Page Hub des semi-conducteurs

 

Présentation des semi-conducteurs

La capacité d'un matériau à conduire une charge électrique est habituellement définie en mesurant sa résistance au flux d'électrons. Les métaux offrent peu de résistance, alors que le bois ou le caoutchouc sont des isolants reconnus. Un matériau semi-conducteur se situe entre ces deux extrêmes et apportent aux scientifiques et aux ingénieurs un moyen idéal pour construire des circuits et des dispositifs complexes. La capacité d'un matériau semi-conducteur à contrôler comment l'énergie parvient à un dispositif peut être affecté par la chaleur, la lumière, la pression ou la présence d'un champ magnétique. Ces diverses variations offrent une multitude d'options d'amplification et de commutation dans les circuits.

Les semi-conducteurs jouent un rôle essentiel dans l'industrie moderne et contribuent à façonner nos activités, qu'il s'agisse de notre travail, de notre repos ou de nos distractions. Par exemple, les microprocesseurs utilisent des semi-conducteurs (sans lesquels l'informatique n'existerait pas) sous forme de transistors, et sont largement utilisés dans une multitude de dispositifs, tels que les téléphones portables. L'élément clé qui différencie un semi-conducteur est sa capacité à être « dopé » pour devenir plus conducteur et modifier le courant électrique qui le traverse.

 

Histoire des semi-conducteurs

Les premières pages de l'histoire des semi-conducteurs ont été écrites par de grands chercheurs du dix-neuvième siècle qui ont réalisé d'importantes expériences et observations. Michael Faraday (1791-1867) a observé que la résistance du sulfure d'argent était diminuée par chauffage. Le physicien français Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891) était réputé pour ses travaux dans les domaines de l'optique et de l'électricité. Il a découvert l’effet photovoltaïque qui correspond à l’apparition d’une tension aux bornes d’un matériau semi-conducteur exposé à la lumière. Cet « effet photovoltaïque » est corroboré en 1876 par William Grylls Adams (1836-1915) et Richard Evans Day, dont les expériences avec du sélénium et du platine ont ouvert la voie au développement de technologies modernes, telles que l'énergie solaire.

Au vingtième siècle, la recherche a largement progressé dans le développement et l'utilisation des semi-conducteurs. En 1901, dernière année de ce l'on appelle communément la période victorienne, Jagadish Chandra Bose a inventé un dispositif à semi-conducteur qu'il a nommé les « moustaches du chat » (« cat whiskers »). Conçu pour détecter les ondes radio, il est le premier dispositif breveté à utiliser des semi-conducteurs.

Mais les découvertes qui ont peut-être eu le plus fort impact sont celles de John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley en 1947. S'appuyant sur les travaux scientifiques antérieurs et de nouvelles théories de la conduction, ces trois chercheurs ont inventé le transistor dans les laboratoires Bell et ont bouleversé le monde. Il devenait alors possible d'activer, désactiver et amplifier des signaux électroniques et du courant électrique à l'aide d'un dispositif à semi-conducteur compact, remplaçant ainsi les encombrants systèmes à tubes. Les transistors et les semi-conducteurs avec lesquels ils sont fabriqués sont devenus des éléments inséparables de notre vie quotidienne. Ils ont ouvert la voie aux technologies numériques appliquées dans les radios, les calculateurs. Sans eux, la révolution informatique n'aurait pas eu lieu.

 

Présentation des différents types de semi-conducteurs

 

Capteur de proximité

Un capteur de proximité est conçu pour détecter des objets à faible distance. Contrairement à un capteur de pression, il ne nécessite aucun contact physique pour fonctionner. Il émet un rayon d'énergie électromagnétique infrarouge. La réflexion de ce rayonnement est analysée par le dispositif qui détecte ainsi la présence d'un nouvel objet dans le champ. Différents capteurs sont nécessaires pour détecter différents matériaux. Par exemple, si les objets à détecter sont en métal, un capteur de proximité inductif est requis. Si les objets à détecter sont en plastique, un capteur de proximité photoélectrique est nécessaire.

Ils sont souvent utilisés dans l'industrie pour mesurer les variations entre les axes et les paliers porteurs (industrie du textile et de la métallurgie). Ils font donc partie des processus de contrôle de fabrication, tels que les turbines à vapeur dans le secteur de l'énergie.

 

Semi-conducteurs

Conçu pour offrir des fonctions de contrôle et de commutation dans des circuits électroniques, les semi-conducteurs ont remplacé la technologie des tubes sous vide. Ils ont augmenté de manière spectaculaire la gamme des dispositifs électroniques et ont permis de réduire considérablement leur taille. Les semi-conducteurs sont l'élément clé de la technologie des transistors, sans lesquels nous n'aurions pas les mémoires informatiques, les traitements audio numériques et l'amplification des circuits tels que nous les connaissons aujourd'hui.

 

Transistors

Les transistors sont des composants semi-conducteurs qui contrôlent et commutent le courant électrique selon son rôle dans un circuit. Fondamentalement, ils peuvent contrôler la valeur de sortie d'un signal par rapport à sa valeur d'entrée et fonctionnent donc comme un amplificateur. Ils servent aussi à activer ou désactiver un courant en fonction du comportement d'autres éléments présents dans le circuit.

Il existe deux types de transistors. Le transistor bipolaire a trois bornes : la base, le collecteur et l'émetteur. Lorsque le courant provenant de la base arrive à l'émetteur, le transmetteur bipolaire contrôle ou commute le courant. Le deuxième type de transistor est à effet de champ et compte trois bornes : la grille, la source et le drain. La tension sur la grille permet de contrôler le courant passant entre la grille et le drain. Cette configuration est particulièrement utile dans les applications à faible puissance, telles que les fonctions logiques.

 

Accéléromètres

Les accéléromètres sont des dispositifs électromécaniques utilisés dans un grand nombre de systèmes informatiques et de communications. Par exemple, les smartphones utilisent des accéléromètres pour détecter des mouvements et changer l'orientation de l'image affichée en fonction de la position de l'appareil.

Comme le nom l'indique, les accéléromètres mesurent les forces d'accélération. Mesurant l'accélération statique générée par la force gravitationnelle, l'accéléromètre peut produire des informations sur la position angulaire d'un dispositif par rapport à la surface terrestre, par exemple un téléphone portable ou un ordinateur portable. Grâce à la mesure dynamique des accélérations, un dispositif peut reconnaître et signaler un changement de position angulaire et la vitesse de ce changement.

Pour offrir de nouvelles applications, des fabricants d'ordinateurs portables ont intégré des accéléromètres dans leurs produits. Dès qu'une accélération violente est détectée, un ordinateur portable peut verrouiller le disque dur pour réduire les détériorations pouvant être causées par une chute.

Les accéléromètres utilisent souvent des structures cristallines qui ont une extrême réactivité aux accélérations et aux mouvements. L'effet piézoélectrique crée une tension qui est convertie en signal interprété par le logiciel du dispositif.

 

Microprocesseur

À la pointe de la révolution informatique, le microprocesseur est le « cerveau » de tout système informatique. Étant fondamentalement une collection de transistors organisés sur une puce, le microprocesseur traite toutes les données et les fonctions logiques du dispositif.

Une puce est un circuit intégré qui est fabriqué dans un matériau semi-conducteur (silicium) sur lequel des transistors sont gravés. Pour des dispositifs « simples », une puce à faible capacité de calcul nécessite quelques milliers de transistors. Des puces plus puissantes et complexes contiennent plusieurs millions de transistors.

Les puces sont généralement classées en fonction du nombre d'instructions par secondes qu'elles peuvent traiter. En informatique, l'unité de mesure de la puissance de calcul est le MIPS : millions d'instructions par seconde. Cette valeur dépend de la vitesse d'horloge de la puce, une fréquence qui détermine la vitesse de fonctionnement de la puce. Sur les ordinateurs individuels modernes, cette vitesse est mesurée en Gigahertz (GHz) et détermine le nombre d'opérations qu'une puce peut réaliser pendant une période définie. Par exemple, une puce ayant une vitesse d'horloge de 3,5 GHz doit pouvoir réaliser 3,5 milliards opérations par seconde.

Les microprocesseurs sont très utilisés dans les appareils électriques et dans l'industrie, où ils contrôlent et régulent les sorties d'une multitude de systèmes.

 

Diode Zener

Contrairement aux diodes à semi-conducteur qui ne laissent passer le courant que dans une seule direction, une diode Zener le laisse circuler en sens inverse lorsqu'elle est exposée à une tension suffisamment haute.

Cette limite est définie comme étant la tension de claquage. Dès que la tension inverse sur ses bornes est plus élevée que sa tension de claquage, la diode devient passante. La tension de seuil inverse d'une diode Zener est tout simplement appelée tension Zener.

Les diodes standard ont une résistance au courant inverse. Donc, lorsqu'un courant inverse supérieur à ce seuil traverse le circuit, une diode standard est irrémédiablement endommagée. Dans une diode Zener, le seuil de claquage est défini à un très faible niveau (souvent à peine supérieur à 2,4 volts). Lorsqu'un courant inverse traverse une diode Zener, le « claquage contrôlé » n'endommage pas la diode. La tension inverse n'a quasiment pas de limite si ce n'est que la puissance qui traverse la diode ne doit pas être supérieure à celle supportée par la diode. La baisse de tension est toujours égale à la tension inverse de la diode. C'est pourquoi les diodes Zener sont souvent utilisées pour réguler les circuits. Par cette caractéristique, la diode Zener est aussi appelée diode de régulation.

 

Importants éléments techniques d'un semi-conducteur

Comme indiqué au début de cet article, un semi-conducteur est un matériau qui ne conduit que partiellement le courant. Physiquement, il peut être classé à mi-chemin entre les matériaux isolants qui n'ont aucune ou très peu de conductivité et les matériaux conducteurs qui sont leur opposé en termes de polarité. Pour mieux comprendre ce concept, voyons brièvement les caractéristiques et l'organisation des électrons dans un atome. Les électrons sont organisés en groupes qui constituent les couches électroniques les plus extérieures d'un atome. Ces couches sont appelées couches de valence. Les électrons présents dans ces couches sont capables de former des liaisons avec des atomes voisins. Dans les matériaux semi-conducteurs, comme le silicium, une couche de valence a quatre électrons. Lorsque les atomes présents de chaque côté des électrons sont du même type, ils forment des structures appelées « cristaux ». Une illustration possible serait une grille occupée par des atomes maintenus ensemble par un maillage. Chacun des quatre électrons d'un atome est partagé par un atome voisin. Autrement dit, chaque atome de silicium est lié à quatre autres atomes par les électrons de la couche extérieure.

La structure physique des cristaux de silicium pur en fait de mauvais conducteurs à l'intérieur comme à l'extérieur. Le processus qui les transforme en élément utile d'un point de vue de la fabrication ou de la technologie est appelé « dopage ». Il permet d'ajouter dans les cristaux de silicium de petites quantités d'impuretés qui modifient leurs comportements et en font des composants sans lesquels les systèmes électroniques modernes ne peuvent pas exister.

Les matériaux dopants ou impuretés créent deux types de semi-conducteurs : le type N et le type P. Le semi-conducteur de type N est créé par une impureté dont la couche de valence contient cinq électrons. Ces électrons s'unissent avec les atomes voisins dans la structure cristalline, mais l'électron excédentaire est laissé sans liaison avec un atome voisin. Ces électrons libres se comportent comme les électrons de certains matériaux hautement conducteurs, comme le cuivre.

Les semi-conducteurs de type P sont obtenus en ajoutant un matériau dopant, comme le boron, dont la couche de valence possède trois électrons. En ajoutant des montants infimes dans les cristaux de silicium, un atome d'impureté pourra se lier à quatre atomes de silicium. La différence entre les deux types est que dans le type P, les trois électrons de l'atome de boron sont occupés, mais un trou reste puisqu'il n'y a pas de quatrième électron. Du fait des propriétés physiques du trou, les électrons sont attirés pour combler cet espace libre. Mais si cet espace devient occupé, l'électron qui le prend laisse un espace libre. Par conséquent, la structure cristalline des semi-conducteurs de type P a la particularité de contenir des électrons en mouvement constant puisqu'ils essaient constamment d'occuper des espaces libres.

Lorsqu'un semi-conducteur de type P a été dopé, l'application d'une tension déclenche le passage d'un courant, pour les mêmes raisons physiques que dans des matériaux naturellement conducteurs. Cette application simultanée en pousser-tirer de la tension organise les électrons en un courant directionnel qui peut être utilisé par de nombreuses applications.

Ils apportent des avantages considérables aux scientifiques et aux ingénieurs qui développent des projets électriques et électroniques, incluant des matériaux compacts qui génèrent des résultats variables en fonction des niveaux de tension appliqués, ainsi qu'une capacité de commutation. Prenons l'exemple des ordinateurs. Le cerveau d'un ordinateur est constitué par des puces, qui sont fondamentalement des composants électroniques (transistors) gravés dans une couche de silicium semi-conducteur. Des portes logiques permettent de contrôler le courant. Une porte logique est une fonction d'un circuit numérique qui définit une séquence d'événements déterminée par certaines actions préalables. Ces portes logiques sont aussi appelées fonctions booléennes. Combinées aux fonctions de stockage et d'extraction des données, elles donnent aux ordinateurs leur capacité de traiter des données. Sans la technologie des semi-conducteurs, ces fonctions dépendraient de la technologie des tubes sous vide, coûteuse et encombrante, qui précédait la révolution déclenchée par les semi-conducteurs.

 

La fabrication des semi-conducteurs

La plupart des semi-conducteurs sont fabriqués sous forme de « wafers » (anglais), qui est une tranche, une galette ou une plaque de matériau semi-conducteur. Le processus de fabrication consiste à chauffer un matériau polycristallin purifié jusqu'à ce qu'il se transforme en liquide fondu, puis à ajouter une petite quantité de silicium solide. Lorsque le silicium solide est extrait du liquide, il se refroidit et forme un seul cristal. Ce cristal – appelé boule – est ensuite poli jusqu'à ce que son diamètre soit uniforme. Il est ensuite découpé en tranches fines.

Les tranches sont transférées dans une salle propre (zone de travail dont la propreté est régulièrement contrôlée pour garantir que les tranches ne peuvent pas être exposées à la moindre particule étrangère). Elles sont transformées en circuits intégrés par un processus de gravure. Il combine des techniques de photorésistance qui gravent des motifs dans le matériau semi-conducteur et des techniques de dopage qui ajoutent des matériaux supplémentaires pour modifier les propriétés conductrices du silicium.