Ce guide utile explique le rôle des semiconducteurs dans les technologies modernes, et comment ils ouvrent la voie aux innovations à venir.
Adam Jeffery Responsable de produit de capteurs montés sur carte et de semiconducteurs chez Distrelec
Adam a plus de huit ans d’expérience dans le secteur et est fier de mettre les capteurs les plus innovants du marché à la disposition des ingénieurs et des professionnels. Vouant une véritable passion au progrès technologique, Adam aide ses clients à améliorer leurs applications à l’aide de composants haute qualité.
Table of Contents
- Les semiconducteurs dans la technologie moderne
- Qu’est-ce qu’un semiconducteur ?
- Diodes
- 10 types de semiconducteurs
- 1. Diode PIN
- 2. Diode à courant constant (également appelée diode de régulation de courant)
- 3. Diode Zener
- 4. Diode de redresseur
- 5. Diode de suppression de tensions transitoires (Transil)
- 6. Transistor bipolaire
- 7. Transistor Darlington
- 8. Transistor à effet de champ à jonction (JFET)
- 9. Transistor à effet de champ à grille métal-oxyde (MOSFET)
- 10. Transistor bipolaire à grille isolée(IGBT)
- L’avenir des semiconducteurs
- Marques recommandées
Les semiconducteurs dans la technologie moderne
Les semiconducteurs sont au cœur des principaux appareils techniques, comme les consoles électroniques, les lecteurs de code-barre, les ordinateurs et les microprocesseurs. Composants intrinsèques des périphériques informatisés, les semiconducteurs sont très largement utilisés dans la fabrication de diodes, de transistors et de circuits intégrés. Leur application s’est fortement répandue ces dernières années avec des dimensions de plus en plus petites, des avancées constatées dans les matériaux de semiconduction et l’équipement du semiconducteur, sans oublier leur capacité à créer des circuits intégrés en masse à partir d’une seule puce.
Qu’est-ce qu’un semiconducteur ?
Les semiconducteurs ne sont pas des composants en tant que tels, mais plutôt des matériaux qui peuvent être des éléments purs, comme le silicone ou le germanium, ou des composés comme l’arséniure de gallium ou le séléniure de cadmium. Même si ces matériaux ne sont pas de bons conducteurs ou isolants, ils sont de façon pratique un mélange des deux. Les semiconducteurs (comme leur nom l’indique) peuvent conduire l’électricité, mais uniquement une fois soumis à une stimulation électrique dans un sens particulier. Ils font ainsi office de commutateur électronique, puisqu’ils peuvent être conducteurs ou non, en fonction du 1 ou 0 nécessaire au calcul binaire ou au traitement numérique.
Les semiconducteurs sont petits, fiables, abordables et peu gourmands en énergie, et peuvent donc être tout particulièrement intégrés aux circuits microélectroniques complexes. En tant que composants discrets, ils peuvent être utilisés dans des modules d’alimentation, des émetteurs de lumière ou des capteurs optiques.
Il existe deux types de semiconducteurs, à savoir les semiconducteurs intrinsèques et les semiconducteurs extrinsèques :
| Intrinsèque | Extrinsèque |
|---|---|
| Semi-conducteur pur | Semi-conducteur impur |
| Densité équivalente d’électrons par rapport aux trous | Densité non équivalente d’électrons par rapport aux trous |
| Faible conductivité électrique | Conductivité électrique élevée |
| Dépend de la température | Dépend de la température et de la quantité d’impuretés |
Le silicone est le matériau le plus communément utilisé dans les puces de semiconducteurs et les transistors. Son utilisation est tellement importante qu’il a donné son nom à la « Silicon Valley », aujourd’hui synonyme des entreprises et des produits les plus innovants. Bien qu’il ne soit pas naturellement conducteur, le silicone peut être transformé pour le devenir.
Le dopage est le procédé par lequel le silicone est mélangé avec de l’impureté pour créer un semiconducteur extrinsèque. Pour cela, vous avez le choix entre deux types d’impuretés :
1. Dopage type N :
- De petites quantités de phosphore ou d’arsenic sont ajoutées au silicone.
- Le phosphore et l’arsenic ont cinq électrons périphériques. Quand ils se combinent au silicone, le cinquième électron n’a rien pour se raccrocher et se déplace donc librement.
- Le silicone de type N est un conducteur efficace et s’appelle ainsi, car les électrons ont une charge négative.
2. Dopage de type P :
- De petites quantités de bore ou de gallium sont ajoutées au silicone.
- Ces éléments ont à peine trois électrons périphériques, qui créent des « trous » dans le réseau de silicone où les électrons de silicone n’ont rien pour s’accrocher.
- En l’absence d’électrons, une charge positive est constatée.
- Le courant traverse ces trous, puisque le trou accepte l’électron d’un voisin, créant ainsi un bon conducteur.
La plus infime des deux impuretés peut modifier le comportement du silicone, passant de bon isolant à conducteur fiable. Cela crée un semiconducteur.
Diodes
Les diodes sont créées quand on combine le silicone de type N et de type P. C’est le semiconducteur le plus simple, car le courant circule dans un sens mais pas dans l’autre : il fonctionne donc comme un commutateur qui s’ouvre et se ferme.
La plupart des périphériques qui utilisent des batteries comprennent une diode empêchant le courant de quitter la batterie et protégeant le périphérique si les batteries sont insérées en sens inverse.
10 types de semiconducteurs
1. Diode PIN
Vous les trouverez généralement dans les applications haute tension et les applications nécessitant une commutation rapide. Les diodes PIN se différencient des autres diodes, car le semiconducteur est pris en sandwich entre une couche de semiconducteur de type P et de type N.
2. Diode à courant constant (également appelée diode de régulation de courant)
Les diodes à courant constant sont également appelées diodes à régulation de courant. Elles régulent le courant plutôt que la tension, et permettent au courant de circuler uniquement jusqu’à une certaine valeur, que la diode maintient.
3. Diode Zener
Les diodes Zener permettent au courant de circuler en avant et en arrière. Elles sont souvent utilisées à trois fins différentes : fournir un facteur de régulation de tension, protéger des tensions excessives et faire office de référence de tension.
4. Diode de redresseur
Les diodes de redresseur permettent au courant de circuler dans un seul sens. Elles rectifient le courant alternatif en le convertissant en courant continu à l’aide de redresseurs en pont. Plus robustes que les diodes standard, elles sont plus à même de traiter les charges plus lourdes.
5. Diode de suppression de tensions transitoires (Transil)
Les diodes Transil sont conçues pour protéger les semiconducteurs sensibles des dommages potentiels causés par les tensions transitoires. Grâce à des attributs comme une réponse rapide, une capacitance faible et un courant de fuite faible, elles sont idéales pour des événements de décharge électrostatique (ESD).
6. Transistor bipolaire
Les transistors bipolaires ont des porteurs utilisant des charges positives et négatives. Les applications habituelles des transistors bipolaires sont la commutation et l’amplification. Même s’ils sont souvent intégrés à des circuits analogiques, vous pouvez les acheter à l’unité.
7. Transistor Darlington
Un transistor Darlington a essentiellement deux transistors en un, le premier amplifie le courant à un niveau spécifique et le second l’amplifie encore plus. Les transistors Darlington sont souvent utilisés pour minimiser l’espace sur une carte où deux transistors peuvent être utilisés.
8. Transistor à effet de champ à jonction (JFET)
Les transistors JFET sont généralement utilisés dans des applications de commutation, mais peuvent également fournir une résistance soumise à la tension. Ils disposent de bornes de source et de drain, qui peuvent être utilisées pour ajouter de la résistance au courant électrique ou l’interrompre.
9. Transistor à effet de champ à grille métal-oxyde (MOSFET)
Les transistors MOSFET sont la forme de transistor la plus communément utilisée, en raison de leur application dans les circuits analogiques et numériques. Ce sont des transistors JFET avec quatre bornes (corps, drain, grille et source), bien qu’en pratique, trois d’entre elles sont connectées une fois utilisées. Les transistors MOSFET font office de commutateur en régulant la tension et le flux de courant entre la source et le drain.
10. Transistor bipolaire à grille isolée(IGBT)
Les transistors IGBT se situent entre le transistor bipolaire et le transistor MOSFET. Ils se caractérisent par la vitesse élevée de commutation d’un transistor MOSFET et la basse tension de saturation d’un transistor bipolaire.
L’avenir des semiconducteurs
Les semiconducteurs composés, fabriqués à base de deux éléments ou plus, sont la prochaine génération de semiconducteurs. Ils vont probablement jouer un rôle non négligeable dans les technologies à venir et l’Internet des objets (IdO). Les semidoncteurs composés excèdent les capacités du silicone, car ils sont plus rapides, plus efficaces et plus compatibles avec les technologies ultra haute performance. Considérablement utilisées dans les communications sans fil, vous trouverez des puces fabriquées à base de composés comme l’arséniure de gallium dans presque tous les smartphones, pour des communications haut débit et haute performance à la fois sur les réseaux cellulaires et les réseaux Wi-Fi. Les semiconducteurs composés émettent et détectent la lumière, ce qui est utile pour les LED, les lasers et la fibre optique, et qui n’est pas possible avec le silicone. Cette particularité, alliée à l’efficacité élevée des semiconducteurs composés, sera porteuse d’innovation dans de nombreux domaines comme la 5G, la robotique, l’intelligence artificielle, les véhicules autonomes et l’énergie renouvelable.
Les développements de l’informatique quantique seront également source de progrès en matière de semiconduction, étant donné les entreprises s’efforcent de créer des ordinateurs quantiques dotés d’une puissance de traitement exceptionnelle. Alors que la recherche initiale s’est concentrée sur des systèmes fonctionnant à température nulle, l’utilisation des semiconducteurs permet de développer des ordinateurs quantiques qui seront utilisés à température ambiante. Nous sommes ainsi plus proches que jamais de réaliser commercialement l’informatique quantique, véritable révolution pour la société moderne.
