Pourquoi utilise-t-on des semi-conducteurs ?

[invitea821f6eb]

Bonsoir,

Je suis étudiant en première année d'Informatique de Gestion, et avec 3 autres personnes, nous formons un groupe pour faire un exposé sur la mémoire flash.
Afin d'essayer d'en comprendre plus ou moins le fonctionnement, nous avons décidé d'aborder un peu d'électronique dans notre exposé, et j'en ai prit la charge.
Je me suis donc documenté sur les semi-conducteurs pour commencer, mais je bloque sur une question basique et pourtant essentielle : pourquoi utilise-t-on un semi-conducteur, plutôt qu'un conducteur ?
J'ai lu sur ce forum que la durée de vie d'un électron libre dans un conducteur était trop courte (si je ne me trompe pas) pour que l'on puisse "en tirer parti". Mais bon, ça ne me parle pas trop...
Y'a-t-il une autre raison ? Que peut faire le semi-conducteur que ne peut faire le conducteur ?

Merci d'avance,
Bien à vous,
Rykyu
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[curieuxdenature]

Bonsoir

le semiconducteur par lui même n'offre pas grand intérêt par contre leurs associations entre divers types est plus riche de possibilités.
Une diode offre la fonction passante du courant dans un sens et pas dans l'autre.
Une diode zener permet de stabiliser une tension autour d'une valeur précise.
Le transistor, toute espèce confondue, permet de controler un courant important grâce à une énergie infime, c'est un amplificateur très souple.
Comme c'est un amplificateur, il permet l'entretien d'oscillations hautes fréquences avec beaucoup de simplicité et avec un rendement de conversion remarquable par rapport à son ancêtre la lampe.

Ses principaux avantages : miniaturisation et faible consommation qui l'ont fait utiliser rapidement dans la fabrication des modules intégrant les ordinateurs. La miniaturisation est telle qu'il faut un microscope pour vérifier les transistors entrant dans les circuits intégrés.
J'en passe et des meilleures.

[invitea821f6eb]

Tout d'abord, merci pour cette réponse rapide .
Malheureusement, je crois que la réponse est un petit peu à côté, ou alors c'est moi qui ne l'ai pas vraiment comprise...
En fait, c'est sûr que je m'intéresse à ce que l'on peut faire avec un semi-conducteur, mais ce que je ne trouve pas dans ma recherche, c'est pourquoi on ne peut pas le faire avec un autre composant.
En fait, j'ai cru comprendre que la base de l'utilisation d'un semi-conducteur était le dopage, permettant de contrôler la conductivité d'un matériau à base de semi-conducteur(s). Ensuite, en faisant des jonctions, on obtient par exemple des diodes (c'est pour l'instant le seul composant que j'ai commencé à étudier).
Dois-je en conclure qu'il est impossible, ou bien moins rentable de faire un dopage sur un conducteur ?
Par exemple, ne pourrait-on doper le cuivre négativement afin de le rendre moins conducteur, et arriver à avoir un matériau de même conductivité que l'on pourrait avoir avec le dopage d'un cristal de sillicium (par exemple) ? Et si l'on peut doper du cuivre, alors ne pourrait-on faire une jonction de manière à obtenir une diode ?

Je crois que l'on peut doper les semi-conducteurs car il est possible de les mettre sous forme de cristal, de part le nombre d'électrons dans leur orbite de valence, ce qui ne serait donc pas le cas avec un conducteur ou un isolant, qui n'a pas 4 électrons dans l'orbite de valence. Est-ce que je me trompe en pensant qu'on ne peut faire un cristal de cuivre, d'or ou de Dieu sait quoi d'autre ? Et est-ce vraiment cela qui fait que l'on n'utilise pas un cuivre dopé dans les composants électroniques ?

Merci d'avance,
Bien à vous,
Rykyu

[Tiluc40]

Bonsoir,
Je crois que c'est un peu plus compliqué que ça. Et on peut faire un cristal de cuivre ou d'isolant. Déjà une citation de A.H.Wilson, que je lis dans "Physique de l'état solide", par C. Kittel :

Il y a une différence essentielle entre un semiconducteur (...) et un bon conducteur... La résistance d'un bon conducteur décroit rapidement lorsque la température décroit, tandis que celle d'un mauvais conducteur augmente et devient trés importante quand la température approche du zéro absolu

Mais pourquoi donc? J'espère ne pas dire trop de bêtises dans les lignes qui vont suivre, parce que mes cours remontent à plus de 10 ans maintenant. En fait pour comprendre la conduction électrique dans les matériaux, il faut savoir que tous les niveaux d'énergie ne sont pas accessibles aux électrons qui participent à la conduction. Il y a des bandes d'énergie permises, et des bandes d'énergie interdites, liées la périodicité du réseau cristallin dans ton matériau. En fonction du nombre d'électrons disponibles pour la conduction, ton matériau sera conducteur, semiconducteur ou isolant. Un petit schéma sur wikipedia pour illustrer, même si dans le Kittel il fait une distinction supplémentaire entre métal (bande de conduction incomplète) et semi-métal (2 bandes de conduction qui se chevauchent). Il faut savoir aussi que deux électrons ne peuvent pas occuper la même case quantique dans les bandes (d'après le principe d'exclusion de Pauli), et que l'énergie de Fermi est définie comme l'énergie du niveau rempli le plus élevé pour un état non excité. Je poursuis le Kittel :

Si dans un cristal le nombre d'électrons est tel que les bandes d'énergie permises sont pleines ou vides, alors les électrons ne peuvent pas se déplacer dans un champ électrique et le matériau est isolant. Si une ou plusieurs bandes sont partiellement remplies, alors il est conducteur. Si toutes les bandes sont entièrement remplies à l'exception d'une ou deux qui sont presque pleines ou peu remplies, le cristal est alors un semi-conducteur ou un semi-métal

Si une bande devrait être complètement remplie d'électron mais que la largeur de la bande interdite est inférieure à l'énergie thermique kT, alors quelques électrons peuvent passer dans la bande supérieure et participer à la conduction. Plus tu augmentes la température, plus tu as d'électrons qui montent dans la bande supérieure, plus ta conductivité augmente. Ton matériau est semiconducteur. Par contre, dans un métal, qui est déjà conducteur, en augmentant la température, tu augmentes les oscillations de ton cristal, ce qui augmente les probabilités de collision des électrons. La conséquence est une augmentation de la résistance. Dans un isolant, la barrière d'énergie pour monter dans la bande supérieure est trop élevée : aucun électron ne peut participer à la conduction.
Le dopage d'un semiconducteur permet de contrôler sa conductivité pour sa température de fonctionnement. Par ailleurs, le fait de juxtaposer judicieusement des zones de dopage différent d'un semiconducteur confère à l'élément réalisé des propriétés intéressantes (diodes, transistor). Par exemple tu peux piloter la résistivité d'un canal par une tension.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite0324077b]

les conducteur sont conducteur : on ne peut rien en faire d'autre que des fil electrique

les isolant sont isolant : on ne peut rien en faire d'autre que des isolants

les semiconducteur sont super : ont peut en faire non seulement des diodes mais en plus des transistors , et ensuites des circuit integré ...

et avec une tension superieure des circuit desintegrés

qu'est ce qui est le plus important dans un transistor ou un circuit integré : la fumée : quand la fumée est sortie ca ne marche plus ...

[invitee0b658bd]

bonjour,
on peut quand même remarquer que l'electronique n'est pas née avec le transistor et les semi conducteurs.
l'emploi massif des semiconducteur à pour origine le 23 décembre 1947 (invention du transistor)
On était déja cependant capable de fabriquer des processeurs et la technologie de l'epoque, les lampes, avait encore surement beaucoup à dire.
l'evolution des lampes entre 1930 et 1950 repondait surement aussi à la loi de moore
donc on emploi les semiconducteurs parceque c'est pratique et economique, mais il y avait d'autres methodes et il y en aura surement de nouvelles.
Les semiconducteurs ne sont pas nessecairement la seule technologie possible pour l'electronique
fred

[curieuxdenature]

... mais ce que je ne trouve pas dans ma recherche, c'est pourquoi on ne peut pas le faire avec un autre composant.
....
Dois-je en conclure qu'il est impossible, ou bien moins rentable de faire un dopage sur un conducteur ?

Par exemple, ne pourrait-on doper le cuivre négativement afin de le rendre moins conducteur, et arriver à avoir un matériau de même conductivité que l'on pourrait avoir avec le dopage d'un cristal de sillicium (par exemple) ?

Bonjour Rykyu

en effet je n'avais pas compris la question sous cet aspect.
C'est une impossibilité physique, le côté pratique du semi-conducteur n'est faisable qu'à partir de mauvais conducteurs et même à partir d'isolants.
Le silicium dopé est tout de même des millions de fois plus résistif que le cuivre.
On peut concevoir une diode avec deux métaux différents mais pas pour les besoins qui nous interessent en électronique courante, cette jonction peut s'utiliser comme thermocouple, c'est plus approprié.

Tu peux aussi remarquer que la base utilisée comme semi-conducteur obéit à certaines règles, repére le Germanium et le Silicium dans le tableau de Mendeleiev, les semi-conducteurs employés sont positionnés de part et d'autre, ainsi on utilise l'arseniure de Gallium, l'antimoniure d'indium, le phosphure d'aluminium pour leurs propriétés adaptées. Par contre l'étain, bien que ce soit un conducteur médiocre, n'est pas utilisé comme base.
D'ailleurs le Germanium est passé au rang des antiquités au profit du Silicium pour des raisons similaires(on peut d'ailleurs croiser N, P, As et Sb avec leurs vis-à-vis, B, Al, Ga et In).
On n'employe pas non plus le carbone pour des raisons pratiques, ça ne pas être trop le top de faire des connexions electriques avec ce métalloïde.

[invite6dffde4c]

Bonjour.
Voici un fascicule "bas niveau" mais sérieux (je l'espère) sur les semi-conducteurs:
http://forums.futura-sciences.com/at...ducteurs-a.pdf
Au revoir.

[invitea821f6eb]

Oulha, que de réponses !
Elles sont toutes très intéressantes, bien que je ne comprenne pas toujours tout.
Si j'en fais un résumé très résumé, je dirais donc qu'on utilise le sillicium pour une question de pragmatisme et d'économie, bien que d'autres méthodes pourraient tout à fait permettre de fabriquer des composants électroniques...
Je vous remercie donc tous pour votre participation, et je vais maintenant de ce pas lire le petit manuel, qui semble tout à fait à mon niveau, et qui, je l'espère, me permettra d'y voir plus clair une bonne fois pour toutes .

[obi76]

On était déja cependant capable de fabriquer des processeurs et la technologie de l'epoque, les lampes, avait encore surement beaucoup à dire.
l'evolution des lampes entre 1930 et 1950 repondait surement aussi à la loi de moore

La preuve c'est qu'il existait des lampes hyperfréquence

Le magnétron aussi date de cette époque là mais je pense qu'on se rapproche plus de l'électromag dans ce cas que de l'électronique HF.

[b@z66]

La totalité des fonctions non-linéaires utilisées en électronique(multiplication de tension, redressement de tension) ne peuvent pas être faites par les autres matériaux en lieu et place des semi-conducteurs, puisque ces autres matériaux sont les conducteurs(résistances, condensateurs, self,.... tous à rangé pour leur utilisation dans la catégorie linéaire) et enfin les isolants(qui imposent par définition 0 et qui ne sont pas à considérer à proprement parler dans les composants même s'ils composent l'espace vide dans les circuits ou entre les deux armatures d'un condo). Enfin, la fonction amplification(de tension ou de courant) qui est linéaire ne peut pas non-plus être réalisée avec des matériaux conducteurs habituels puisqu'au fond, la relation de linéarité dans ces matériaux n'est qu'entre tension et courant(et pas entre tension-tension ou courant-courant).

[invite6dffde4c]

Bonjour.
Oui. À l'époque est née l'électronique et les lampes permettaient de monter en fréquence. Même aux UHF. À condition de travailler avec des circuits accordées. Faire un générateur d'impulsion avec un temps de monté de 0,1 µs était presque un exploit. La raison est que le courant était limité à quels dizaines de milliampères et les capacités étaient les mêmes que celles des transistors: quelques 10 pF. Mais, surtout, le gros inconvénient était que toutes les lampes étaient "NPN". On n'avait pas de lampes PNP. Alors faire un ampli de courant continu était d'une difficulté extrême. Un amplificateur opérationnel à lampes prenait une armoire entière (sans exagérer). J'en ai vu chez les biologistes qui mesuraient le potentiel dans des neurones.
Le seul vrai avantage des lampes est que quand on avait fait une connerie dans le câblage, on avait le temps de voir la plaque chauffer au rouge et on avait le temps d'arrêter sans que la lampe s'abîme.
Si les transistors au Ge étaient disponibles dans les années 55. Les premiers postes à transistors ne sortirent que 2 ou trois ans plus tard. Pour les transistors au Si il fallu attendre encore 10 ans.
Les lampes conservèrent leur suprématie dans la THT des téléviseurs jusqu'à tard dans les années 70.
Et aussi dans la tête HF.
Au revoir.