Jonction PN

[invite93845cf6]

Bonjour,

Dans un semi-conducteur dopé de type P et N, lorsqu'il y a un apport d'énergie venant de l'extérieur, il y a l'apparition d'électrons trous et un champ électrique est ainsi créée. J'aimerais en fait avoir une explication un peu détaillée sur ce qui se passe réellement parce-que j'ai cherché sur internet et je n'ai pas tout compris. Qu'est-ce qu'il y a réellement dans la ZCE ? Qu'est-ce qui différencie un électron d'un électron trou ? J'ai lu aussi quelque part qu'il y avait une histoire d'ion accepteur issu de P et d'ion donneur de N ? Quest-ce que ca signifie et comment interpréter cela ?
Ca peut faire beaucoup de questions mais j'ai vraiment besoin de comprendre tout ca puisque je fais mon TIPE sur les cellules photovoltaïques.

Merci beaucoup d'avance.
-----

[LPFR]

Bonjour.
Vous trouverez des explications dans ce fascicule.
Au revoir.

[invite93845cf6]

Merci mais c'est vous-mêmes qui m'aviez envoyé ce document et je n'ai justement pas tout compris. Je précise que je suis à bac+1 et que je n'ai peut-être pas encore toutes les connaissances requises pour comprendre tout ca. Ca serait sympa si quelqu'un pouvait m'éclairer davantage parce-que c'est un peu confus.
Merci d'avance.

[LPFR]

Merci mais c'est vous-mêmes qui m'aviez envoyé ce document et je n'ai justement pas tout compris. Je précise que je suis à bac+1 et que je n'ai peut-être pas encore toutes les connaissances requises pour comprendre tout ca. Ca serait sympa si quelqu'un pouvait m'éclairer davantage parce-que c'est un peu confus.
Merci d'avance.

Re.
Désolé, si vous trouvez ça confus. Je ne sais pas faire mieux.
A+

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite93845cf6]

Re.
Désolé, si vous trouvez ça confus. Je ne sais pas faire mieux.
A+

Ce n'est pas ce que j'ai voulu dire. C'est confus dans ma tête. Il y a des points que j'ai du mal à comprendre comme la notion d'accepteur et de donneur dans les régions P et N. J'ai pas du tout dit que ce que vous m'aviez envoyé n'était pas bien. C'est extrêment intéressant mais j'ai du mal à tout saisir.
Merci de votre compréhension.

[LPFR]

Re.
Il ne faut pas se faire d'illusions. Suivant votre niveau d'études vous serez ou ne serez pas capable de comprendre tout dans le fonctionnement des semi-conducteurs. Mais je parie un café que vous n'avez pas lu mon fascicule dans l'ordre. Vous pouvez sauter l'analogie avec une ligne de transmission (à l'origine, le fascicule était destiné à des électroniciens). Mais si vous commencez un chapitre sans avoir lu le précèdent vous ne pourrez pas suivre.

Je déduis cela du fait que vous dites: Qu'est-ce qui différencie un électron d'un électron trou ?
Ou " lorsqu'il y a un apport d'énergie venant de l'extérieur, il y a l'apparition d'électrons trous et un champ électrique est ainsi créée."

Je pense que si vous lissez le fascicule, vous pourrez répondre à la première phrase et vois l'erreur dans la seconde.
A+

[DarK MaLaK]

Salut, si on prend du silicium (colonne IV) qu'on dope avec du phosphore (colonne V), cela signifie qu'on va remplacer un certain nombre d'atomes de silicium par des atomes de phosphore. Or ces atomes ont un électron de valence de plus que les atomes de silicium, et cet électron va être peu lié au noyau de phosphore. De plus, sur un diagramme d'énergie, on va voir apparaître un niveau d'énergie donneur près de la bande de valence car à une colonne près, les énergies varient mais assez peu (je ne suis pas assez avancé en physique quantique pour calculer et bien expliquer cela). Donc pour chaque phosphore introduit, on aura un électron peu lié qui pourra rejoindre la bande de valence par un faible apport d'énergie, donc se déplacer dans le matériau et participer à la conduction électrique. C'est le dopage de type N.

[invite93845cf6]

Salut, si on prend du silicium (colonne IV) qu'on dope avec du phosphore (colonne V), cela signifie qu'on va remplacer un certain nombre d'atomes de silicium par des atomes de phosphore. Or ces atomes ont un électron de valence de plus que les atomes de silicium, et cet électron va être peu lié au noyau de phosphore. De plus, sur un diagramme d'énergie, on va voir apparaître un niveau d'énergie donneur près de la bande de valence car à une colonne près, les énergies varient mais assez peu (je ne suis pas assez avancé en physique quantique pour calculer et bien expliquer cela). Donc pour chaque phosphore introduit, on aura un électron peu lié qui pourra rejoindre la bande de valence par un faible apport d'énergie, donc se déplacer dans le matériau et participer à la conduction électrique. C'est le dopage de type N.

Merci beaucoup pour cette explication.
Donc, ca veut dire que pour le dopage P, on introduit des atomes ayant un électron en moins par rapport aux atomes de silicium (le bore je crois). Mais je n'arrive pas à visualiser ce qu'est un électron trou ? Est-ce que c'est comme une lacune électronique ? Et comment un électron trou peut-il être conducteur ?
Merci d'avance.

Merci.

[legyptien]

Qu'est-ce qu'il y a réellement dans la ZCE ? Qu'est-ce qui différencie un électron d'un électron trou ? J'ai lu aussi quelque part qu'il y avait une histoire d'ion accepteur issu de P et d'ion donneur de N ? Quest-ce que ca signifie et comment interpréter cela ?
Ca peut faire beaucoup de questions mais j'ai vraiment besoin de comprendre tout ca puisque je fais mon TIPE sur les cellules photovoltaïques.

Merci beaucoup d'avance.

Oublie l apport d energie pour l instant. Tu as un silicium dopé P et un autre dopé N. Il y a donc des electrons libre dans un coté et des "trous" libre de l'autre (les trous étant un emplacement vacants). Dans tu accole les deux partis, un équilibre thermodynamiques apparait et consiste au remplissage des trous du coté 1 par les électrons libres du coté 2. Une barriere de potentiel dû à un exedant de charges de chaque coté apparait et aucun electrons ne peut aller remplir de l autre coté. L equilibre est etabli.

Quand tu apporte de l'energie sous forme de chaleur par exemple tu communique de l energie aux electrons (e) qui etaient liee a ton atome. Les e deviennent libres.

Maintenant si la temperature augmente (apport d energie) alors il y aura plus d electrons libre donc statistiquement, puisque c'est ca qui importe à cette echelle, il y aura plus de chance qu'un electron arrive a passer la barriere de potentiel (question de proba). La barriere de potentiel va donc augmenter et la ZCE va s'elargir si mes souvenirs sont bons...

[DarK MaLaK]

http://fr.wikipedia.org/wiki/Trou_d%27%C3%A9lectron

Oui un trou est une lacune d'électron qui va être comblée par l'électron d'un atome voisin auquel il manquera dès lors un électron, et cela se répète de proche en proche pour créer un courant. Le trou est donc une quasi-particule, il n'existe pas vraiment mais permet de mieux modéliser les calculs en lui donnant une charge, une masse effective, une mobilité...

[legyptien]

on parle souvent de paire electron trou. un electron se detache et laisse derrier lui une place vacante. Une pair electron trou est cree

[invite93845cf6]

Oublie l apport d energie pour l instant. Tu as un silicium dopé P et un autre dopé N. Il y a donc des electrons libre dans un coté et des "trous" libre de l'autre (les trous étant un emplacement vacants). Dans tu accole les deux partis, un équilibre thermodynamiques apparait et consiste au remplissage des trous du coté 1 par les électrons libres du coté 2. Une barriere de potentiel dû à un exedant de charges de chaque coté apparait et aucun electrons ne peut aller remplir de l autre coté. L equilibre est etabli.

Quand tu apporte de l'energie sous forme de chaleur par exemple tu communique de l energie aux electrons (e) qui etaient liee a ton atome. Les e deviennent libres.

Maintenant si la temperature augmente (apport d energie) alors il y aura plus d electrons libre donc statistiquement, puisque c'est ca qui importe à cette echelle, il y aura plus de chance qu'un electron arrive a passer la barriere de potentiel (question de proba). La barriere de potentiel va donc augmenter et la ZCE va s'elargir si mes souvenirs sont bons...

Ah ok merci ca commence à aller mieux.
Sinon, le champs électrique correspond à quel déplacement d'électron ? Celui de P vers N ou l'inverse ? Et, quel est le rôle de celui qui se fait dans le sens inverse du champs électrique ?
J'ai une autre question, est-ce que cette barrière de potentiel est lié à la bande interdite (ou gap) ?

[LPFR]

http://fr.wikipedia.org/wiki/Trou_d%27%C3%A9lectron

Oui un trou est une lacune d'électron qui va être comblée par l'électron d'un atome voisin auquel il manquera dès lors un électron, et cela se répète de proche en proche pour créer un courant. Le trou est donc une quasi-particule, il n'existe pas vraiment mais permet de mieux modéliser les calculs en lui donnant une charge, une masse effective, une mobilité...

Re.
Ça c'est l'explication que l'on trouve trop souvent.
Je vous propose de faire l'expérience suivante:
Prenez une table mettez des billes dessus et inclinez la table (équivalent du champ électrique). Les billes roulent.
Créez un "trou" en enlevant une bille. Relevez la table et regardez de quel côté se déplace le trou.

Un trou n'est pas simplement un électron qui manque. D'ailleurs dans le tungstène et le cadmium il n'y a pas d'électrons qui manquent et pourtant la conduction se fait par des trous et non par des électrons comme dans la plupart de métaux.
A+

[DarK MaLaK]

En ce qui concerne la jonction PN :

Dans le matériau P, nous avons des charges mobiles (les trous) et des charges négatives fixes (accepteurs) qui sont les ions bores (car ils ont maintenant un électron apportés par un voisin, donc ils ne sont plus neutres). Dans le matériau N, nous avons des charges mobiles (les électrons) et des charges positives fixes (donneurs) qui sont les ions phosphore.

On met en contact ces deux matériaux. A la jonction abrupte, il se crée un gradient de concentration. Par conséquent, les très nombreux trous (porteurs majoritaires) dans le matériau P vont diffuser vers le matériau N. De même, les très nombreux électrons (porteurs majoritaires également) dans le matériau N vont diffuser vers le matériau P.

Cependant, en passant la frontière, les trous (respectivement les électrons) changent pour un statut de minoritaire : ils vont donc se recombiner avec les porteurs majoritaires du matériau de type N (respectivement P) qui sont très nombreux dans cette région. Or, les accepteurs ionisés (respectivement donneurs ionisés) qui sont immobiles sont restés sur place, laissant apparaître près du plan de jonction une charge négative (de l'autre côté positive).

Par conséquent, il apparaît un champ électrique dans cette zone dépourvue de charges mobiles et globalement neutre qu'on appelle zone de charge espace.

Donc quand on va placer la jonction PN dans un circuit où le champ électrique du générateur s'ajoute au champ électrique de la zone de charge espace, elle va bloquer le courant car la zone de charge espace va s'agrandir ( de même que la barrière de potentiel) alors que si on la place dans un circuit où le champ électrique du générateur se soustrait au champ électrique de la zone de charge espace, elle sera passante car la zone de charge espace va diminuer (de même que la barrière de potentiel).

[DarK MaLaK]

Re.
Ça c'est l'explication que l'on trouve trop souvent.
Je vous propose de faire l'expérience suivante:
Prenez une table mettez des billes dessus et inclinez la table (équivalent du champ électrique). Les billes roulent.
Créez un "trou" en enlevant une bille. Relevez la table et regardez de quel côté se déplace le trou.

Un trou n'est pas simplement un électron qui manque. D'ailleurs dans le tungstène et le cadmium il n'y a pas d'électrons qui manquent et pourtant la conduction se fait par des trous et non par des électrons comme dans la plupart de métaux.
A+

Ben pour moi le trou se déplace dans la direction opposée à celle des électrons, mais votre analogie avec la table ne me paraît pas claire. Je ne vois pas pour l'instant où vous voulez en venir mais j'espérais une réaction de votre part car j'avais bien l'impression que mon professeur de physique des semi-conducteurs voulait nous expliquer cette subtilité et que je ne l'ai pas comprise. Pourriez-vous détailler cette analogie et surtout la conduction du cadmium. Car pour moi, un conducteur est simplement un élément dont le niveau de Fermi se trouve à une place privilégiée dans la bande de conduction (en gros pas trop haut ni trop bas pour avoir assez d'électrons pour conduire et assez de niveaux à occuper). J'avais commencé à lire un livre sur les semi-conducteurs qui me semblait bien écrit mais par manque de temps, j'ai dû arrêter (il faisait 800 pages) : c'est un livre de HENRY MATHIEU, il avait l'air assez complet, je le lirai certainement plus tard (si vous l'avez lu, dites-moi ce que vous en pensez).

[invite93845cf6]

En ce qui concerne la jonction PN :

Dans le matériau P, nous avons des charges mobiles (les trous) et des charges négatives fixes (accepteurs) qui sont les ions bores (car ils ont maintenant un électron apportés par un voisin, donc ils ne sont plus neutres). Dans le matériau N, nous avons des charges mobiles (les électrons) et des charges positives fixes (donneurs) qui sont les ions phosphore.

On met en contact ces deux matériaux. A la jonction abrupte, il se crée un gradient de concentration. Par conséquent, les très nombreux trous (porteurs majoritaires) dans le matériau P vont diffuser vers le matériau N. De même, les très nombreux électrons (porteurs majoritaires également) dans le matériau N vont diffuser vers le matériau P.

Cependant, en passant la frontière, les trous (respectivement les électrons) changent pour un statut de minoritaire : ils vont donc se recombiner avec les porteurs majoritaires du matériau de type N (respectivement P) qui sont très nombreux dans cette région. Or, les accepteurs ionisés (respectivement donneurs ionisés) qui sont immobiles sont restés sur place, laissant apparaître près du plan de jonction une charge négative (de l'autre côté positive).

Par conséquent, il apparaît un champ électrique dans cette zone dépourvue de charges mobiles et globalement neutre qu'on appelle zone de charge espace.

Donc quand on va placer la jonction PN dans un circuit où le champ électrique du générateur s'ajoute au champ électrique de la zone de charge espace, elle va bloquer le courant car la zone de charge espace va s'agrandir ( de même que la barrière de potentiel) alors que si on la place dans un circuit où le champ électrique du générateur se soustrait au champ électrique de la zone de charge espace, elle sera passante car la zone de charge espace va diminuer (de même que la barrière de potentiel).

Ok merci, je comprends mieux. Juste un truc, vous pourriez m'expliquer "gradient de concentration". Sur wikipedia, ils disent qu'on appelle gradient une grandeur physique qui varie. Donc ca serait une concentration qui varie ?

[LPFR]

Ben pour moi le trou se déplace dans la direction opposée à celle des électrons, mais votre analogie avec la table ne me paraît pas claire. Je ne vois pas pour l'instant où vous voulez en venir mais j'espérais une réaction de votre part car j'avais bien l'impression que mon professeur de physique des semi-conducteurs voulait nous expliquer cette subtilité et que je ne l'ai pas comprise. Pourriez-vous détailler cette analogie et surtout la conduction du cadmium. Car pour moi, un conducteur est simplement un élément dont le niveau de Fermi se trouve à une place privilégiée dans la bande de conduction (en gros pas trop haut ni trop bas pour avoir assez d'électrons pour conduire et assez de niveaux à occuper). J'avais commencé à lire un livre sur les semi-conducteurs qui me semblait bien écrit mais par manque de temps, j'ai dû arrêter (il faisait 800 pages) : c'est un livre de HENRY MATHIEU, il avait l'air assez complet, je le lirai certainement plus tard (si vous l'avez lu, dites-moi ce que vous en pensez).

Bonjour.
Les trous sont la conséquence du comportement ondulatoire des électrons et de leur interaction avec le réseau.
Des électrons en bas d'une bande ont un comportement proche de celui des électrons libres mais ceux proches du bord supérieur ont un comportement "bizarre": quand on augmente leur énergie leur vitesse diminue, ce qui ne "colle" pas avec ½mv². La raison est que l'énergie des électrons dans un réseau cristallin n'est pas simplement leur énergie cinétique, mais leur énergie cinétique plus leur énergie d'interaction avec le réseau. On ne peut pas expliquer le comportement "bizarre" des électrons près du bord supérieur avec un modèle de particule libre. L'explication du trou qui se déplace dans le sens opposé que l'on vous a donné est tout simplement fausse, comme le démontre la manip avec la table et les billes. Mais c'est une façon commode de se débarrasser de question "gênante" de la part des étudiants.
Si l'explication avec les particules libres était valable, on pourrait faire des semi-conducteurs avec le premier bout de ferraille trouvé dans une poubelle. Alors qu'on est obligé d'avoir des bon cristaux, presque parfaits.

Pour ce qui est de la conduction du tungstène et du cadmium, leur bande de conduction est bien pleine et le niveau de Fermi se trouve, évidemment, près du bord supérieur. Les électrons disponibles, ceux qui ont des niveaux libres au dessus, ont le comportement "bizarre" et la conduction se fait par des trous. C'est heureux que Hall, ait fait manip sur des métaux "normaux". Si no il aurait conclu que ce qui était mobile dans les métaux étaient les charges positives. Ça aurait, probablement, retardé la compréhension de la constitution de la matière.

Je ne connais pas le bouquin dont vous faites référence (je n'ai presque pas de bouquins de physique en français). Mais j'en ai une bonne douzaine de bouquins sur les semi-conducteurs, dont le Sze et celui de Shockley.

Vous pouvez lire des explications qualitatives dans le fascicule que j'ai écrit et dont j'ai donné la référence dans le post #2. Il a été écrit pour donner de la "culture générale" sur les semi-conducteurs, sans raconter des salades.
Au revoir.

[invite93845cf6]

Bonjour, j'ai encore des questions à vous posez.
J'aimerais savoir donc toujours dans une jonction PN, de quelle manière le déplacement des trous d'électrons exercent une "force" contraire au champs électrique et quand est-ce que l'équilibre s'atteind ? Quels sont les paramètres physiques qui permettent cet équilibre ? Je n'ai aussi pas bien compris le passage suivant (partie jonction PN dans le fassicule de LPFR):"les électrons et les trous continuent à passer, mais le même nombre en moyenne se fera ramener par le champs électrique".

Merci d'avance de nouveau pour votre aide.

[LPFR]

Bonjour, j'ai encore des questions à vous posez.
J'aimerais savoir donc toujours dans une jonction PN, de quelle manière le déplacement des trous d'électrons exercent une "force" contraire au champs électrique et quand est-ce que l'équilibre s'atteind ? Quels sont les paramètres physiques qui permettent cet équilibre ? Je n'ai aussi pas bien compris le passage suivant (partie jonction PN dans le fassicule de LPFR):"les électrons et les trous continuent à passer, mais le même nombre en moyenne se fera ramener par le champs électrique".

Merci d'avance de nouveau pour votre aide.

Bonjour.
Il n y a pas des "trous électrons". Il y a des paires "électron + trou" quand un électron monte de la bande de valence à celle de conduction.
La phrase "déplacement des trous d'électrons exercent une "force" contraire au champs électrique", doit être tirée un morceau qui parle des forces de diffusion. Et coupée de son contexte.

Avez-vous lu le chapitre sur la diffusion?
Il n'est pas possible d'expliquer le fonctionnement d'une jonction ou d'un transistor à jonction sans parler de diffusion. (En fait, oui: il suffit de raconter des salades).

L'équilibre dans une jonction PN est un équilibre dynamique. Il y a en permanence des porteurs qui majoritaires qui passent de l'autre côté poussés par les forces de diffusion que des porteurs qui se font ramener par le champ électrique vers l'endroit où ils sont majoritaires.
Au revoir.

[invite93845cf6]

Bonjour.
Il n y a pas des "trous électrons". Il y a des paires "électron + trou" quand un électron monte de la bande de valence à celle de conduction.
La phrase "déplacement des trous d'électrons exercent une "force" contraire au champs électrique", doit être tirée un morceau qui parle des forces de diffusion. Et coupée de son contexte.

Avez-vous lu le chapitre sur la diffusion?
Il n'est pas possible d'expliquer le fonctionnement d'une jonction ou d'un transistor à jonction sans parler de diffusion. (En fait, oui: il suffit de raconter des salades).

L'équilibre dans une jonction PN est un équilibre dynamique. Il y a en permanence des porteurs qui majoritaires qui passent de l'autre côté poussés par les forces de diffusion que des porteurs qui se font ramener par le champ électrique vers l'endroit où ils sont majoritaires.
Au revoir.

Merci de votre réponse,
J'ai un peu de mal à comprendre ce que sont les forces de diffusion. J'ai lu votre chapitre sur les forces de diffusion mais, j'arrive pas à visualiser ce que c'est. Pourriez-vous me donner un exemple de ce type de force pour me faire une idée ? Merci.

[LPFR]

Merci de votre réponse,
J'ai un peu de mal à comprendre ce que sont les forces de diffusion. J'ai lu votre chapitre sur les forces de diffusion mais, j'arrive pas à visualiser ce que c'est. Pourriez-vous me donner un exemple de ce type de force pour me faire une idée ? Merci.

Bonjour.
Dans le fascicule (3^ème paragraphe, page 13) j'ai donné l'exemple plus clair que j'ai trouvé: celui d'une chambre à air. Quand un gaz est concentré il exerce plus de forces sur les parois que quand il est dilué. Et pour une même masse et volume de gaz, ces forces augmentent avec la température.
Et si le fait que la chambre à air soit étanche vous gêne, vous pouvez remplacer un morceau de la paroi par un bouchon poreux. Par exemple, un bouchon de forme parallélépipédique comme celui dessiné plus bas dans la même page.
Au revoir.

[invite93845cf6]

Bonjour.
Dans le fascicule (3^ème paragraphe, page 13) j'ai donné l'exemple plus clair que j'ai trouvé: celui d'une chambre à air. Quand un gaz est concentré il exerce plus de forces sur les parois que quand il est dilué. Et pour une même masse et volume de gaz, ces forces augmentent avec la température.
Et si le fait que la chambre à air soit étanche vous gêne, vous pouvez remplacer un morceau de la paroi par un bouchon poreux. Par exemple, un bouchon de forme parallélépipédique comme celui dessiné plus bas dans la même page.
Au revoir.

Bonjour,

Merci pour cette réponse, j'ai maintenant une meilleur idée du phénomène de diffusion.
J'étudie les jonctions PN dans le cadre de cellules photovoltaïques. J'aimerais savoir s'il existe une relation entre l'énergie fournie par les photons et la largeur de la bande interdite ? Quel doit être la quantité minimale fournie par les photons pour que dans le silicium, les électrons puissent "passer" cette bande interdite ?
Merci d'avance.

[LPFR]

Re.
Il faut que les photons aient une énergie supérieure à la largeur de la bande interdite pour qu'ils arrivent à créer des paires électron+trou, c'est à dire, à faire monter un électron de la bande de valence à celle ce de conduction.
Mais il faut voir que toute l'énergie du photon supérieure à celle du gap, est perdue. Pour un rendement maximum, il faudrait que l'énergie des photons soit un chouia plus grande que le gap.
Calculez la longueur d'onde des photons qui satisfont cette condition E = 1,12 eV = h.f = h.c/lambda.
Je vous laisse convertir des eV en joules.
De même tous les photons dont l'énergie est inférieure au gap, ne font rien (d'utile).
De plus seules les paires crées dans la zone de charge d'espace sont susceptibles d'être séparées par le champ. Les paires produites avant d'arriver sur le zone et ceux produits après sont perdus.
A+

[invite93845cf6]

Re.
Il faut que les photons aient une énergie supérieure à la largeur de la bande interdite pour qu'ils arrivent à créer des paires électron+trou, c'est à dire, à faire monter un électron de la bande de valence à celle ce de conduction.
Mais il faut voir que toute l'énergie du photon supérieure à celle du gap, est perdue. Pour un rendement maximum, il faudrait que l'énergie des photons soit un chouia plus grande que le gap.
Calculez la longueur d'onde des photons qui satisfont cette condition E = 1,12 eV = h.f = h.c/lambda.
Je vous laisse convertir des eV en joules.
De même tous les photons dont l'énergie est inférieure au gap, ne font rien (d'utile).
De plus seules les paires crées dans la zone de charge d'espace sont susceptibles d'être séparées par le champ. Les paires produites avant d'arriver sur le zone et ceux produits après sont perdus.
A+

Merci beaucoup pour cette réponse.