20.Electronique : Notions et références de base 1) La matière de base, le silicium
Pour la réalisation de circuits électroniques, il existe une matière principale qui est la plus importante et qui est le silicium (Si). Aussi, il existe du germanium(Ge). Ces matières ont la qualité chimique par le tableau de Mendeleïev étudié ci-avant, d’être des corps avec 4 électrons de valence. Par rapport au nombre maximum d’électrons sur la couche externe de 8 électrons, ces éléments sont donc juste équilibrés au milieu. La matière existe sous la forme de 2 éléments soit Si0 avec 4 électrons externes ou Si4+ avec 0 électron externe. L’électronégativité est mesurée à 1.8 V qui est la tension mesurée de changement d’état
(Si0 – 4 e- -> Si4+) lorsque les conditions externes de températures et de pression sont réalisées. Entre les cristaux purs de Si0 et 4 Si4+, il existerait une tension de 1.8 V pour faire passer du courant. En pratique, on mélange les 2 états de cristaux et on les mélange de manière homogène à chaud. On obtient donc en pratique la couche externe utile qui comprend 4 électrons (Si0) et 4 trous d’électrons (Si4+). On obtient donc des matières négatives Si0
dopées positivement Si4+et des matières positives Si4+dopées négativement Si0. Il existe également un dopage par atomes extérieurs comme le phosphore P pour dopage N ou de bore B pour dopage P. Pour voir dans le temps comment résistent ces matières, on devrait mesurer d’abord la résistance mécanique du cristal (~ 7 kgf’/mm2). A l’aide de la constante de Boltzmann (k = 1.3 10-23 J/atome K), on remarque que les vibrations intrinsèques et les vibrations sonores se propagent, sans dommage, à l’intérieur à une vitesse de +/- 300 m/s (vibration 3D). La vitesse de rotation de stabilisation des électrons externes s’élève elle à environ 3 106 m/s. Il n’y a pas de problème de cassure si ce n’est par surchauffe par intensité de courant trop grande, ce qui montre une limitation. La tension de référence du cristal est normalement toujours forcée par les cartes à 0 V de masse mais si cette tension est plus élevée en fréquence (p. ex. : 220 V 50 Hz), le circuit électronique suit cette tension qui est élevée par les électrons des couches internes du Silicium et les caractéristiques externes sont inchangées.
2) La fonction de base d’une diode
Commençons d’abord par la définition technique d’une diode. Celle-ci consiste en un élément technique qui laisse passer le courant dans un sens (après une tension de lancement qui actuellement est très souvent à 0.6 V) et qui se bloque dans l’autre sens. En cas de passage du courant, la résistance équivalente après la tension de lancement vaut typiquement environ
1.5 Ω. Sa caractéristique est reprise ci-après.
Entrons maintenant dans la réalisation scientifique de cette application technique de base. On prend un élément (P) positif (Si4+) dopé légèrement négativement (Si0) et un élément
négatif (Si0) dopé légèrement positivement (Si4+).
Il semblerait que l’optimum recherché serait de type filiforme ce qui lui donne une durée de vie plus limitée (10 à 20 ans). Le constructeur considère alors en théorie un modèle à 3 atomes par élément de base N ou P : N : 2 atomes Si0 et 1 atome Si4+
P : 2 atomes Si4+ et 1 atome Si0
Il réalise le mélange homogène dans chacune des parties puis réalise la diode en juxtaposant les 2 éléments de base. Apparemment, il trouve alors une tension de :
Si0 : + 0 V N : 2 * 0 V + 1 * 1.8 V = 0.6V
3
Si4+ : +1.8 V P : 2 * 1.8 V + 1 * 0 V = 1.2V
3
Il reste donc une différence de potentiel de saut de potentiel de 1.2 - 0.6 = 0.6 V
Pour obtenir des éléments à durée de vie plus longue (ex. oscilloscope, etc.…), le constructeur applique un modèle à 3 D plus performant et arrive à une différence de potentiel de 0.9 V par
Si0 : + 0 V N : 6 * 0 V + 2* 1.8 V = 0.45V
8
Si4+ : +1.8 V P : 6 * 1.8 V + 2 * 0 V = 1.35V
3
Il reste donc une différence de potentiel de saut de potentiel de 1.35 - 0.45 = 0.9 V
Ceci est une base théorique qui doit être vérifiée par l’expérience du constructeur.
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