Différents types de semi-conducteurs sont à la base d'une vaste gamme d'applications, des appareils électroniques de base aux systèmes de communication les plus avancés. Comprendre leur fonctionnement nous permet de choisir les composants adaptés à chaque projet ou application.
Mais qu'est-ce qu'un semi-conducteur, exactement ? Cet article vous l'expliquera, analysera ses six principaux types et illustrera leurs applications par des exemples.
Vous aurez ainsi une vue d'ensemble de la manière dont ces composants alimentent la technologie actuelle et vous pourrez choisir ceux qui conviennent le mieux à vos projets.
Lisez la suite !
Que sont les dispositifs semi-conducteurs ?
Les dispositifs semi-conducteurs sont des composants électroniques fabriqués à partir de matériaux dont la conductivité électrique est intermédiaire entre celle d'un conducteur (comme le cuivre) et celle d'un isolant (comme le verre).
Ces dispositifs contrôlent le flux de courant électrique en exploitant les propriétés uniques des semi-conducteurs, tels que le silicium ou le germanium.
Ils sont essentiels à l'électronique moderne, permettant l'amplification, la commutation et la conversion d'énergie dans les circuits.
En résumé, les dispositifs semi-conducteurs sont des composants électroniques qui utilisent des semi-conducteurs.
Que sont les semi-conducteurs ?
Les semi-conducteurs sont des matériaux dont la conductivité électrique est intermédiaire entre celle des conducteurs et celle des isolants. Cette propriété unique leur permet de contrôler le courant électrique d'une manière différente des conducteurs et des isolants.
Dans un dispositif semi-conducteur, de faibles variations de tension ou de courant peuvent entraîner des changements significatifs de son comportement, ce qui les rend idéaux pour la commutation, l'amplification du signal et la gestion de la puissance dans les systèmes électroniques. Ces dispositifs sont essentiels pour de nombreuses applications, de la gestion de l'énergie dans les appareils électroménagers au traitement complexe des données dans les ordinateurs et les smartphones.
La capacité des matériaux semi-conducteurs à conduire l'électricité est souvent modifiée par l'ajout d'impuretés, un procédé appelé dopage, qui crée des régions au sein du matériau présentant des propriétés électriques différentes.
Ces régions permettent aux dispositifs semi-conducteurs tels que les diodes et les transistors de réguler le courant, ce qui les rend essentiels dans l'électronique moderne.
6 types de dispositifs semi-conducteurs et leurs applications
- Composants discrets
Les composants semi-conducteurs discrets sont des composants électroniques individuels dotés d'une fonction unique. Ils constituent des éléments de base essentiels des systèmes électroniques, réalisant des opérations indispensables telles que la commutation, l'amplification et le redressement. Voici quelques exemples de composants discrets courants :
- Diodes
- Transistor
- Thyristors
- Modules
Découvrons plus en détail chacun de ces composants :
- Diodes
Les diodes Ce sont des tubes électroniques unidirectionnels qui ne laissent passer le courant que dans un seul sens. Leur application la plus courante est le redressement, c'est-à-dire la conversion du courant alternatif (CA) en courant continu (CC). On les utilise dans les alimentations électriques, les chargeurs de batterie et la démodulation de signaux.- Exemple : Dans un circuit de puissance, les diodes empêchent les courants inverses, protégeant ainsi les composants sensibles contre les dommages.
- Transistor
Transistors Ils sont essentiels à l'amplification et à la commutation des signaux électroniques. On distingue deux principaux types : les transistors bipolaires (BJT) et les transistors à effet de champ (FET). Les BJT sont fréquemment utilisés pour l'amplification, tandis que les FET sont principalement employés pour les applications de commutation en raison de leur rendement élevé.- Exemple : Les transistors sont couramment utilisés dans les processeurs, les amplificateurs et les commutateurs. Dans le processeur d’un ordinateur, les transistors traitent les données binaires en agissant comme de minuscules commutateurs.
- Thyristors
Thyristors Ce sont des dispositifs fonctionnant comme des interrupteurs bistables : ils conduisent lorsqu’une impulsion de courant est appliquée à leur grille et restent conducteurs tant qu’ils sont polarisés en direct. Ils sont particulièrement utiles dans les applications de forte puissance telles que la régulation de la vitesse des moteurs, les variateurs de lumière et les systèmes de contrôle de pression.- Exemple : Les thyristors sont souvent utilisés en électronique de puissance, notamment dans les moteurs industriels et les systèmes de contrôle de puissance en courant alternatif.
- Modules
Les modules sont des assemblages de dispositifs semi-conducteurs, généralement composés de plusieurs composants tels que des diodes, des transistors et des thyristors, intégrés dans un seul boîtier. Ils sont utilisés dans des applications exigeant une puissance et un rendement élevés, comme les onduleurs et les systèmes de conversion d'énergie.- Exemple : Les modules de puissance sont utilisés dans les onduleurs solaires pour convertir le courant continu (CC) provenant des panneaux solaires en courant alternatif (CA) pour un usage domestique.
2. Dispositifs optiques
Les dispositifs optiques semi-conducteurs convertissent les signaux électriques en lumière et inversement. Ces dispositifs sont essentiels aux systèmes de communication, aux capteurs et aux technologies d'affichage. Les principaux types de dispositifs optiques sont :
- Dispositifs électroluminescents (DEL)
- Photodétecteurs
- Dispositifs optiques composites
- Dispositifs de communication optique :
Dispositifs électroluminescents (DEL)
Les DEL génèrent de la lumière lorsqu’un courant les traverse, ce qui les rend très efficaces pour les technologies d’éclairage et d’affichage. Elles sont largement utilisées pour leur longue durée de vie, leur efficacité énergétique et leurs avantages environnementaux. - Exemple : Les LED sont à la base des systèmes d’affichage modernes, notamment ceux utilisés dans les téléviseurs, les smartphones et les écrans publicitaires.
Les photodétecteurs
, tels que les photodiodes et les phototransistors, convertissent la lumière en signaux électriques. Ils sont essentiels dans les applications de détection, comme les appareils photo, les souris optiques et les cellules solaires. - Exemple : Les photodétecteurs font partie intégrante des systèmes de communication par fibre optique, où ils convertissent les signaux lumineux en signaux électriques.
Dispositifs optiques composites
Les dispositifs optiques composites regroupent plusieurs fonctions, telles que la détection et l'émission de lumière, en un seul composant. Ils sont essentiels dans les systèmes optiques complexes où l'espace et les performances sont des critères primordiaux. - Exemple : Dans les systèmes de transmission de données optiques, les dispositifs composites peuvent émettre et recevoir des signaux lumineux, garantissant ainsi une communication rapide et fiable.
Dispositifs de communication optique :
Ces dispositifs transmettent des données par la lumière. Ils sont essentiels aux systèmes Internet à haut débit, aux centres de données et aux réseaux de communication longue distance. La vitesse et l’efficacité des dispositifs de communication optique ont révolutionné la transmission des données à l’échelle mondiale. - Exemple : Les réseaux de fibre optique utilisent des dispositifs de communication optique pour transmettre d’énormes quantités de données à la vitesse de la lumière, garantissant ainsi des connexions Internet à haut débit.
3. Dispositifs micro-ondes
Les dispositifs semi-conducteurs micro-ondes fonctionnent à des fréquences très élevées (supérieures à 1 GHz) et sont utilisés dans des applications telles que le radar, les communications sans fil et la transmission par satellite. Ces dispositifs peuvent être classés en :
- Dispositifs micro-ondes discrets
- Circuits intégrés (CI) micro-ondes
- Modules micro-ondes :
micro-ondes discrets.
Les composants micro-ondes discrets, tels que les diodes Gunn et les diodes IMPATT, servent à générer et à amplifier des signaux micro-ondes à haute fréquence. Ils sont essentiels aux systèmes radar et aux technologies de communication sans fil. - Exemple : Les diodes Gunn sont utilisées dans les radars de police pour mesurer la vitesse des véhicules en générant des signaux micro-ondes qui se réfléchissent sur les objets en mouvement.
Les circuits intégrés micro-ondes
intègrent de multiples fonctions, telles que la génération, l’amplification et le filtrage du signal, sur une seule puce. On les retrouve dans les téléphones portables, les systèmes de communication par satellite et les systèmes radar militaires. - Exemple : Les circuits intégrés micro-ondes des téléphones portables permettent la transmission et la réception de signaux à haute fréquence, assurant ainsi des communications sans fil fiables.
Modules micro-ondes
Les modules micro-ondes sont des ensembles qui regroupent plusieurs composants micro-ondes, souvent des éléments passifs et actifs, dans un seul boîtier. Ces modules sont utilisés dans les systèmes de communication complexes où la compacité et les hautes performances sont essentielles. - Exemple : Les transpondeurs satellitaires utilisent des modules micro-ondes pour amplifier et transmettre des signaux de la Terre vers l'espace et vice versa, assurant ainsi une communication claire et ininterrompue.
4. Capteurs.
Les capteurs sont des dispositifs semi-conducteurs qui détectent les variations des conditions environnementales et les convertissent en signaux électriques. Ils sont essentiels pour des applications dans les systèmes automobiles, la santé, l'automatisation industrielle et l'électronique grand public.
- Exemple : Dans les automobiles, les capteurs détectent des paramètres tels que la température, la pression et la vitesse, fournissant des données essentielles aux systèmes de contrôle du véhicule pour un fonctionnement optimal.
Types de capteurs
- Capteurs de température : Utilisés dans les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation pour surveiller et contrôler la température.
- Capteurs de pression : Utilisés dans les applications industrielles pour détecter les variations de pression dans les liquides ou les gaz.
- Capteurs de proximité : Utilisés dans l’électronique grand public, comme les smartphones, pour détecter la proximité de l’utilisateur et ajuster automatiquement des fonctions telles que la luminosité de l’écran.
5. Circuits intégrés (CI)
Les circuits intégrés (CI) sont des dispositifs semi-conducteurs qui regroupent de nombreux composants électroniques, tels que des transistors, des diodes, des condensateurs et des résistances, sur une seule puce. Ils ont révolutionné l'électronique moderne en permettant des conceptions plus complexes et plus compactes. Les principaux types de CI sont :
- Souvenirs
- Microprocesseurs (MPU)
- circuits intégrés logiques
- circuits intégrés analogiques
Souvenirs
Les circuits intégrés de mémoire sont responsables du stockage des données. Cela inclut la mémoire volatile (comme la RAM) et la mémoire non volatile (comme la mémoire flash). Ces circuits intégrés sont essentiels aux ordinateurs, aux appareils mobiles et à tout autre système nécessitant un stockage de données.
- Exemple : Les circuits intégrés de mémoire flash sont utilisés dans les clés USB et les SSD pour un stockage et une récupération rapides des données.
Microprocesseurs (MPU)
Les microprocesseurs sont le cerveau de l'électronique moderne et contrôlent le fonctionnement des ordinateurs et des smartphones. Ils effectuent des opérations arithmétiques et logiques, permettant ainsi aux appareils d'exécuter des programmes et de réaliser des tâches.
- Exemple : La plupart des ordinateurs et des ordinateurs portables sont équipés de microprocesseurs de la série Intel Core, prenant en charge toutes les tâches, de la navigation web aux calculs complexes.
circuits intégrés logiques
Les circuits intégrés logiques réalisent des opérations booléennes et sont utilisés dans les appareils nécessitant une prise de décision numérique. Ils sont essentiels dans des systèmes tels que les horloges numériques, les calculatrices et les systèmes numériques plus complexes comme les ordinateurs.
- Exemple : Les circuits intégrés logiques sont utilisés dans les systèmes informatiques pour gérer les tâches de manipulation de données et de contrôle des processus.
circuits intégrés analogiques
Les circuits intégrés analogiques gèrent les signaux continus et sont utilisés dans le traitement audio et les radiofréquences. On les retrouve fréquemment dans les systèmes audio, les équipements radio et les capteurs.
- Exemple : Les circuits intégrés analogiques des amplificateurs audio traitent les signaux sonores pour produire un son clair et amplifié dans les systèmes audio domestiques.
6. Circuits intégrés hybrides
Les circuits intégrés hybrides combinent les avantages de plusieurs technologies de semi-conducteurs en intégrant différents types de composants (tels que des transistors, des résistances et des condensateurs) dans un seul module. Ces circuits intégrés sont idéaux pour les applications où les circuits intégrés standard ne peuvent répondre à des exigences spécifiques de performance ou de conception. Les circuits intégrés hybrides se présentent sous deux formes principales :
- Circuits intégrés hybrides à membrane mince
- Circuits intégrés hybrides à membrane épaisse
Circuits intégrés hybrides à membrane mince
Ces circuits intégrés utilisent une fine couche de matériau conducteur, déposée par un procédé appelé pulvérisation cathodique, pour former les circuits. Ils sont fréquemment utilisés dans les applications à haute fréquence et sont hautement personnalisables.
- Exemple : Les circuits intégrés hybrides à membrane mince sont utilisés dans les systèmes aérospatiaux, où la compacité et la haute fiabilité sont essentielles.
Circuits intégrés hybrides à membrane épaisse
Les circuits intégrés à membrane épaisse utilisent la sérigraphie pour déposer le matériau conducteur. Ils sont couramment utilisés en électronique de puissance et dans d'autres applications exigeant un bon rapport coût-efficacité et une grande robustesse.
- Exemple : Les circuits intégrés à membrane épaisse sont utilisés dans l'électronique automobile pour gérer la distribution et le contrôle de l'énergie.
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Voici quelques exemples de composants disponibles chez PCE :
- Diodes
- 1N4148 – Diode à commutation rapide (usage général)
- 1N5408 – Diode redresseuse à courant élevé
- BAS16 – Diode de commutation à montage en surface
- BYV27-200 – Redresseur à récupération rapide
2. Transistor
- 2N2222 – Transistor NPN à usage général
- 2N2907 – Transistor PNP à usage général
- IRF540N – à canal N
- BC547 – Transistor NPN à faible signal
3.Thyristors
- BT136 – TRIAC pour commutation CA
- 2N5060 – Redresseur commandé au silicium (SCR)
- TYN612 – SCR pour commutation de puissance moyenne
- BTA41-600B – TRIAC pour applications haute puissance
4. Dispositifs optiques (DEL, photodétecteurs)
- CREE-XTEAWT-00-0000-000000H51 – LED blanche haute puissance
- LDR-5530 – Capteur de lumière à photodétecteur
- SFH320 – Phototransistor
- OSRAM-LW-W5SM – LED blanche pour l'éclairage
5. Appareils à micro-ondes
- MA4E1317 – Diode micro-ondes GaAs
- MRF947 – Transistor à micro-ondes
- MAAL-011078 – Circuit intégré amplificateur micro-ondes
- HMC630LP3E – MMIC GaAs (Circuit intégré monolithique micro-ondes)
6. Capteurs
- MPX5010DP – Capteur de pression
- TMP36 – Capteur de température
- HC-SR04 – Capteur de distance à ultrasons
- BH1750 – Capteur de lumière ambiante
7. Circuits intégrés (CI)
- ATmega328P – Circuit intégré de microcontrôleur (8 bits, série AVR)
- LM358 – Circuit intégré à double amplificateur opérationnel
- 74HC595 – Circuit intégré de registre à décalage
- AD8232 – Circuit intégré de capteur de fréquence cardiaque
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8. Circuit intégré de mémoire
- W25Q64JVSSIQ – Mémoire flash de 64 Mo
- AT24C256 – EEPROM de 256 Ko
- MT48LC16M16A2 – SDRAM 256 Mo
- IS25LP064A – Mémoire flash série (64 Mo)
9. Condensateurs
- C3225X7R1E106K250AB – Condensateur céramique multicouche, 10 µF
- EEU-FR1V102 – Condensateur électrolytique, 1000 µF, 35 V
- B43504A5477M000 – Condensateur électrolytique enfichable, 470 µF, 450 V
10. Résistances
- CRCW080510K0FKEA – Résistance CMS, 10 kΩ, 1 %
- RS1/4-1K – Résistance traversante à film de carbone, 1 kΩ
- Y ageo RC0402FR-071KL – Résistance SMD 1 kΩ, tolérance 1 %, 0402
- Vishay VR68000001005FA100 – Résistance bobinée de précision, 100 Ω
11. Connecteurs
- TE 282836-4 – Connecteur fil-carte à 4 positions
- Molex 39-30-3040 – Connecteur à 4 positions
- JST XH-2P – 2 broches
- Amphenol 97-3106A-14S-6 P – Connecteur circulaire
12. Modules d'alimentation
- IRAMS10UP60B – Module de puissance intelligent (IPM), 600 V
- FOD8316 – Optocoupleur de commande pour IGBT
- SPM3A60D – Module de puissance moteur, 600 V
- PM25CLB060 – Module IGBT, 25 A
13. Relais
- G2R-1-E-DC24 – Relais à usage général, SPDT, 24 V CC
- G6A-234P-ST-US-DC12 , 12 V CC
- HF115F – Relais de puissance, 12 V CC, 30 A
- Relais Omron LY2-DC12
Les dispositifs semi-conducteurs sont au cœur de la technologie moderne
Ils rendent possibles des smartphones à l'exploration spatiale. Comprendre les six principaux types de composants discrets (composants optiques, composants micro-ondes, capteurs, circuits intégrés et circuits intégrés hybrides) vous permettra de faire des choix éclairés pour vos projets.
Comme vous l'avez lu dans cet article, chacun de ces composants possède des caractéristiques et des applications uniques, ce qui les rend indispensables dans de nombreux secteurs.
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Références :
« Dispositifs semi-conducteurs : physique et technologie » par S.M. Sze ;
« Introduction aux dispositifs semi-conducteurs » par Kevin F. Brennan
; Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation
