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Auteur(s)
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Philippe LETURCQ : Professeur à l’Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse - Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes du CNRS (LAAS)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Cet article doit permettre aux électroniciens de puissance et plus généralement à tout spécialiste du génie électrique, de s’initier à l’électronique du silicium, ou d’approfondir des connaissances à ce sujet, sans nécessairement avoir une formation préalable en physique du solide. Les concepts de base, issus de la mécanique quantique et de la thermodynamique statistique sont acceptés comme des postulats et l’auteur a pris le parti d’employer un langage d’électricien pour l’exposé des notions fondamentales sur lesquelles s’appuie l’étude du comportement électrique des composants semi-conducteurs. Après avoir inventorié les propriétés électroniques intéressant principalement, mais non exclusivement, le fonctionnement des composants de puissance, on passe en revue :
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les structures élémentaires : PN, Schottky, PNP ou NPN, MOS, dont les composants sont assemblés ;
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les effets fondamentaux qu’elles font jouer : conduction unidirectionnelle des jonctions PN et des contacts métal/semi-conducteur, effet transistor bipolaire, effet de champ MOS, effet de champ de jonction.
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Structures élémentaires. Effets fondamentaux
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1. Propriétés électroniques du silicium
1.1 Notions élémentaires
1.1.1 Porteurs mobiles et charges fixes
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Les propriétés électroniques des matériaux semi-conducteurs résultent de la mobilité, dans le réseau cristallin, de deux types de porteurs de charge électrique :
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les électrons libres (charge négative − e) ;les trous (charge positive + e).
Le symbole e représente la charge élémentaire 1,602 · 10−19 C.
Ces porteurs interagissent de différentes manières avec le réseau cristallin lui-même et aussi avec des impuretés et autres défauts qui peuvent fixer des charges, positives ou négatives, et se trouver ionisés.
La figure 1 propose, pour le silicium, une illustration schématique. Le silicium, tétravalent comme le carbone, cristallise dans le système cubique à faces centrées, chaque atome établissant des liens de covalence avec quatre de ses voisins. Les électrons ne peuvent être que libres ou liés aux atomes du cristal, la transition entre l’un et l’autre des deux états s’accompagnant nécessairement de sauts d’énergie potentielle d’amplitude au moins égale à l’énergie d’ionisation de ces atomes dans le cristal. On peut se représenter un trou comme la charge positive d’un atome ayant perdu l’un de ses électrons de valence ; la migration de cette charge positive, par le jeu du déplacement de proche en proche d’autres électrons de valence, lui donne le caractère dual de l’électron libre.
On en déduit le modèle simplifié de la figure 2, également applicable aux autres matériaux semi-conducteurs : la bande de valence, comme son nom l’indique, regroupe les niveaux d’énergie des électrons de liaison et la bande de conduction regroupe ceux des électrons libres : les deux bandes sont séparées par une bande interdite de largeur Eg représentant l’énergie d’ionisation (à 300 K : » 1,12 eV pour le silicium ; » 1,43 eV pour l’arséniure de...
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