Courant électrique

Comportement des électrons

Dans un atome isolé

L’atome de Béryllium est assez simple pour que l’on puisse en détailler la structure électronique ce qui permet de constater que les deux électrons (1 et 2) saturent l’orbite (K) et que les électrons (3 et 4) occupent séparément les orbites  (L1 et L2) qui se prolongent chacune par un disque de valence, selon les axes (x.x’) et (y y’).

Ces deux électrons, chacun sur une orbite (3 et 4) sont vulnérables. Avec une certaine énergie, ou température dite d’ionisation, ils pourraient être éjectés hors de l’atome.

Il faut savoir que ce sont les électrons libres échappés des atomes d’un conducteur qui, sous l’action d’un champ électrique, génèrent un courant.

Deux électrons en opposition de phase sur une même orbite (1 et 2 sur K) saturent ladite orbite.

L’orbite (3) où gravite un seul électron peut se lier en se saturant à l’orbite d’un autre atome

Si les deux atomes (A et B) de Béryllium se lient par un seul de leurs deux disques de valence, il leur reste chacun un disque de valence libre qui peut se lier à un nouvel atome. En se liant ainsi de suite les uns aux autres les atomes constituent un cristal électriquement isolant, car tous les électrons sont prisonniers de cette structure.

Deux atomes (A et B) de Béryllium se lient par leurs orbites, les électrons correspondants y gravitent séparément mais en opposition de phase, de sorte que les dites orbites sont saturées et ne peuvent admettre de nouveaux électrons.

Dans un cristal :

Dans un cristal de diamant, les quatre disques de valence (1, 2, 3, et 4) d’un atome de carbone (0) sont occupés par une liaison avec un autre atome. De la sorte tous les électrons sont prisonniers et le diamant est un excellent isolant.

Le diamant est un isolant parfait dont la résistivité est de l’ordre de 1014  ohm/cm

Les mêmes atomes de carbone (0) liés entre eux par seulement trois (1, 2, 3) de leurs quatre disques de valence s'étalent dans un seul plan. Ce cristal s'assemble avec ses voisins pour former des feuillets (graphite), entre lesquelles circulent certains des quatrièmes électrons non protégés. Ces électrons libres sous l’action d’un champ électrique, génèrent un courant. Le graffite est un excellent conducteur.

Un solide comme le diamant dépourvu d’électrons libre est isolant. A l’inverse le solide qui contient des disques de valence  libres est un conducteur

Dans une solide mécanique :

Le cuivre après l’argent est le meilleur conducteur de la chaleur et de l’électricité, mais cette conductivité est très affectée par d’éventuelles impuretés (phosphore, arsenic, et aluminium). Les atomes étrangers déforment la chaîne d’électrons et rendent plus difficile la transmission de leur mouvement.

Les atomes métalliques ont des caractéristiques particulières : ils possèdent peu d’électrons sur leurs couches externes (2 pour le cuivre) de plus ils sont faiblement liés au noyau, et s’en détachent facilement. De sorte que les atomes métalliques dépourvus de leurs électrons de valence ne peuvent se lier entre eux. Pourtant dans un solide métallique, les atomes groupés par huit forment une succession de mailles cubiques.

Les 8 atomes d’une maille d’un cristal métallique de cuivre en formation deviennent des ions positifs en perdant leurs 16 électrons externes qui restent dans le proche environnement sous la forme d’un nuage.

Les vecteurs de force qui se créent entre les 16 charges positives des ions atomiques et les 16 charges négatives des électrons s’équilibrent en assurant la cohésion de la maille qui globalement est neutre.

Conduction thermique

Dans un conducteur, comme un fil de cuivre, relié à aucune source électrique, les électrons libres des différentes mailles, en fonction de la chaleur ambiante, s’agitent selon des directions aléatoires Ce qui veut dire qu'en moyenne, les électrons se déplacent autour d'un point d'équilibre fixe. S’il arrive qu’un électron saute d’une maille à sa voisine : il s’en suit que la maille réceptrice devient négative et celle qui a perdu l’électron positive. Instantanément l’équilibre électrique se rétablit par l’action inverse.

Conduction électrique

Soit un générateur électrique (G) que l’on relie par des conducteurs aux bornes (P et N) d’un échantillon de résistance (R). Selon l’importance de la tension (U) et de la résistance (R) le pôle (P) absorbe une quantité (x) d’électrons des mailles du premier rang (1) dudit échantillon, ces mailles N°1 devenant positives attirent le même nombre (x) d’électrons des mailles du deuxième rang (N°2) et ainsi de suite de rang en rang jusqu’au dernier en (N°5) qui devenant positif attire la même quantité (x) d’électrons venant du générateur.

Dans le circuit, il y a instantanéité entre l’instant où nous manoeuvrons un interrupteur et l’instant où la tension (U) jaillit aux bornes de l’échantillon de résistance (R). C’est parce que les fils électrique et l’échantillon de résistance (R) sont pleins d’électrons libres qu’en appuyant sur l’interrupteur, un champ électrique s’établit dans tout le circuit de l’échantillon (R) à une vitesse voisine de celle de la lumière (273 000 km/s dans le cuivre). C’est ce champ qui met les électrons en mouvement partout dans le échantillon. Ces électrons par paquets de (x) sautent d’un rang de mailles au rang suivant à une vitesse beaucoup plus réduite, voisine de 0,6 mm/s.

A l’instant où la tension (U) apparaît aux bornes de l’échantillon, les électrons qu’il contient ne sont pas ceux qui sont passés dans l’interrupteur juste au moment où nous l’avons actionné. Ces derniers arriveront plus tard. C’est comme lorsqu’on ouvre le robinet d’un tuyau d’arrosage. Si le tuyau est plein d’eau, l’eau sort presque tout de suite à l’extrémité du tuyau, même s’il est très long. L’eau qui sort est celle qui était “en attente” juste avant l’extrémité du tuyau, pas celle qui sort du robinet et qui arrivera plus tard. En ouvrant le robinet, c’est la pression qui met l’eau en mouvement dans le tuyau à la vitesse d’environ 1000m/s.

Lorsqu’il s’agit d’un courant alternatif (50ou 60 Hz selon les pays), les électrons font des allers-retours 50 ou 60 fois par seconde de sorte qu’ils restent quasiment sur place seule leur oscillation se propage de rang de maille en rang de maille.

Les métaux ont une résistivité de l’ordre 10-6 ohm / cm

Dans un tube à vide :

Par contre lorsqu'un courant continu traverse un tube électronique, dans lequel règne le vide, c'est bien un flux d'électrons qui passe d'une électrode à l'autre à une vitesse de l'ordre de 15 kilomètres par seconde. Alors que le flux électrique qui met les électrons en mouvement, se déplace quant à lui à une vitesse très proche de celle de la lumière.

Dans un électrolyte :

Dans les électrolytes, solutions contenant simultanément des ions chargés positivement et des ions chargés négativement, toutes les particules chargées participent à la circulation du courant. Les charges positives circulent dans le sens conventionnel et les charges négatives dans l'autre sens.

Semiconducteur

Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus utilisé commercialement, du fait de ses bonnes propriétés, et de son abondance naturelle ; il existe également des dizaines d'autres semi-conducteurs utilisés, comme le germanium, l'arséniure de gallium ou le carbure de silicium.


Un semi-conducteur est un cristal de silicium qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, comme le diamant mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible, est suffisamment importante. Sa résistivité, selon la température, varie de 10-3 à 109 ohm / cm. A 20° C, le réseau cristallin du silicium est le siège d’une agitation thermique importante. Des électrons sont alors arrachés de leur orbite et, dans leur cheminement se recombinent avec des atomes qui précédemment avaient perdu un électron.

La quantité d’électrons libres est toujours égale à la quantité de “trous” prêts à accepter un électron, car la formation d’un trou est la conséquence du départ d’un électron.

La conductivité électrique des semi-conducteurs peut être contrôlée par dopage, en introduisant une petite quantité d'impuretés dans le matériau afin de produire un excès d'électrons ou un déficit.

Dopage en électrons type N :

Les atomes de silicium (Si), comme le diamant, ont quatre disques de valence. Ceux-ci permettent la liaison avec 4 atomes voisins.

Dessin N°1.- Cristal de silicium pur

Pour doper un cristal de silicium en électrons, on inclut des atomes ayant cinq disques de valence comme: le phosphore (P), l'arsenic (As) ou l'antimoine (Sb) et dont l’électron du cinquième disque est faiblement lier à l’atome.

Dessin N° 2 - Cristal de silicium avec une impureté

Dans le dessin N°2 ci-dessus, l’atome de phosphore (D) remplace l’atome de silicium marqué (o) dans le dessin N°1. Ce nouvel atome de phosphore lie quatre de ses disques de valence aux mêmes atomes de silicium (1, 2, 3, et 4), que précédemment Dans cette organisation le cinquième disque de valence l’atome de phosphore (D) est en “excès”. A la température de 20° C, l’agitation thermique arrache cet électron de son orbite. Ainsi l’atome d’impureté devient positif ((cation) puisqu’il perd une charge négative.

Pour un dopage correct d’un semi conducteur on y introduit un certain nombre d’atomes d’impuretés qui génèrent autant d’électrons libre que de trous. Toutefois, ces charges opposées étant contenues dans le même volume, la charge résultante est nulle.

En réalité l’attirance de ce trou est faible. Il en résulte que dans le cas d’un certain nombre d’atomes de phosphore et aux températures ordinaires, la quantité d'électrons libres dépasse de loin celle des “trous”.

Il s’agit ici d’un semi-conducteur du type (N) dans lequel les atomes d’impureté ayant libéré un électron sont appelés “donneurs”. Ces électrons, en plus grand nombre que les trous, sont dits “majoritaires” et puisqu’ils sont porteurs d’une charge négative on les appelle “porteurs majoritaires”. De leur coté les trous sont dits porteurs minoritaires ou accepteurs.

Dans le matériau N, tout se passe comme si on avait injecté des électrons ou porteurs majoritaires, Quelques trous subsistent, dans le maillage, dus à l’agitation thermique, ce sont des porteurs minoritaires.

Dopage en trou de type (P)

Dessin N°3

Le dopage en trous consiste à inclure dans le semi-conducteur, un certain nombre d'atomes pauvres en électrons, généralement un atome de bore (0). Cet atome n'ayant que trois disques de valence (1, 2, 3), ne peut créer que trois liaisons avec ses voisins.

Dans le dessin ci-dessus, l’atome de bore (0) lie trois de ses disques de valence à trois atomes de silicium (1, 2, et 3). En face l’atome de silicium (Si) dont le quatrième disque de valence (4), était précédemment lié à celui du silicium remplacé par le bore se trouve inoccupé. Selon la règle de l’octet, lorsqu’un atome quadrivalent n’a que trois disques de valence occupés le quatrième inoccupé constitue un trou prêt à accueillir un électron. Il faut bien comprendre que l’atome de silicium dont le quatrième disque de valence n’est pas occupé est globalement neutre et qu’il devient un ion négatif lorsqu’un électron vient s’y loger.

Par ailleurs l’agitation thermique pourra arracher un électron en place sur une quatrième orbite et venir, plus loin, occuper un trou créant ainsi un atome ionisé négativement (anion). Mais cet ÉLECTRON manquera à l’atome de silicium dont il est issu. Tout se passe comme si le trou s’était lui-même déplacé. Mais pour une quantité suffisante d’impuretés du type (atome de bore), le nombre de “trous” dépasse de loin le nombre d'ÉLECTRONS libres.

Il s’en suit que les électrons libres, dans ce cas, sont en infériorité numérique par rapport aux trous, ils prendront l’appellation de porteurs minoritaires. Les atomes les ayant libérés sont les donneurs qui après cette opération sont ionisés positivement (cations).

Dans le matériau P, tout se passe comme si on avait injecté des trous ou porteurs majoritaires. Quelques électrons libres subsistent, dus à l’agitation thermique, ce sont les porteurs minoritaires.

Il faut souligner, pour ce qui va suivre, que les trous ne se déplacent pas dans le réseau cristallin. Seuls, les électrons se déplacent

La conséquence du départ d’un électron est un trou à l’emplacement qu’il occupait précédemment. Il y a donc circulation d’électrons dans un sens et l’apparence d’un déplacement de trous en sens inverse.

On peut aussi considérer les “trous” comme une charge positive apte à absorber un électron.

Sous un champ électrique convenable, les trous, appelés “porteurs de charge positive”, circulent, en quelque sorte, en direction du pôle négatif.

Jonction P-N : effet diode :

Une jonction P-N est créée par la mise en contact d'un semi-conducteur dopé N et d'un semi-conducteur dopé P.

Si l'on applique une tension positive du côté de la région P, cette tension attire les électrons minoritaires et laisse un plus grand nombre d’atomes porteurs d’un trou. Dans le même temps, les électrons, côté N, sont poussés par ceux venant du pôle négatif. à la jonction, soit des électrons tombent dans un trou, soit continuent leur course au travers de l'autre semi-conducteur de type (P) jusqu'à atteindre l'électrode opposée (+). L’intensité du courant varie en exponentielle de la tension

Si la différence de potentiel est inversée.

En  appliquant une tension négative du côté de la région P, cette tension repousse les électrons minoritaires dont certains, en passant, comblent les trous des atomes proche de la jonction qui deviennent des ions négatifs, alors que le pôle positif  attire les électrons de la région N et laissent des trous dont les atomes deviennent des ions positifs. Mais ces trous sont amovibles car ils font partie de la structure du cristal.
Les atomes porteurs d’un trou d’un côté et les électrons de l’autre côté s'éloignent de la jonction, bloquant ainsi le passage du courant.. Ce comportement asymétrique est utilisé notamment pour redresser le courant alternatif.
La jonction P-N est à la base du composant électronique nommé diode, qui ne permet le passage du courant électrique que dans un seul sens.

Deux représentations théoriques d’une diode

LED - diodes électroluminescentes :

Le nitrure de gallium (GaN) est un semi-conducteur qui peut être dopé par du silicium pour devenir un semi-conducteur de type n, ou par du magnésium pour le type p.

Si l'on applique une tension positive du côté de la région P, cette tension attire les électrons minoritaires et laisse un plus grand nombre d’atomes porteurs d’un trou. Dans le même temps, les électrons, côté N, sont poussés par ceux venant du pôle négatif. A la jonction, soit des électrons tombent dans un trou, en émettant des photons, soit continuent leur course au travers de l'autre semi-conducteur de type (P) jusqu'à atteindre l'électrode opposée (+).

Une diode électroluminescente,fonctionne selon le principe des semi-conducteur, dont la structure est aménagée pour créer un flux lumineux et le  laisser passer par une fenêtre transparente.

C’est lors de la recombinaison d’un électron et d’un trou (atome auquel il manque un électron) dans un semi-conducteur qu’il y a émission d’un photon. Dans une transition émissive, l’énergie du photon créé est donnée par la différence des niveaux d’énergie avant (E>i) et après (Ef)) la transition : hν = Ei − Ef (eV). Une diode électroluminescente est une jonction P-N qui doit être polarisée en sens direct lorsqu’on veut émettre de la lumière. La plupart des recombinaisons sont radiatives. La face émettrice de la LED est la zone P car c’est la plus radiative.

La longueur d’onde du rayonnement émis dépend du matériau utilisé. Toutes les valeurs du spectre lumineux peuvent être atteintes avec les matériaux actuels.

Les diodes électroluminescentes sont utilisées à la production des infrarouges, comme par exemple pour agir à distance sur un téléviseur  La télécommande contient une diode électroluminescente émetteur de rayons infrarouge.   Les rayons sortent de la télécommande et arrivent sur le récepteur infrarouge de la télévision. Ce récepteur est une photodiode, qui est capable de transformer le signal lumineux qu'elle reçoit en signal électrique. Ensuite, le signal électrique passe dans le circuit électronique de la télévision.

Une récepteur photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de détecter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en signal électrique.

Quand un semi-conducteur est exposé à un flux lumineux, les photons sont absorbés à condition que l’énergie du photon (Eph = hν) soit supérieure à l’énergie d’ionisation.. Ceci correspond à l'énergie nécessaire que doit absorber l'électron afin qu'il puisse quitter l’atome qui assurer la cohésion de la structure.

Les diodes électroluminescentes munies d’un culot classique peuvent, dès à présent, remplacer les ampoules à incandescence, jusqu'à un équivalent de 100 watts. Mais elles coûtent environ dix fois plus chères que ces dernières, en revanche elles consomment énormément moins et durent énormément plus (en principe 40 ans!). C'est un investissement rentable.

Transistor

Une troisième région peut être dopée pour former des doubles jonctions N-P-N qui forment les transistors bipolaires. Dans ce cas-là, les deux semi-conducteurs de même type N sont appelés l' émetteur et le collecteur. Le semi-conducteur situé entre l'émetteur et le collecteur est appelé la base, et a une épaisseur de l'ordre du micromètre. Lorsqu'on polarise la jonction émetteur-base en direct, celle-ci est passante alors que la jonction base-collecteur est bloquée. Cependant la base est assez fine pour permettre aux nombreux porteurs majoritaires injectés depuis l'émetteur (fortement dopé) de la traverser avant d'avoir le temps de se recombiner. Ils se retrouvent ainsi dans le collecteur, produisant un courant contrôlé par la tension de base.

Les flèches indiquent le sens de circulation des électrons

Les flèches  représentent  le sens de circulation des électrons qui est à l’inverse du sens conventionnel Il faut donc veiller à ne pas faire de confusion entre ces deux manières de représenter la circulation des charges électriques.

Le courant base est donc constitué de deux courants en sens opposé.

Nous constatons, qu'à l'aide d'un faible courant base IB, sous une faible tension B1 (polarisation directe de la jonction N1P), on contrôle un courant collecteur important IC, sous une tension B2 plus élevée que celle de B1.

En résumé :

A l'aide d'une très faible puissance, on contrôle une puissance beaucoup plus importante.

Le transistor est un amplificateur de puissance.

Les circuits intégrés

Jack Kilby (1923 – 2005) cet Américain, alors employé par Texas Instruments, en 1958,créa le tout premier circuit intégré tout simplement en reliant entre eux différents transistors. Il ne faudra par la suite que quelques mois pour passer du stade de prototype à la production en masse de puces en silicium contenant plusieurs transistors.

Puis des ensembles de transistors interconnectés en circuits microscopiques dans un même bloc, permirent la réalisation des mémoires, ainsi que des unités logiques et arithmétiques. Ce concept révolutionnaire concentrait dans un volume incroyablement réduit, un maximum de fonctions logiques, auxquelles on accédait à travers des connexions réparties à la périphérie du circuit. Cette découverte valut à Kilby un prix Nobel de physique en 2000,

Circuit intégré numérique

Les circuits intégrés numériques les plus simples sont des portes logiques, les plus complexes sont les microprocesseurs et les plus denses sont les mémoires.

On trouve de nombreux circuits intégrés dédiés à des applications spécifiques pouvant réunir toutes les fonctions requises pour le fonctionnement d’un appareil dont il est le seul composant