QCM : Semi-conducteurs et jonction PN (23 questions)

Question 1

1. Dans un cristal, des atomes identiques sont rapprochés à une distance de l’ordre de leur rayon atomique. Quelle évolution des niveaux d’énergie faut-il prévoir ?

Ils restent discrets et isolés, sans former de bandes.

Ils fusionnent en une bande unique sans états interdits.

Ils se dédoublent, puis leur multiplication forme des bandes permises séparées par des bandes interdites.

Ils forment des bandes interdites séparées par des bandes permises.

Explication

Le rapprochement dédouble les niveaux, et leur multiplication dans le cristal forme des bandes permises séparées par des bandes interdites. La fusion en une bande unique supprime à tort les bandes interdites ; l’inversion des deux types de bandes confond leurs rôles ; le maintien de niveaux isolés néglige leur multiplication dans le cristal.

Answer

Ils se dédoublent, puis leur multiplication forme des bandes permises séparées par des bandes interdites.

Question 2

2. Dans un cristal de silicium, quelle description correspond à la bande de valence ?

Elle contient les états électroniques des couches périphériques, notamment ceux des électrons de valence.

Elle contient les états associés aux protons du noyau cristallin.

Elle contient les états quasi-libres de la bande permise immédiatement supérieure.

Elle correspond aux énergies interdites entre deux bandes permises.

Explication

La bande de valence contient les états électroniques des couches périphériques des atomes du cristal, notamment les électrons de valence. Les états quasi-libres caractérisent la bande de conduction ; les protons ne sont pas les électrons visés ; les énergies interdites ne constituent pas la bande de valence.

Answer

Elle contient les états électroniques des couches périphériques, notamment ceux des électrons de valence.

Question 3

3. Dans un matériau, un électron se trouve dans la bande permise immédiatement au-dessus de la bande de valence et peut participer au courant. À quelle bande appartient-il ?

À la bande de valence, où se trouvent les états périphériques.

À la bande interdite, qui se situe entre deux bandes permises.

À la bande de valence, où les électrons sont quasi-libres.

À la bande de conduction, où les électrons sont quasi-libres.

Explication

La bande de conduction est la bande permise immédiatement supérieure à la bande de valence et ses électrons quasi-libres permettent la conduction du courant. La bande de valence contient les états périphériques ; une bande interdite ne contient pas d’états permis ; attribuer les électrons quasi-libres à la valence confond les deux bandes.

Answer

À la bande de conduction, où les électrons sont quasi-libres.

Question 4

4. Un matériau mesuré à une résistivité de $10^2\ \Omega\cdot\text{m}$ appartient à quelle catégorie, selon les seuils de résistivité ?

Un isolant, car toute résistivité supérieure à

10^{-6}\ \Omega\cdot\text{m}

dépasse le seuil conducteur.

Un isolant, car sa résistivité se situe entre les seuils des conducteurs et des isolants.

Un conducteur, car sa résistivité est inférieure à

10^6\ \Omega\cdot\text{m}

.

Un semi-conducteur, car sa résistivité est intermédiaire entre les deux seuils.

Explication

Une résistivité de $10^2\ \Omega\cdot\text{m}$ est supérieure au seuil des conducteurs, $10^{-6}\ \Omega\cdot\text{m}$ , et inférieure au seuil des isolants, $10^6\ \Omega\cdot\text{m}$ : elle est donc intermédiaire. Le seuil des isolants est mal appliqué dans « toute résistivité supérieure à $10^{-6}$ » ; la catégorie conducteur exige une résistivité sous $10^{-6}$ ; la dernière description identifie à tort une résistivité intermédiaire à un isolant.

Answer

Un semi-conducteur, car sa résistivité est intermédiaire entre les deux seuils.

Question 5

5. Un matériau présente un gap énergétique presque nul. Quelle classification électrique est la plus cohérente avec cette caractéristique ?

Un isolant, dont le gap est presque nul.

Un conducteur, dont le gap est presque nul.

Un isolant, dont le gap vaut environ 1 eV.

Un semi-conducteur, dont le gap vaut environ quelques eV.

Explication

Un conducteur possède un gap énergétique presque nul ; celui d’un semi-conducteur est d’environ $1\ \text{eV}$ et celui d’un isolant vaut quelques eV. L’option « quelques eV » attribue au semi-conducteur le gap de l’isolant ; associer un gap presque nul à un isolant inverse la classification ; attribuer environ $1\ \text{eV}$ à un isolant confond aussi les catégories.

Answer

Un conducteur, dont le gap est presque nul.

Question 6

6. Dans un cristal de silicium, combien de liaisons covalentes chaque atome forme-t-il avec ses voisins pour compléter sa couche de valence ?

Huit liaisons covalentes

Cinq liaisons covalentes

Quatre liaisons covalentes

Trois liaisons covalentes

Explication

Chaque atome de silicium forme quatre liaisons covalentes afin de compléter sa couche de valence selon la règle de l’octet. Huit correspond au nombre d’électrons visé, tandis que trois et cinq renvoient aux valences typiques des dopants des groupes III et V.

Answer

Quatre liaisons covalentes

Question 7

7. Dans un cristal de silicium pur chauffé, une liaison covalente est rompue par l’apport d’énergie. Quels mouvements de porteurs en résultent ?

L’électron se déplace dans la bande de conduction et le trou de proche en proche dans la bande de valence

L’électron se déplace dans la bande de valence et le trou de proche en proche dans la bande de conduction

L’électron se déplace dans la bande de conduction sans déplacement du trou

L’électron et le trou se déplacent tous deux dans la bande de conduction

Explication

La rupture d’une liaison crée une paire électron-trou : l’électron libre se déplace dans la bande de conduction, tandis que le trou progresse dans la bande de valence. L’inversion des bandes confond leurs lieux de déplacement, et l’absence de déplacement du trou néglige sa propagation de proche en proche.

Answer

L’électron se déplace dans la bande de conduction et le trou de proche en proche dans la bande de valence

Question 8

8. Dans un semi-conducteur, que désigne le gap énergétique ?

L’énergie minimale nécessaire pour rompre une liaison

L’énergie totale portée par les électrons de conduction

L’énergie libérée lorsqu’un électron rejoint un trou

Le temps nécessaire à la recombinaison d’un porteur

Explication

Le gap énergétique correspond à l’énergie minimale nécessaire pour rompre une liaison dans le semi-conducteur. L’énergie de recombinaison décrit un autre phénomène, et la durée de vie est un temps, non une énergie.

Answer

L’énergie minimale nécessaire pour rompre une liaison

Question 9

9. Dans un semi-conducteur, quelle association entre porteur, bande et signe de charge est correcte ?

Électrons positifs dans la bande de valence et trous négatifs dans la bande de conduction

Électrons négatifs dans la bande de conduction et trous positifs dans la bande de valence

Électrons négatifs dans la bande de valence et trous positifs dans la bande de conduction

Électrons positifs dans la bande de conduction et trous négatifs dans la bande de valence

Explication

Les électrons de la bande de conduction portent une charge négative, tandis que les trous de la bande de valence sont des porteurs positifs. Inverser les signes ou permuter les bandes confond des propriétés distinctes des deux porteurs.

Answer

Électrons négatifs dans la bande de conduction et trous positifs dans la bande de valence

Question 10

10. Une équipe cherche à ajuster la résistivité du silicium en modifiant la quantité de porteurs libres. Quelle intervention correspond au dopage ?

Modifier les dimensions du cristal sans changer sa composition

Exposer le semi-conducteur à des radiations sans ajouter d’atomes

Introduire des atomes d’impureté dans le semi-conducteur

Élever la température du semi-conducteur sans ajouter d’atomes

Explication

Le dopage consiste à introduire des atomes d’impureté pour contrôler la quantité de porteurs libres et, par conséquent, la résistivité. L’échauffement et les radiations peuvent aussi influencer les porteurs, mais ne constituent pas l’introduction d’impuretés.

Answer

Introduire des atomes d’impureté dans le semi-conducteur

Question 11

11. Un silicium est dopé avec du phosphore, un élément du groupe V. Quel rôle joue l’impureté dans ce matériau ?

Accepter un électron et créer un trou

Capturer un électron libre et devenir un accepteur

Donner un électron libre et devenir un donneur

Donner un trou libre et devenir un accepteur

Explication

Le phosphore du groupe V libère un électron et devient un atome donneur dans le dopage de type N. Accepter un électron et créer un trou caractérise plutôt les accepteurs du groupe III utilisés pour le dopage de type P.

Answer

Donner un électron libre et devenir un donneur

Question 12

12. Dans un silicium de type N à l’équilibre, la concentration de dopage est $N_D$ . Quelle description des porteurs est attendue ?

Les électrons sont majoritaires avec

n \approx N_D

et les trous vérifient

n=p

Les trous sont majoritaires avec

p \approx N_D

et les électrons vérifient

np=n_i^2

Les trous sont majoritaires avec

p \approx N_D

et les électrons vérifient

n=p

Les électrons sont majoritaires avec

n \approx N_D

et les trous vérifient

np=n_i^2

Explication

Dans un semi-conducteur de type N, les électrons sont majoritaires et leur concentration est approximativement $N_D$ ; les concentrations vérifient aussi $np=n_i^2$ . La réponse qui rend les trous majoritaires inverse le type de dopage, tandis que $n=p$ ne décrit pas la relation donnée.

Answer

Les électrons sont majoritaires avec $$n \approx N_D$$ et les trous vérifient $$np=n_i^2$$

Question 13

13. Pour obtenir un semi-conducteur de type P, une technicienne ajoute du bore, élément du groupe III, au silicium. Que produit ce dopant ?

Il accepte un trou et crée un électron libre

Il accepte un électron et crée un trou

Il libère un trou et devient un donneur

Il libère un électron et devient un donneur

Explication

Le bore, comme les autres dopants du groupe III employés pour le type P, accepte un électron et crée un trou. La libération d’un électron est le mécanisme donneur typique des dopants du groupe V utilisés pour le type N.

Answer

Il accepte un électron et crée un trou

Question 14

14. Dans une jonction PN nouvellement mise en contact, quel enchaînement décrit le déplacement initial des porteurs et l’effet qui en résulte près de la jonction ?

Les trous diffusent de P vers N et les électrons de N vers P, mais les porteurs mobiles créent directement un champ qui renforce la diffusion.

Les trous diffusent de P vers N et les électrons de N vers P, puis les recombinaisons éliminent les ions fixes et renforcent la diffusion.

Les trous diffusent de P vers N et les électrons de N vers P, puis les recombinaisons laissent des ions fixes qui créent un champ opposé à la diffusion.

Les trous diffusent de N vers P et les électrons de P vers N, puis les recombinaisons laissent des ions fixes qui créent un champ opposé à la diffusion.

Explication

Les trous et les électrons diffusent dans des sens opposés, puis se recombinent avec les porteurs majoritaires opposés ; les ions fixes résultants produisent un champ qui freine cette diffusion. L’inversion des sens de diffusion, l’attribution du champ aux porteurs mobiles et le renforcement de la diffusion correspondent à des confusions distinctes.

Answer

Les trous diffusent de P vers N et les électrons de N vers P, puis les recombinaisons laissent des ions fixes qui créent un champ opposé à la diffusion.

Question 15

15. Dans une jonction PN à l’équilibre, que désigne la zone de charge d’espace, également appelée zone de déplétion ?

La région proche de la jonction occupée par des porteurs minoritaires mobiles.

La région neutre proche de la jonction où se trouvent de nombreux porteurs mobiles.

La différence de potentiel créée par le champ électrique près de la jonction.

La région proche de la jonction où se trouvent des ions fixes issus des recombinaisons.

Explication

La zone de charge d’espace est la région proche de la jonction contenant les ions fixes laissés par les recombinaisons. La zone neutre riche en porteurs mobiles, la différence de potentiel et les seuls porteurs minoritaires désignent d’autres notions ou une description incomplète.

Answer

La région proche de la jonction où se trouvent des ions fixes issus des recombinaisons.

Question 16

16. Une jonction à l’équilibre est fabriquée en germanium ; quelle valeur correspond à sa barrière de potentiel ?

0,7 V

0,5 V

1,0 V

0,3 V

Explication

La barrière de potentiel vaut 0,3 V pour le germanium et 0,7 V pour le silicium. La valeur de 0,7 V correspond au silicium, tandis que 0,5 V et 1,0 V ne sont pas les valeurs indiquées pour ces matériaux.

Answer

Le courant de saturation inverse dû aux porteurs minoritaires.

Answer

$$I_{PN}=I_s\left[\exp\left(\frac{V_{PN}}{V_T}\right)-1\right]$$

Answer

La barrière et la zone de charge d’espace augmentent, et le courant est approximativement nul.

Answer

Le dépassement de la tension inverse limite, qui déclenche l’avalanche

Answer

Les porteurs minoritaires arrachent des électrons de valence lors de chocs, ce qui entretient une réaction en chaîne

Answer

La cathode

Answer

$$V_{AK}$$ et $$I_{AK}$$

Question 17

17. À l’équilibre, une jonction présente un courant de diffusion dû aux porteurs majoritaires ; quel courant le compense ?

Un courant direct dû aux porteurs minoritaires.

Un courant de diffusion supplémentaire dû aux porteurs majoritaires.

Un courant de saturation direct dû aux porteurs majoritaires.

Le courant de saturation inverse dû aux porteurs minoritaires.

Explication

À l’équilibre, le courant de diffusion des porteurs majoritaires est compensé par le courant de saturation inverse des porteurs minoritaires. Un courant de diffusion majoritaire supplémentaire, un courant direct minoritaire ou un courant de saturation direct ne décrivent pas cette compensation.

Question 18

18. Pour une jonction en direct, on connaît $I_s$ et l’on applique une tension $V_{PN}$ ; quelle relation permet de déterminer le courant $I_{PN}$ ?

I_{PN}=I_s\left[\exp\left(\frac{V_T}{V_{PN}}\right)-1\right]

I_{PN}=I_s\left(\frac{V_{PN}}{V_T}-1\right)

I_{PN}=I_s\exp\left(\frac{V_{PN}}{V_T}\right)

I_{PN}=I_s\left[\exp\left(\frac{V_{PN}}{V_T}\right)-1\right]

Explication

Le courant direct suit la loi exponentielle $I_{PN}=I_s\left[\exp\left(\frac{V_{PN}}{V_T}\right)-1\right]$ . Omettre le terme soustrait modifie la loi, inverser le rapport change l’exposant, et une relation linéaire ne respecte pas la dépendance exponentielle.

Question 19

19. Une diode est polarisée en inverse et reste hors claquage ; quel comportement de la jonction faut-il prévoir ?

La barrière et la zone de charge d’espace diminuent, et le courant est approximativement nul.

La barrière diminue tandis que la zone de charge d’espace augmente, et le courant de saturation direct domine.

La barrière et la zone de charge d’espace augmentent, et le courant est approximativement nul.

La barrière et la zone de charge d’espace augmentent, et le courant traverse facilement la jonction.

Explication

En polarisation inverse hors claquage, la barrière et la largeur de la zone de charge d’espace augmentent, tandis que le courant de jonction est approximativement nul. La diminution de barrière relève de la polarisation directe, et une conduction facile contredit le comportement inverse décrit.

Question 20

20. Une diode au silicium est polarisée en inverse et son courant reste presque nul. Quelle condition marque le début du claquage ?

Le dépassement de la tension directe, qui déclenche la conduction normale

Le maintien d’une faible tension inverse, qui conserve un courant presque nul

Le dépassement de la tension inverse limite, qui déclenche l’avalanche

La diminution de la barrière de potentiel, qui bloque le courant inverse

Explication

Le claquage commence lorsque la tension inverse dépasse sa limite et déclenche l’avalanche. Une polarisation inverse ordinaire laisse un courant presque nul; la tension directe et la barrière de potentiel correspondent à d’autres phénomènes.

Question 21

21. Dans une jonction soumise à une forte tension inverse, des porteurs minoritaires accélérés provoquent un courant inverse très important. Quel mécanisme explique cette hausse ?

Les électrons de valence accélèrent les porteurs minoritaires, ce qui interrompt la réaction en chaîne

Les porteurs minoritaires arrachent des électrons de valence lors de chocs, ce qui entretient une réaction en chaîne

Les porteurs majoritaires traversent la jonction par diffusion, ce qui accroît le courant inverse

La génération thermique crée des porteurs sans multiplication par collisions, ce qui augmente le courant

Explication

En avalanche, les porteurs minoritaires accélérés acquièrent assez d’énergie pour arracher des électrons de valence lors de chocs; ces porteurs déclenchent une réaction en chaîne et un fort courant inverse. La diffusion concerne les porteurs majoritaires, tandis que la génération thermique n’est pas le mécanisme d’avalanche.

Question 22

22. Sur le schéma d’une diode à jonction PN, quelle borne est désignée par la lettre K ?

La cathode

L’anode

Le courant entre l’anode et la cathode

La tension entre l’anode et la cathode

Explication

La borne K désigne la cathode, tandis que la borne A désigne l’anode. La tension et le courant sont des grandeurs repérées, et non des bornes de la diode.

Question 23

23. Pour noter la tension et le courant d’une diode PN sur un schéma, quelles notations associe-t-on respectivement à ces deux grandeurs ?

V_{AK}

et

I_{AK}

V_{KA}

et

I_{KA}

I_{AK}

et

V_{AK}

V_A

et

I_K

Explication

La tension et le courant de la diode sont repérés respectivement par $V_{AK}$ et $I_{AK}$ . Intervertir les symboles confond tension et courant, tandis que l’indice KA inverse le repérage des bornes.

QCM : Semi-conducteurs et jonction PN (23 questions)

Questions et réponses du QCM

1. Dans un cristal, des atomes identiques sont rapprochés à une distance de l’ordre de leur rayon atomique. Quelle évolution des niveaux d’énergie faut-il prévoir ?

2. Dans un cristal de silicium, quelle description correspond à la bande de valence ?

3. Dans un matériau, un électron se trouve dans la bande permise immédiatement au-dessus de la bande de valence et peut participer au courant. À quelle bande appartient-il ?

4. Un matériau mesuré à une résistivité de $10^2\ \Omega\cdot\text{m}$ appartient à quelle catégorie, selon les seuils de résistivité ?

5. Un matériau présente un gap énergétique presque nul. Quelle classification électrique est la plus cohérente avec cette caractéristique ?

6. Dans un cristal de silicium, combien de liaisons covalentes chaque atome forme-t-il avec ses voisins pour compléter sa couche de valence ?

7. Dans un cristal de silicium pur chauffé, une liaison covalente est rompue par l’apport d’énergie. Quels mouvements de porteurs en résultent ?

8. Dans un semi-conducteur, que désigne le gap énergétique ?

9. Dans un semi-conducteur, quelle association entre porteur, bande et signe de charge est correcte ?

10. Une équipe cherche à ajuster la résistivité du silicium en modifiant la quantité de porteurs libres. Quelle intervention correspond au dopage ?

11. Un silicium est dopé avec du phosphore, un élément du groupe V. Quel rôle joue l’impureté dans ce matériau ?

12. Dans un silicium de type N à l’équilibre, la concentration de dopage est $N_D$ . Quelle description des porteurs est attendue ?

13. Pour obtenir un semi-conducteur de type P, une technicienne ajoute du bore, élément du groupe III, au silicium. Que produit ce dopant ?

14. Dans une jonction PN nouvellement mise en contact, quel enchaînement décrit le déplacement initial des porteurs et l’effet qui en résulte près de la jonction ?

15. Dans une jonction PN à l’équilibre, que désigne la zone de charge d’espace, également appelée zone de déplétion ?

16. Une jonction à l’équilibre est fabriquée en germanium ; quelle valeur correspond à sa barrière de potentiel ?

17. À l’équilibre, une jonction présente un courant de diffusion dû aux porteurs majoritaires ; quel courant le compense ?

18. Pour une jonction en direct, on connaît $I_s$ et l’on applique une tension $V_{PN}$ ; quelle relation permet de déterminer le courant $I_{PN}$ ?

19. Une diode est polarisée en inverse et reste hors claquage ; quel comportement de la jonction faut-il prévoir ?

20. Une diode au silicium est polarisée en inverse et son courant reste presque nul. Quelle condition marque le début du claquage ?

21. Dans une jonction soumise à une forte tension inverse, des porteurs minoritaires accélérés provoquent un courant inverse très important. Quel mécanisme explique cette hausse ?

22. Sur le schéma d’une diode à jonction PN, quelle borne est désignée par la lettre K ?

23. Pour noter la tension et le courant d’une diode PN sur un schéma, quelles notations associe-t-on respectivement à ces deux grandeurs ?

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QCM : Semi-conducteurs et jonction PN (23 questions)

Questions et réponses du QCM

1. Dans un cristal, des atomes identiques sont rapprochés à une distance de l’ordre de leur rayon atomique. Quelle évolution des niveaux d’énergie faut-il prévoir ?

2. Dans un cristal de silicium, quelle description correspond à la bande de valence ?

3. Dans un matériau, un électron se trouve dans la bande permise immédiatement au-dessus de la bande de valence et peut participer au courant. À quelle bande appartient-il ?

4. Un matériau mesuré à une résistivité de 102 Ω⋅m10^2\ \Omega\cdot\text{m}102 Ω⋅m appartient à quelle catégorie, selon les seuils de résistivité ?

5. Un matériau présente un gap énergétique presque nul. Quelle classification électrique est la plus cohérente avec cette caractéristique ?

6. Dans un cristal de silicium, combien de liaisons covalentes chaque atome forme-t-il avec ses voisins pour compléter sa couche de valence ?

7. Dans un cristal de silicium pur chauffé, une liaison covalente est rompue par l’apport d’énergie. Quels mouvements de porteurs en résultent ?

8. Dans un semi-conducteur, que désigne le gap énergétique ?

9. Dans un semi-conducteur, quelle association entre porteur, bande et signe de charge est correcte ?

10. Une équipe cherche à ajuster la résistivité du silicium en modifiant la quantité de porteurs libres. Quelle intervention correspond au dopage ?

11. Un silicium est dopé avec du phosphore, un élément du groupe V. Quel rôle joue l’impureté dans ce matériau ?

12. Dans un silicium de type N à l’équilibre, la concentration de dopage est NDN_DND​. Quelle description des porteurs est attendue ?

13. Pour obtenir un semi-conducteur de type P, une technicienne ajoute du bore, élément du groupe III, au silicium. Que produit ce dopant ?

14. Dans une jonction PN nouvellement mise en contact, quel enchaînement décrit le déplacement initial des porteurs et l’effet qui en résulte près de la jonction ?

15. Dans une jonction PN à l’équilibre, que désigne la zone de charge d’espace, également appelée zone de déplétion ?

16. Une jonction à l’équilibre est fabriquée en germanium ; quelle valeur correspond à sa barrière de potentiel ?

17. À l’équilibre, une jonction présente un courant de diffusion dû aux porteurs majoritaires ; quel courant le compense ?

18. Pour une jonction en direct, on connaît IsI_sIs​ et l’on applique une tension VPNV_{PN}VPN​ ; quelle relation permet de déterminer le courant IPNI_{PN}IPN​ ?

19. Une diode est polarisée en inverse et reste hors claquage ; quel comportement de la jonction faut-il prévoir ?

20. Une diode au silicium est polarisée en inverse et son courant reste presque nul. Quelle condition marque le début du claquage ?

21. Dans une jonction soumise à une forte tension inverse, des porteurs minoritaires accélérés provoquent un courant inverse très important. Quel mécanisme explique cette hausse ?

22. Sur le schéma d’une diode à jonction PN, quelle borne est désignée par la lettre K ?

23. Pour noter la tension et le courant d’une diode PN sur un schéma, quelles notations associe-t-on respectivement à ces deux grandeurs ?

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4. Un matériau mesuré à une résistivité de $10^2\ \Omega\cdot\text{m}$ appartient à quelle catégorie, selon les seuils de résistivité ?

12. Dans un silicium de type N à l’équilibre, la concentration de dopage est $N_D$ . Quelle description des porteurs est attendue ?

18. Pour une jonction en direct, on connaît $I_s$ et l’on applique une tension $V_{PN}$ ; quelle relation permet de déterminer le courant $I_{PN}$ ?