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1 - NOTIONS DE PHYSIQUE DU SEMI-CONDUCTEUR

2 - COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES À COMMANDE EN COURANT

3 - COMPOSANTS ÉLECTRONIQUES À COMMANDE EN TENSION

4 - CHOIX DES COMPOSANTS

5 - BOÎTIERS ET TECHNOLOGIES INTÉGRÉES

6 - CONCLUSION

| Réf : E3960 v1

Notions de physique du semi-conducteur
Composants de l’électronique de puissance

Auteur(s) : François BERNOT

Date de publication : 10 août 2000

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  • François BERNOT : Ingénieur SUPELEC - Professeur des universités à l’École d’ingénieurs de Tour s

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INTRODUCTION

Les composants électroniques que nous étudions dans cette série d’ouvrages sont souvent considérés comme des interrupteurs parfaits. Mais il serait dommage de nous contenter d’une telle approche car quelques notions de physique du semi-conducteur nous permettront de mieux comprendre les mécanismes de commutation et surtout d’appréhender l’évolution rapide du domaine.

Les développements qui suivent sont basés sur des images simples et n’utilisent jamais de démonstrations de physique théorique. En se limitant à ces aspects élémentaires, les principes fondamentaux sont malgré tout présentés, même si leur justification complète est absente. Nous pourrons alors conclure sur l’évolution probable des semi-conducteurs de puissance, en justifiant concrètement nos propos.

Précisons que nous ne parlons pas des tubes électroniques, qui font désormais partie du passé, puisque seules quelques applications de puissance en radiofréquence en ont encore besoin.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e3960


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1. Notions de physique du semi-conducteur

1.1 Classement des matériaux semi-conducteurs

Examinons l’extrait suivant de la table périodique des éléments (figure 1).

Il est intéressant de remarquer le regroupement autour de la quatrième colonne de tous les éléments qui entrent dans la fabrication des composants électroniques : silicium (Si), germanium (Ge), arséniure de gallium (AsGa), antimoniure d’indium (In Sb), auquel il faut intégrer le carbone, dont l’effet diode en association avec un métal pose assez de problèmes dans les bagues de machines tournantes.

Le carbone, le silicium et le germanium sont des éléments de valence 4 ; ce qui signifie qu’ils ont quatre électrons libres sur leur dernière couche. L’arsenic, mélangé au gallium à proportions égales, se comporte globalement de la même façon, tout comme l’antimoine associé à l’indium. Ces noms évoquent déjà les composants primitifs pour le germanium, puis modernes pour le silicium, tandis que l’AsGa est associé aux circuits très rapides et l’InSb aux diodes électroluminescentes.

La raison de ce regroupement provient de la structure cristalline de ces matériaux, qui autorise une pureté extrême, mais aussi de leurs propriétés électriques intermédiaires qui les rendaient totalement inutiles auparavant. En effet, avec des résistivités voisines d’un ohm-mètre, ils ne pouvaient servir ni de conducteurs électriques, ni d’isolants.

Historique rapide

Laissés longtemps à l’imagination des enfants pour construire des châteaux de sable, les matériaux semi-conducteurs excitèrent finalement la curiosité des chercheurs tout au début de ce siècle. Ils leurs trouvèrent des qualités très intéressantes, qui se résumaient alors à une conductivité proportionnelle à leur teneur en impuretés, qui ne permettait encore que de réaliser de mauvaises résistances électriques.

Mais la radiodiffusion naissante avait besoin de redresseurs meilleurs que les tubes à limaille, appelés cohéreurs de Branly. Des inventeurs découvrirent alors les diodes à effet de pointe. Une aiguille métallique chatouillant un morceau de galène permettait de recevoir Radio-Plus, à l’aide d’un grand cadre métallique et d’une paire d’écouteurs. Malheureusement, ces structures au sulfure de plomb avaient une durée...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BOSE (B.K.) -   Modern Power Electronics and AC drives  -  . 2001, Prentice Hall.

  • (2) - BUHLER (H.) -   Électronique de réglage et de commande  -  . 1990, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes.

  • (3) - BUHLER (H.) -   Convertisseurs statiques  -  . 1991, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes.

  • (4) - BUHLER (H.) -   Réglage de systèmes d’électronique de puissance  -  . 1999, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes.

  • (5) - DALMASSO (J.L.) -   Cours d’électrotechnique. 1 : Machines tournantes à courants alternatifs, 1985. 2 : Traitement de l’énergie électrique (convertisseurs statiques) 1984. 3 : Electronique de puissance 1986  -  , Belin.

  • (6) - MILSANT (F.) -   Problèmes d’électronique  -  . 1996, Ellipses.

  • ...

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