Résistivité

La résistance d’un composant ou d’un dispositif électrique ou électronique est généralement définie comme étant le rapport entre la différence de tension qui le traverse et le courant qui y circule, selon les principes de base de la loi d’Ohm. Le problème de l’utilisation de la résistance comme mesure est qu’elle dépend beaucoup de la taille physique du matériau mesuré, ainsi que du matériau dont il est constitué. Par exemple, si nous augmentons la longueur du matériau (en le rendant plus long), sa résistance augmentera également proportionnellement.

De même, si nous augmentons son diamètre ou sa taille (en le rendant plus épais), sa valeur de résistance diminuera. Nous voulons donc être en mesure de définir le matériau afin d’indiquer sa capacité à conduire ou à s’opposer à l’écoulement du courant électrique, quelle que soit sa taille ou sa forme.

La quantité utilisée pour indiquer cette résistance spécifique est appelée résistivité et est représentée par le symbole grec ρ (Rho). La résistivité est mesurée en ohm-mètres (Ω.m). La résistivité est l’inverse de la conductivité.

Si l’on compare la résistivité de différents matériaux, ils peuvent être classés en trois groupes principaux : conducteurs, isolants, et semi-conducteurs, comme indiqué ci-dessous.

Tableau de Résistivité

Remarque : il existe une très petite marge entre la résistivité des conducteurs comme l’argent et l’or, par rapport à une marge beaucoup plus importante pour la résistivité des isolants entre le verre et le quartz. Cette différence de résistivité est en partie due à leur température ambiante, car les métaux sont de bien meilleurs conducteurs de chaleur que les isolants.

Conducteurs

Nous savons donc maintenant que les conducteurs sont des matériaux ayant des valeurs de résistivité très faibles, généralement en micro-ohms par mètre. Cette faible valeur leur permet de laisser passer facilement un courant électrique, car il y a beaucoup d’électrons libres flottant dans leur structure atomique de base. Toutefois, ces électrons ne circuleront dans un conducteur que s’il y a quelque chose pour stimuler leur mouvement, et cela, c’est une tension électrique.

Lorsqu’un potentiel de tension positif est appliqué au matériau, ces « électrons libres » quittent leur atome parent et se déplacent ensemble dans le matériau, formant un courant. La facilité avec laquelle ces électrons peuvent se déplacer dans un conducteur dépend de la facilité avec laquelle ils peuvent se libérer de leurs atomes constitutifs lorsque la tension est appliquée. Ensuite, la quantité d’électrons qui circulent dépend de la résistivité du conducteur.

Les exemples de bons conducteurs sont généralement des métaux tels que le cuivre, l’aluminium, l’argent ou des non-métaux comme le carbone, car ces matériaux ont très peu d’électrons dans leur « couche de valence » externe, ce qui entraîne une grande facilité pour être éjectés de l’orbite de l’atome.

Un Câble Électrique
utilise des Conducteurs
et des Isolants

Cela permet aux électrons de circuler librement à travers le matériau jusqu’à ce qu’ils se joignent à d’autres atomes, produisant un « effet domino » à travers le matériau, créant ainsi un courant électrique. Le cuivre et l’aluminium sont les principaux conducteurs utilisés dans les câbles électriques comme montré.

En général, la plupart des métaux sont de bons conducteurs d’électricité, car ils ont des valeurs de résistance très faibles, généralement de l’ordre de micro-ohms par mètre (μΩ.m).

Isolants

Les isolants sont, quant à eux, l’exact opposé des conducteurs. Ils sont constitués de matériaux, généralement non métalliques, qui ont très peu ou pas d’« électrons libres » dans leur structure atomique de base, car les électrons de la couche de valence externe sont fortement attirés par le noyau interne positivement chargé.

En d’autres termes, les électrons sont liés à l’atome parent et ne peuvent pas se déplacer librement, donc si une tension potentielle est appliquée au matériau, aucun courant ne circulera car il n’y a pas d’« électrons libres » disponibles pour bouger, ce qui confère à ces matériaux leurs propriétés isolantes.

Les isolants ont également des résistances très élevées, de millions d’ohms par mètre, et ne sont généralement pas affectés par les variations de température normales (bien qu’à des températures très élevées, le bois devienne charbon et passe d’isolant à conducteur). Des exemples de bons isolants sont le marbre, le quartz fondu, les plastiques PVC, le caoutchouc, etc.

Les isolants jouent un rôle très important dans les circuits électriques et électroniques, car sans eux, les circuits électriques se court-circuiteraient et ne fonctionneraient pas. Par exemple, des isolants en verre ou en porcelaine sont utilisés pour isoler et soutenir les câbles de transmission aériens, tandis que des matériaux en résine époxy-verre sont utilisés pour fabriquer des circuits imprimés, des PCB, etc., tandis que le PVC est utilisé pour isoler les câbles électriques comme montré.

Principes des Semi-Conducteurs

Les matériaux semi-conducteurs tels que le silicium (Si), le germanium (Ge) et l’arséniure de gallium (GaAs) présentent des propriétés électriques intermédiaires, entre celles d’un « conducteur » et d’un « isolant ». Ils ne sont ni de bons conducteurs ni de bons isolants (d’où leur nom de « semi-conducteurs »). Ils ont très peu d’« électrons libres » car leurs atomes sont étroitement groupés dans un motif cristallin appelé « réseau cristallin », mais les électrons peuvent encore circuler, mais uniquement dans des conditions particulières.

La capacité des semi-conducteurs à conduire l’électricité peut être considérablement améliorée par le remplacement ou l’ajout de certains atomes donneurs ou accepteurs à cette structure cristalline, produisant ainsi plus d’électrons libres que de trous ou vice versa. En d’autres termes, en ajoutant un petit pourcentage d’un autre élément au matériau de base, soit silicium, soit germanium.

Propre à eux-mêmes, le silicium et le germanium sont classés comme des semi-conducteurs intrinsèques, c’est-à-dire qu’ils sont chimiquement purs, contenant uniquement du matériau semi-conducteur. Cependant, en contrôlant la quantité d’impuretés ajoutées à ce matériau semi-conducteur intrinsèque, il est possible de contrôler sa conductivité. Différentes impuretés appelées donneurs ou accepteurs peuvent être ajoutées à ce matériau intrinsèque pour produire des électrons libres ou des trous respectivement.

Ce processus d’ajout d’atomes donneurs ou accepteurs aux atomes de semi-conducteur (de l’ordre d’un atome d’impureté pour dix millions (ou plus) d’atomes du semi-conducteur) est appelé dopage. Comme le silicium dopé n’est plus pur, ces atomes donneurs et accepteurs sont collectivement appelés « impuretés », et en dopant ces matériaux en silicium avec un nombre suffisant d’impuretés, nous pouvons les transformer en matériaux semi-conducteurs de type N ou de type P.

Le matériau semi-conducteur de base le plus couramment utilisé est de loin le silicium. Le silicium a quatre électrons de valence dans sa couche externe qu’il partage avec ses atomes voisins pour former des orbitales complètes de huit électrons. La structure de la liaison entre les deux atomes de silicium est telle que chaque atome partage un électron avec son voisin, rendant la liaison très stable.

Comme il y a très peu d’électrons libres disponibles pour se déplacer dans le cristal de silicium, les cristaux de silicium pur (ou germanium) sont donc de bons isolants, ou au moins des résistances de très haute valeur.

Les atomes de silicium sont disposés selon un motif symétrique précis, ce qui en fait une structure solide cristalline. Un cristal de silice pure (dioxyde de silicium ou verre) est généralement considéré comme un cristal intrinsèque (sans impuretés) et donc sans électrons libres.

Cependant, relier simplement un cristal de silicium à une alimentation par batterie ne suffit pas à en extraire un courant électrique. Pour ce faire, nous devons créer un pôle « positif » et un pôle « négatif » dans le silicium, permettant aux électrons et donc au courant électrique de circuler hors du silicium. Ces pôles sont créés en dopant le silicium avec certaines impuretés.

Structure d’un Atome de Silicium

Le schéma ci-dessus montre la structure et le réseau d’un cristal « normal » de silicium pur.

Principes de Semi-Conducteurs de Type N

Pour que notre cristal de silicium conduise l’électricité, nous devons introduire un atome d’impureté tel que l’arsenic, l’antimoine ou le phosphore dans la structure cristalline, le rendant extrinsèque (des impuretés sont ajoutées). Ces atomes ont cinq électrons externes dans leur orbital le plus externe à partager avec les atomes voisins et sont couramment appelés « impuretés pentavalentes ».

Cela permet à quatre des cinq électrons orbitaux de se lier à leurs atomes de silicium voisins, laissant un « électron libre » qui devient mobile lorsque une tension électrique est appliquée (flux d’électrons). Comme chaque atome d’impureté « donne » un électron, les atomes pentavalents sont généralement connus sous le nom de « donneurs ».

Antimoine (symbole Sb) ainsi que Phosphore (symbole P) sont fréquemment utilisés comme additif pentavalent au silicium. L’antimoine a 51 électrons organisés en cinq couches autour de son noyau, avec l’orbital le plus externe ayant cinq électrons. Le matériau semi-conducteur résultant a un excès d’électrons porteurs de courant, chacun ayant une charge négative, et il est donc appelé un matériau de type N, les électrons étant appelés « porteurs majoritaires », tandis que les trous résultants sont appelés « porteurs minoritaires ».

Lorsqu’ils sont stimulés par une source d’alimentation externe, les électrons libérés des atomes de silicium par cette stimulation sont rapidement remplacés par les électrons libres disponibles des atomes d’antimoine dopés. Mais cette action laisse toujours un électron supplémentaire (l’électron libéré) flottant autour du cristal dopé, le rendant négativement chargé.

Ensuite, un matériau semi-conducteur est classé comme de type N lorsque sa densité de donneurs est supérieure à celle des accepteurs, en d’autres termes, il a plus d’électrons que de trous, créant ainsi un pôle négatif comme indiqué.

Fondamentaux des Semi-Conducteurs – L’Atome d’Antimoine et le Dopage

Le schéma ci-dessus montre la structure et le réseau de l’atome d’impureté donneur d’antimoine.

Principes de Semi-Conducteurs de Type P

Si nous allons dans l’autre sens et introduisons une impureté « trivalente » (3 électrons) dans la structure cristalline, telle que l’aluminium, le bore ou l’indium, qui n’ont que trois électrons de valence disponibles dans leur orbital le plus externe, la quatrième liaison fermée ne peut pas être formée. Par conséquent, une connexion complète n’est pas possible, ce qui donne au matériau semi-conducteur une abondance de porteurs chargés positivement appelés trous dans la structure du cristal où les électrons sont effectivement manquants.

Comme il y a maintenant un trou dans le cristal de silicium, un électron voisin est attiré vers lui et essaiera de se déplacer dans le trou pour le remplir. Cependant, l’électron remplissant le trou laisse un autre trou derrière lui en se déplaçant. Cela attire à son tour un autre électron, qui crée alors un autre trou derrière lui, et ainsi de suite, donnant l’apparence que les trous se déplacent en tant que charge positive à travers la structure du cristal (flux de courant conventionnel).

Ce mouvement de trous entraîne une pénurie d’électrons dans le silicium, transformant l’ensemble du cristal dopé en un pôle positif. Comme chaque atome d’impureté génère un trou, les impuretés trivalentes sont généralement connues sous le nom de « recepteurs », car elles acceptent continuellement des électrons supplémentaires ou libres.

Bore (symbole B) est couramment utilisé comme additif trivalent, car il n’a que cinq électrons organisés en trois couches autour de son noyau avec l’orbital le plus externe ayant seulement trois électrons. Le dopage des atomes de bore entraîne une conduction principalement constituée de porteurs de charge positive, résultant en un matériau de type P, les trous positifs étant appelés « porteurs majoritaires », tandis que les électrons libres sont appelés « porteurs minoritaires ».

D’un autre côté, un matériau semi-conducteur est classé comme de type P lorsque sa densité d’accepteurs est supérieure à celle des donneurs. Par conséquent, un semi-conducteur de type P a plus de trous que d’électrons.

Principes de Semi-Conducteurs – L’Atome de Bore et le Dopage

Le schéma ci-dessus montre la structure et le réseau de l’atome d’impureté accepteur de bore.

Résumé des Principes des Semi-Conducteurs

Type N (par exemple, dopé avec Antimoine)

Ce sont des matériaux auxquels des atomes d’impureté pentavalents (donneurs) ont été ajoutés et qui conduisent par mouvement des « électrons » et sont donc appelés semi-conducteurs de type N.

Dans les semi-conducteurs de type N, il y a :

• 1. Les donneurs sont chargés positivement.
• 2. Il y a un grand nombre d’électrons libres.
• 3. Un petit nombre de trous par rapport au nombre d’électrons libres.
• 4. Le dopage donne :
  •  des donneurs chargés positivement.
  •  des électrons libres chargés négativement.
• 5. L’apport d’énergie donne :
  •  des électrons libres chargés négativement.
  •  des trous chargés positivement.

Type P (par exemple, dopé avec Bore)

Ce sont des matériaux auxquels des atomes d’impureté trivalents (accepteurs) ont été ajoutés et qui conduisent par mouvement des « trous » et sont donc appelés semi-conducteurs de type P.

Dans ces types de matériaux, il y a :

• 1. Les accepters sont chargés négativement.
• 2. Un grand nombre de trous.
• 3. Un petit nombre d’électrons libres par rapport au nombre de trous.
• 4. Le dopage donne :
  •  des accepters chargés négativement.
  •  des trous chargés positivement.
• 5. L’apport d’énergie donne :
  •  des trous chargés positivement.
  •  des électrons libres chargés négativement.

Et les types P et N dans leur ensemble sont électriquement neutres par eux-mêmes.

L’antimoine (Sb) et le bore (B) sont deux des agents de dopage les plus couramment utilisés, car ils sont plus facilement disponibles par rapport à d’autres types de matériaux. Ils sont également classés comme « métalloïdes ». Cependant, le tableau périodique regroupe plusieurs autres éléments chimiques différents, tous ayant soit trois, soit cinq électrons dans leur orbital externe, les rendant adaptés comme matériau de dopage.

Ces autres éléments chimiques peuvent également être utilisés comme agents de dopage pour un matériau de base de silicium (Si) ou de germanium (Ge) afin de produire différents types de matériaux de base semi-conducteurs pour une utilisation dans des composants semi-conducteurs électroniques, des microprocesseurs et des applications de cellules solaires. Ces matériaux semi-conducteurs supplémentaires sont listés ci-dessous.

Tableau Périodique des Semi-Conducteurs