Sans cela, il n’y aurait ni ordinateurs, ni smartphones, ni ondes radio. Les semi-conducteurs sont le moteur caché de la société moderne. Ils sont situés au cœur du microprocesseur et contrôlent tous les transistors de l’appareil. Lorsque les machines calculent ou transmettent des signaux, elles dépendent de ces matériaux pour fonctionner.
La plupart des puces que vous voyez aujourd’hui sont construites à partir de silicium. C’est pourquoi des termes comme « Silicon Valley » dominent l’actualité économique. Cette zone ne porte pas le nom d’une startup technologique. Il doit son nom à sa source d’énergie. Le silicium est le fondement de l’industrie électronique. Sans cela, il n’y aurait pas d’« économie du silicium ».
Comprendre les bases des diodes
Pour comprendre le fonctionnement des semi-conducteurs, il faut commencer par quelque chose de simple. Une diode est le dispositif semi-conducteur le plus simple. C’est un excellent point de départ pour apprendre les bases. Dans ce guide, nous examinerons de plus près ce que sont exactement les semi-conducteurs. Découvrez comment le dopage modifie les propriétés d’un matériau. Nous examinons également comment les ingénieurs utilisent ces principes pour créer des diodes.
Mais avant d’examiner de plus près le fonctionnement des diodes, nous devons examiner de plus près le matériau lui-même. silicium.
Beaucoup de silicium
Le silicium n’est pas rare. C’est partout. Si vous avez déjà marché sur une plage ou regardé un cristal, vous l’avez vu. Le sable et le quartz sont principalement constitués de silicium.
Le silicium occupe une place particulière dans le tableau périodique des éléments. C’est à côté de l’aluminium. Il est situé en dessous du carbone. Il repose au-dessus du germanium. Cette position dans la hiérarchie élémentaire confère au silicium ses propriétés électriques uniques. Comprendre sa place sur la table permet d’expliquer pourquoi il est devenu un matériau de base en électronique.
Fondation en treillis de semi-conducteurs
Le carbone, le silicium et le germanium possèdent tous des propriétés particulières dans leur configuration électronique. Chaque élément a 4 électrons sur son orbite externe. Ce n’est pas qu’un petit détail. La capacité à former des structures répétitives stables détermine leur capacité à former des structures stables et répétitives.
Ces quatre électrons de valence sont liés de manière covalente à quatre atomes voisins. Le résultat est une grille rigide. Considérez-le comme un réseau moléculaire. La structure est préservée car chaque lien est satisfait.
En carbone, ce treillis ressemble à un diamant. Dur. Transparent. Précieux.
Le silicium prend une tournure visuelle différente. Sa forme cristalline semble métallique. Il a un éclat argenté. Cependant, contrairement au cuivre ou au fer, c’est un semi-conducteur. À cet égard, le germanium se comporte de manière similaire au silicium. Il appartient au même groupe du tableau périodique. Il possède également ces quatre électrons externes. En raison de cette caractéristique commune, ces deux matériaux constituent l’épine dorsale de l’électronique moderne.
La configuration à quatre électrons est la clé. La liaison covalente est désormais possible et une structure de réseau complète est formée.
Ce treillis n’est pas seulement joli. C’est pratique. Détermine comment ces matériaux conduisent l’électricité. Sans cette configuration spéciale de quatre électrons, la structure cristalline peut s’effondrer ou se comporter de manière imprévisible. Cette stabilité a fait du silicium la norme pour les puces informatiques.
Les métaux conduisent l’électricité grâce aux électrons libres. Ils sautent facilement entre les atomes. Le silicium ressemble au métal. Ça brille. reflète la lumière. Mais ce n’est pas le seul.
Dans un cristal de silicium pur, tous les électrons externes sont fermés dans des liaisons covalentes complètes. ils ne peuvent pas bouger. résultat? Isolement presque parfait. Zéro trafic.
plus maintenant.
Le Piidoping change tout
Cela ne modifie pas la structure du silicium. Vous changez la chimie. Contient des impuretés.
Ce processus est appelé dopage. Transforme un isolant en semi-conducteur. C’est un chef d’orchestre, mais pas un grand chef d’orchestre. Cela fera l’affaire.
Il existe deux manières d’ajouter du silicium. Ils sont de type N et de type P.
Dopage de type N : électrons libres
Le dopage de type N utilise des éléments à cinq électrons externes. Lin. arsenic.
Il existe quatre types de silicium.
Lorsque le phosphore pénètre dans le réseau cristallin, quatre électrons se lient ensemble. Est-ce le cinquième ? Je n’ai pas de partenaire. Flotte librement.
Même une petite quantité d’électrons peut produire suffisamment d’électrons libres pour conduire l’électricité. Les électrons sont chargés négativement. C’est donc du type N.
Dopage de type P : Créer un écart.
Le dopage de type P renverse le scénario. Utilisez du bore ou du gallium.
Ces éléments n’ont que trois électrons externes.
Lorsqu’ils s’insèrent dans la cage en silicone, des espaces subsistent. “trou”.
Les électrons d’un voisin s’y glissent et le remplissent. Le trou bouge. Cela agit comme une charge positive. C’est donc un type P.
De petites quantités de l’un ou l’autre additif transforment le silicium d’un isolant en un conducteur utilisable.
Junction : Là où la magie opère
Vous souhaitez faire la distinction entre le silicium de type N et celui de type P ? Ennuyeux.
Veuillez les combiner.
Une drôle de chose s’est produite à l’intersection. C’est le cœur de la diode.
Une diode est le dispositif semi-conducteur le plus simple. Permet au courant de circuler dans une direction. Il n’y a qu’une chose.
Pensez à un tourniquet de stade. Une fois qu’une personne s’engage sur un chemin, elle ne peut pas revenir sur le même chemin. Une diode est une porte basculante électronique unidirectionnelle.
La combinaison du silicium de type N et de type P crée une barrière. L’électricité circule facilement dans une seule direction. Bloquez complètement l’autre.
Ce comportement unique n’est pas seulement théorique. C’est la base de l’électronique moderne. Rien ne fonctionne sans cette jonction.
Le silicium dopé au phosphore crée une couche de type N. Le silicium dopé au bore crée une couche de type P. Les deux matériaux conduisent l’électricité par eux-mêmes. Assemblez-les dans la configuration indiquée dans le schéma et rien ne se passe. Le circuit est mort.
La raison réside dans la manière dont vous connectez la source d’alimentation. Si vous fixez la batterie de manière à ce que la borne négative soit face au côté de type N, les électrons sont éloignés de la jonction. Simultanément, la borne positive éloigne les trous du côté de type P du centre. Ils se déplacent dans des directions opposées, s’éloignant les uns des autres. Aucun courant ne traverse l’écart. La diode bloque le flux.
Inverser la polarité
Retournez la batterie. Maintenant, la configuration change complètement.
La borne négative repousse les électrons libres du silicium de type N, les poussant vers la jonction. La borne positive repousse les trous du silicium de type P, les poussant vers le même point de rencontre. Ils entrent en collision. Les électrons remplissent les trous. Ils s’annulent.
Ce n’est plus un blocage statique. C’est un flux dynamique. À mesure que les électrons remplissent les trous à la jonction, de nouveaux trous et électrons sont générés sur les bords extérieurs pour les remplacer. Le courant traverse la jonction. La diode laisse passer l’électricité.
Diodes et transistors
Ce comportement directionnel est le mécanisme fondamental qui sous-tend la manière dont nous contrôlons la puissance en électronique. La section suivante explore comment cette propriété spécifique permet l’utilisation généralisée des diodes et des transistors dans les appareils modernes.
Comment fonctionnent réellement les diodes dans votre gadget
Une diode est essentiellement un canal électrique à sens unique. Il bloque le flux d’électricité dans un sens et lui permet de circuler dans le sens opposé. Si vous avez déjà inséré une pile dans une télécommande et qu’elle n’a pas fonctionné à cause d’une mauvaise polarité, la diode est probablement la raison pour laquelle elle n’a pas pris feu. Il agit comme un dispositif de sécurité. Lorsque la batterie est placée à l’envers, les diodes empêchent le courant de s’écouler de la batterie et protègent l’électronique interne sensible des dommages.
Idéalement, une diode en polarisation inverse devrait bloquer tout courant. En fait, ce n’est pas parfait. Une vraie diode peut fuir environ 10 microampères. Dans la plupart des applications, cela peut être ignoré, mais il existe. Si suffisamment de tension inverse (V) est appliquée à la jonction, elle finira par se briser et permettra au courant de circuler. Cette tension de claquage est généralement si élevée que les circuits standards ne l’atteindront jamais, elle peut donc être essentiellement ignorée dans l’utilisation quotidienne.
Les choses deviennent intéressantes lorsque vous avez un biais direct. Une diode nécessite une certaine tension pour fonctionner. Pour les diodes au silicium, ce seuil est d’environ 0,7 volt. Ce saut de tension initie le processus de combinaison trou-électron à la jonction. Il s’agit d’un petit obstacle, mais important pour le bon fonctionnement de l’appareil.
Transistor : l’interrupteur de la nature
Les transistors constituaient la prochaine étape logique dans le développement des semi-conducteurs. Les diodes utilisent deux couches de matériau, tandis que les transistors en utilisent trois. Peut être construit sous forme de structures sandwich NPN ou PNP. Grâce à cette structure, le transistor peut agir à la fois comme interrupteur et comme amplificateur.
Visuellement, un transistor ressemble à deux diodes placées en opposition. Si vous y réfléchissez, cette configuration devrait bloquer le courant dans les deux sens. Techniquement oui. Mais voici l’astuce. Lorsque vous faites passer un petit courant électrique à travers la couche intermédiaire d’un sandwich, quelque chose de magique se produit. Des courants plus importants peuvent circuler dans toute la structure.
C’est le comportement de commutation qui alimente l’informatique moderne. Un petit courant peut activer ou désactiver un courant important. Ce n’est pas de la magie, c’est juste de la physique transformée en science.
Du silicium au microprocesseur
Une puce de silicium est simplement un morceau de silicium contenant des milliers, voire des millions de transistors. Placer un transistor comme interrupteur crée une porte booléenne. La connexion de ces portes crée un circuit logique. Connectez-en suffisamment et vous obtenez un microprocesseur.
Le passage du silicium pur au silicium dopé, en passant par les transistors et enfin par les puces complexes, a rendu les ordinateurs très bon marché et accessibles à tous. Le principe de base est étonnamment simple. La véritable merveille est de savoir comment nous les avons raffinés. Nous pouvons désormais former des dizaines de millions de transistors sur une seule puce sans dépenser beaucoup d’argent.
Questions fréquemment posées sur les semi-conducteurs
**Le silicium est-il un semi-conducteur ? **
Oui. La plupart des puces semi-conductrices et des transistors sont en silicium. C’est la matière première de choix car sa structure est stable et prévisible.
**A quoi servent les semi-conducteurs ? **
Ils constituent l’épine dorsale des appareils électroniques. Les semi-conducteurs sont utilisés dans les puces, les diodes, les transistors et les circuits intégrés. Tout ce qui est informatisé ou basé sur les ondes radio dépend de cette classe de matériel.
Quels éléments sont utilisés dans les semi-conducteurs ?
Vous pouvez commencer avec des éléments purs comme le silicium, le carbone et le germanium. Ou vous pouvez y mélanger des impuretés. L’ajout de phosphore ou d’arsenic produit un dopage de type N. L’ajout de bore ou de gallium crée un dopage de type P. Cette procédure modifie la façon dont le matériau conduit l’électricité.
**Quelle est la définition d’un semi-conducteur ? **
La conductivité électrique des semi-conducteurs est intermédiaire entre les conducteurs (comme les métaux) et les non-conducteurs (comme la plupart des céramiques). Ils ne sont ni totalement isolants ni totalement conducteurs. Ils existent dans le domaine intermédiaire du contrôle.
**Quelles sont les plus grandes entreprises de semi-conducteurs ? **
La dynamique du marché évolue, mais historiquement, les géants ont régné. Selon les données de 2020, les principaux concurrents sont TSMC avec un chiffre d’affaires d’environ 45,4 milliards de dollars, Samsung avec un chiffre d’affaires d’environ 52,2 milliards de dollars et Intel, qui est numéro un avec 73,9 milliards de dollars. Les choses ont changé, mais la demande pour ces puces ne fait qu’augmenter.
