Un circuit électronique est un ensemble de composants reliés entre eux afin de traiter des informations, effectuer des calculs ou commander automatiquement un appareil. Contrairement à un simple circuit électrique, dont le rôle principal est de transporter de l'énergie, un circuit électronique est capable d'analyser des signaux, de les transformer et de produire une réponse adaptée.

Le fonctionnement d'un circuit électronique

Tout commence par une alimentation électrique, qui fournit l'énergie nécessaire au circuit. Des capteurs peuvent ensuite mesurer des informations provenant de l'environnement, comme la température, la lumière ou la position d'un objet. Ces informations sont analysées par des composants électroniques ou par un microcontrôleur, qui décide de la réponse à apporter. Enfin, un ou plusieurs actionneurs exécutent cette décision en produisant un mouvement, un son, une lumière ou une autre action.

Lorsqu'une personne appuie sur le bouton d'une télécommande, le circuit électronique détecte cette action, la transforme en un code numérique puis l'envoie sous forme d'un signal infrarouge vers le téléviseur.

Les différents éléments d'un circuit

Un circuit électronique est constitué de nombreux composants ayant chacun un rôle bien précis. Les résistances limitent le courant, les condensateurs stockent temporairement de l'énergie, les diodes contrôlent le sens de circulation du courant, les transistors amplifient ou commandent les signaux, les capteurs mesurent l'environnement et les actionneurs réalisent les actions demandées. C'est en les associant intelligemment que l'on construit des appareils électroniques capables d'accomplir des tâches parfois très complexes.

Le bon fonctionnement du circuit dépend de l'association de tous ces composants. Chacun réalise une fonction particulière, mais c'est leur fonctionnement coordonné qui permet à l'appareil d'exécuter les tâches prévues.

La carte électronique

Les composants sont reliés entre eux par des pistes conductrices gravées sur une carte électronique, appelée aussi circuit imprimé ou PCB (Printed Circuit Board). Ces pistes remplacent les fils électriques et permettent de réaliser des circuits compacts, fiables et faciles à fabriquer en grande série.

Cette carte est fabriquée à partir d'un matériau isolant recouvert de fines couches de cuivre. Les pistes gravées dans ce cuivre remplacent les fils électriques et relient les composants entre eux de manière compacte et fiable.

Selon la complexité de l'appareil, une carte électronique peut comporter une seule couche de cuivre ou plusieurs couches superposées permettant de réaliser des milliers de connexions dans un espace très réduit.

Le schéma électronique

Avant la fabrication d'une carte, les ingénieurs réalisent un schéma électronique. Il représente le fonctionnement du circuit à l'aide de symboles normalisés correspondant aux différents composants.

Le schéma indique les connexions entre les composants, mais ne représente pas leur position réelle sur la carte. Une fois le schéma validé, il sert à concevoir le circuit imprimé qui sera ensuite fabriqué et assemblé.

Des circuits de plus en plus complexes

Les premiers circuits électroniques ne comportaient que quelques composants. Aujourd'hui, certains appareils renferment plusieurs cartes électroniques et des circuits intégrés contenant plusieurs milliards de transistors.

Les semi-conducteurs sont des matériaux dont la capacité à conduire l'électricité peut être contrôlée. Ils peuvent se comporter comme des isolants dans certaines conditions et devenir beaucoup plus conducteurs dans d'autres.

Cette propriété permet de contrôler très précisément la circulation du courant électrique. Les semi-conducteurs sont ainsi à la base de la plupart des composants électroniques modernes : diodes, transistors, circuits intégrés, LED, cellules photovoltaïques, capteurs et nombreux composants de puissance.

Les bandes d'énergie

Pour comprendre le fonctionnement des semi-conducteurs, il faut considérer l'énergie des électrons. Dans un atome isolé, les électrons occupent des niveaux d'énergie déterminés. Dans un solide contenant un très grand nombre d'atomes, les niveaux d'énergie des électrons voisins interagissent et se regroupent en bandes d'énergie.

La bande de valence contient les électrons qui participent aux liaisons entre les atomes. Au-dessus d'elle se trouve la bande de conduction. Un électron qui atteint cette bande peut se déplacer plus librement dans le matériau et participer à la conduction électrique.

Entre ces deux bandes peut se trouver une zone dans laquelle aucun état électronique n'est disponible. Cette zone est appelée bande interdite, ou gap. Pour qu'un électron passe de la bande de valence à la bande de conduction, il doit recevoir suffisamment d'énergie pour franchir ce gap.

L'énergie nécessaire peut notamment être apportée par la chaleur, par la lumière ou par un champ électrique.

Les isolants, les conducteurs et les semi-conducteurs

Dans un isolant, la bande interdite est très grande. Les électrons de la bande de valence sont donc fortement liés et il faut leur fournir beaucoup d'énergie pour atteindre la bande de conduction. Dans les conditions normales, très peu d'électrons peuvent effectuer ce passage et le courant circule extrêmement difficilement.

Dans un conducteur, notamment dans les métaux, la situation est différente. La bande de valence et la bande de conduction peuvent se chevaucher, ou une bande électronique peut être partiellement remplie. Des électrons disposent alors facilement d'états d'énergie accessibles et peuvent se déplacer sous l'action d'un champ électrique.

Dans un semi-conducteur, la bande interdite est beaucoup plus petite que dans un isolant. À température très basse, le matériau conduit très peu. Mais un apport d'énergie relativement faible peut permettre à certains électrons de passer dans la bande de conduction.

Le silicium possède par exemple un gap d'environ 1,12 eV, tandis que celui du germanium est d'environ 0,66 eV. Ces valeurs sont bien plus faibles que celles de nombreux matériaux isolants.

Le silicium

Le matériau semi-conducteur le plus utilisé est le silicium. Il est très abondant sur Terre et se trouve notamment dans la silice présente dans le sable et dans de nombreuses roches.

Après plusieurs étapes de purification, le silicium peut être transformé en un cristal extrêmement pur. Ce cristal est ensuite découpé en fines tranches circulaires appelées wafer, sur lesquelles seront fabriqués les composants électroniques.

Le silicium est particulièrement utilisé car il est relativement abondant, stable, résistant aux températures élevées et peut être obtenu avec une très grande pureté.

La structure atomique du silicium

Chaque atome de silicium possède quatre électrons de valence. Ces électrons sont situés sur sa couche électronique la plus externe et participent aux liaisons avec les atomes voisins.

Dans un cristal de silicium, chaque atome forme ainsi quatre liaisons covalentes avec ses voisins. Les atomes s'organisent dans un réseau cristallin régulier et les électrons de valence sont fortement liés à cette structure.

À basse température, très peu d'électrons peuvent quitter ces liaisons. Le silicium pur conduit donc très peu l'électricité.

La création des porteurs de charge

Lorsqu'un électron reçoit suffisamment d'énergie, il peut quitter son état lié et passer dans la bande de conduction. Il devient alors capable de se déplacer dans le cristal et de transporter une charge électrique.

Le départ de cet électron laisse une place vide dans la bande de valence. Cette absence est appelée un trou.

Un électron voisin peut venir occuper ce trou, laissant à son tour une nouvelle place vide. De proche en proche, le trou semble ainsi se déplacer dans le cristal. On lui attribue une charge positive.

Dans un semi-conducteur, le courant peut donc être transporté par deux types de porteurs : les électrons, qui se déplacent dans la bande de conduction, et les trous, qui correspondent aux déplacements de charges positives dans la bande de valence.

Le dopage

Le silicium parfaitement pur possède une conductivité relativement faible. Pour contrôler ses propriétés électriques et fabriquer des composants électroniques, on introduit volontairement une très petite quantité d'autres atomes dans le cristal. Cette opération est appelée dopage.

Les atomes utilisés pour le dopage sont choisis de manière à modifier le nombre de porteurs de charge disponibles dans le silicium.

Le silicium de type N

Pour obtenir un semi-conducteur de type N, on introduit dans le silicium des atomes possédant cinq électrons de valence, comme le phosphore, l'arsenic ou l'antimoine.

Quatre de leurs électrons participent aux liaisons avec les quatre atomes de silicium voisins. Le cinquième électron est beaucoup moins fortement lié au réseau cristallin et peut facilement devenir un électron libre.

Le dopage de type N augmente donc fortement le nombre d'électrons disponibles pour transporter le courant. Les électrons sont alors les porteurs majoritaires.

Le silicium de type P

Pour obtenir un semi-conducteur de type P, on introduit des atomes possédant trois électrons de valence, comme le bore, le gallium ou l'indium.

Ces atomes ne possèdent pas suffisamment d'électrons pour former les quatre liaisons nécessaires avec leurs voisins. Il apparaît alors une absence d'électron appelée trou.

Lorsqu'un électron voisin vient combler ce trou, il laisse une nouvelle absence à son emplacement. Le trou peut ainsi se déplacer dans le cristal.

Dans le matériau de type P, les trous sont les porteurs majoritaires. Les électrons restent présents, mais ils sont minoritaires.

La jonction PN

Lorsque l'on met en contact un semi-conducteur de type P et un semi-conducteur de type N, il se forme une jonction PN.

Du côté N, il existe de nombreux électrons libres. Du côté P, il existe de nombreux trous. À proximité de la jonction, certains électrons diffusent vers la région P et se recombinent avec des trous.

Cette recombinaison laisse une région très pauvre en porteurs mobiles autour de la jonction. Cette région est appelée zone de déplétion, ou zone de charge d'espace.

La migration des charges crée également un champ électrique interne. Ce champ s'oppose progressivement à la diffusion naturelle des électrons et des trous. Un équilibre s'établit alors : la jonction possède une barrière de potentiel qui limite le passage des porteurs.

La jonction PN en polarisation directe

Si l'on branche la jonction PN dans le sens approprié, la tension extérieure s'oppose au champ électrique interne de la jonction. La barrière de potentiel diminue.

Lorsque la tension appliquée est suffisamment importante, les électrons du côté N peuvent traverser la jonction vers la région P et les trous peuvent se déplacer en sens opposé. La jonction devient alors fortement conductrice.

Pour une jonction en silicium, la tension nécessaire est généralement de l'ordre de 0,7 V. Cette valeur correspond à une caractéristique typique d'une diode au silicium et ne constitue pas une valeur universelle exacte pour toutes les jonctions.

La jonction PN en polarisation inverse

Si l'on inverse la tension appliquée, le champ électrique extérieur renforce le champ électrique interne de la jonction.

Les électrons sont repoussés vers la région N et les trous vers la région P. La zone de déplétion s'élargit et la barrière de potentiel devient plus importante.

La jonction bloque alors presque complètement le passage du courant. Une très faible quantité de courant peut néanmoins subsister, notamment à cause des porteurs minoritaires.

Les autres matériaux semi-conducteurs

Le silicium est le semi-conducteur le plus utilisé, mais il n'est pas le seul. D'autres matériaux possèdent des propriétés intéressantes pour certaines applications.

Le germanium a notamment été utilisé dans les premiers composants électroniques et reste employé dans certaines applications spécialisées.

L'arséniure de gallium (GaAs) possède de bonnes propriétés pour les hautes fréquences et certaines applications optoélectroniques.

Le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) supportent des températures, des tensions et des fréquences importantes. Ils sont particulièrement intéressants pour les composants de puissance et les systèmes électroniques modernes.

Les applications des semi-conducteurs

Les propriétés des semi-conducteurs permettent de fabriquer des composants capables de contrôler très précisément les courants et les tensions électriques.

Les diodes utilisent notamment une jonction PN pour favoriser le passage du courant dans un sens et le limiter dans l'autre. Les transistors utilisent plusieurs régions semi-conductrices pour contrôler un courant ou amplifier un signal.

Les semi-conducteurs sont également utilisés dans les microprocesseurs, les mémoires, les LED, les cellules photovoltaïques, les capteurs, les lasers, les composants de puissance, les convertisseurs électriques et les systèmes de communication.

Ils sont ainsi présents dans pratiquement tous les appareils électroniques modernes : ordinateurs, smartphones, téléviseurs, véhicules, satellites, équipements médicaux et systèmes industriels.