une diode Wikimedia CC-by-sa ver. 2.5}

Le principe des DEL, diodes électroluminescentes

Dans la vie de tous actuellement sont présente des DEL (souvent connu sous son nom anglais de LED). Vous l'aurez compris par leur nom, les LED sont donc des diodes, émettant de la lumière. Lorsque la diode est passante et qu'un électron vient à combler un trou son état d'énergie passe d'un état libre à un état lié, d'énergie inférieure. Un photon est donc créé pour émettre cette énergie sous forme de lumière. Et la lumière est !

^{Symbole électrique de la DEL Wikimedia CC BY S-A 3}

Les transistors bipolaires

Une autre gamme de systèmes dérivant du principe de jonctions de semiconducteurs est la famille des transistors. En effet la plupart des transistors fonctionnent grâce à des jonctions de semi-conducteurs. Notamment les transistors auxquels on va s'intéresser ici: les transistors dipolaires Les transistors dipolaires, comme leur nom ne l'indique pas du tout sont des tripôles électriques. Il possède donc 3 pôles, B, E et C respectivement la Base, l'Emetteur et le Collecteur. Il existe 2 types de transistor bipolaires issue de conception: les transistors NPN et PNP qui comme vous l'aurez compris sont composés respectivement d'une jonction NP collée à une jonction PN et d'une jonction PN collée à une jonction NP. Les deux types de transistors sont assez semblables, ce qui diffère est le sens des courants et des tensions des deux tripôles.

^{Symbole d'un transistor PNP Wikimedia CC BY S-A 4.0}

^{Symbole d'un transistor NPN Wikimedia Domaine Publique}

Fonctionnement des transistors bipolaires: Nous allons nous intéresser ici au principe de fonctionnement des transistors de type NPN car ce sont les plus répandus, de plus si vous avez compris le principe de fonctionnement des diodes et des jonctions vous devriez comprendre aisément le principe de fonctionnement des transistors PNP. Dans le cas d'un transistor de type NPN chaque pole du transistor est relié à une région dopée différente: l'émetteur à une région N que l'on appellera N_e, la base à la région dopée positivement et le collecteur à la deuxième région N que l'on appellera N_c. L'émetteur est polarisé par une tension inférieure à celle de la base, on retrouve donc le fonctionnement d'une diode à la jonction N_e/B et le courant circule de l'émetteur jusqu'à la région P. Quant au collecteur il est polarisée inversement, la tension au collecteur est supérieure à celle de la base et les électrons diffusé depuis la zone N_e se voient donc dans la zone de charge de la jonction P/N_c, tout le courant passe donc de l'émetteur au collecteur. De plus, le pôle de la base agit en faisant varier le courant transmis de manière exponentielle relativement à la différence de potentiel entre la base et le collecteur. Plus la tension entre ces bornes est grande plus le courant transmis jusqu'au collecteur sera intense. Si la tension aux bornes est nulle alors les diodes induites dans le transistor sont bloquantes et aucun courant ne passe.

Il existe d'autres modèles de transistor fonctionnant grâce au principe des jonctions de semi-conducteur mais leur fonctionnement est un peu plus complexe et utilise des notions complexes à vulgariser c'est pourquoi j'ai préféré présenter uniquement les transistors bipolaires. Les transistors à effet de champs, beaucoup plus répandus de nos jours sont un exemple de transistor basé sur les jonctions de semi-conducteurs.

J'ai toujours pas très bien compris, explique moi très simplement s'il te plaît

Lorsque l'on accole deux semi-conducteurs dopés différement une région se forme où les éléctrons libres et les trous se recombinent. Cette formation à pour effet de modifier le pincipe du conductivité de ces matériaux permettant d'agir comme une valve en plomberie et de ne permettre l'écoulement que dans un sens. Le matériaux est donc orienté (polarisé) ce qui implique un sens du courant passant et un sens bloquant.
Ce système composé de deux semi-conducteurs est ce qu'on appelle une diode. Quand on acolle un autre semi conducteur à une diode et selon certaines conditions particulières on créer un transistor. Un transistor est un système avec 3 connectiques qui permettent de controler l'intensité du courant traversant ce dipôle, la base, l'émetteur et le collecteur. Pour garder l'analogie avec la plomberie c'est comme si l'on avait un portion de tuyauterie reliant l'émetteur au collecteur dans lequel se trouve une valve contrôlée par un autre tuyau provenant de la base. Plus la pression de l'eau venant de la base est grande plus le débit du tuyau de l'émetteur au collecteur sera élevé.

Sources et ressources

Des cours provenant d'écoles d'ingénieurs disponible librement et m'ayant permis d'aboder ces principes avec une vision pédagogiques, ils sont bien plus complets que cet articles et vous permettront surement de rentrer plus en détail.

Cours de l'ENSIL

Cours de l'ISMIN

Etude théorique du champs électrique dans une zone de déplétion Wikipedia - Approche théorique des jonctions PN Le cours de l'ISMIN traite également du fonctionnement des diodes, je me suis également servie d'articles wikipedia anglophone. Wikipedia - diode Principe de fonctionnement des transistors Wikipedia - Transistors bipolaires Digikey - Principe de base des transistors NPN et PNP Transistors à effets de bords Wikipedia - Fonctionnement des transistors à effets de bord