Semi-conducteur et jonction PN

• La jonction PN, ou diode, est un composant semi-conducteur de base pour l'électronique moderne.
• Ce chapitre explique le fonctionnement et les applications des diodes des points de vue microscopique et électrique.

Notion de Semi-conducteur

• La conduction électrique dépend de la présence de charges mobiles dans le matériau.
• Il existe trois types de solides basés sur la conductivité électrique (σ)

Isolants

• Les isolants ont une faible conductivité électrique (inférieure à dans des conditions normales) due à une absence de charges libres.
• Les électrons sont fortement liés aux atomes, ce qui rend le déplacement des charges difficile.
• Les isolants servent à prévenir les fuites de courant et pour l'isolement et les revêtements électriques.

Conducteurs

• Les conducteurs ont une conductivité électrique élevée (supérieure à en conditions normales) due à la présence de charges libres (électrons principalement.)
• Les électrons peuvent facilement se déplacer à travers le matériau, ce qui permet la conduction électrique.

Semi-conducteurs

• Les semi-conducteurs ont une conductivité électrique entre celle des isolants et des conducteurs.
• La conductivité peut être modifiée en ajustant la température, en ajoutant des impuretés ou en appliquant un champ électrique.
• Les semi-conducteurs sont essentiels dans l'industrie électronique pour fabriquer des diodes et des transistors.

Semi-conducteur intrinsèque

• Un semi-conducteur intrinsèque est le plus pur, avec une faible conductivité.
• Chaque atome partage des électrons de valence avec les atomes voisins dans le réseau.
• Dans un semi-conducteur de la colonne IV comme le silicium (Si), chaque atome partage ses quatre électrons de valence avec les quatre atomes voisins, formant quatre liaisons covalentes.
• L'apport d'énergie extérieure (agitation thermique à environ 300 K) peut mobiliser des électrons (électrons libres.)
• Le départ d'un électron laisse un trou, créant une paire électron-trou.
• Un trou peut être comblé par un électron libre d'un atome voisin, déplaçant le trou dans la direction opposée et la conduction électrique est interprétée comme un déplacement de trous.

Semi-conducteur extrinsèque

• Le dopage est le processus d'ajout d'impuretés pour contrôler les propriétés et la conductivité (σ) d'un semi-conducteur intrinsèque conduisant à deux types de semi-conducteurs extrinsèques.

Semi-conducteur de type N

• Le dopant introduit dans un semi-conducteur de type N appartient à la colonne V (phosphore P).
• Chaque atome introduit une charge négative mobile (électron libre) et une charge positive fixe qui ne participe pas à la conduction.
• La concentration en électrons libres (porteurs majoritaires) est supérieure à la concentration en trous (porteurs minoritaires.)
• La conductivité équivaut à celle des électrons libres (conduction par électrons).

Semi-conducteur de type P

• Le dopant introduit dans un semi-conducteur de type P appartient à la colonne III (bore B).
• Chaque atome introduit une charge positive mobile (trou) et une charge négative fixe qui ne participe pas à la conduction.
• La concentration en trous (porteurs majoritaires) est supérieure à la concentration en électrons libres (porteurs minoritaires.)
• La conductivité équivaut à celle des trous (conduction par trous).

Jonction PN

• Les jonctions PN sont formées en combinant des semi-conducteurs de type P et de type N.

Jonction PN à l'équilibre

• La diffusion des porteurs majoritaires se produit des deux côtés de la jonction menant au déplacement de certains trous et électrons vers les zones opposées.
• La recombinaison des paires électron-trou se produit la charge devient négative d'un côté de la jonction et positive de l'autre.
• Une zone sans porteurs libres (zone de déplétion ou zone de charge d'espace) est créée de part et d'autre de la jonction.
• Un champ électrique interne dû aux charges fixes opposées apparaît dans cette zone.
• Une différence de potentiel (barrière de potentiel ou tension de seuil Vseuil) est créée entre les ions.
• A 300 K, Vseuil est de 0,3 V pour le germanium et 0,6 V pour le silicium.
• Le champ électrique repousse les porteurs majoritaires empêchant le passage des porteurs minoritaires.

Polarisation d'une jonction PN

• L'application d'une source de tension continue à une jonction PN provoque une polarisation

Polarisation directe

• La borne négative est connectée au côté N, et la borne positive est connectée au côté P.
• Le champ électrique créé s'ajoute au champ interne, poussant les électrons et les trous à s'éloigner de la jonction.

Polarisation inversée

• La source est inversée, le côté P est relié au pôle négatif et le côté N au pôle positif.
• Le champ électrique externe créé s'oppose au champ interne menant à une réduction de la barrière de potentiel.
• Les électrons peuvent traverser la zone de déplétion rendant la jonction conductrice menant à une jonction passante.

Diode à jonction

• Une diode à jonction est formée par une jonction PN.
• Le côté P s'appelle l'anode (A), et le côté N s'appelle la cathode (K).
• Le symbole de la diode ressemble à une flèche pointant de P vers N (anode à cathode).
• Une bague ou une bande de couleur identifie la connexion de la cathode sur les diodes courantes (par exemple, séries 1N400X).
• La circulation des électrons ne peut se faire que dans un seul sens à travers la jonction (de la zone N à la zone P, cathode vers l'anode).
• est la tension aux bornes et est la tension du courant qui la traverse.

Caractéristique courant-tension

• La polarisation d'une diode implique la résistance (Rp) pour limiter le courant et un générateur de tension continue (E).
• Tracer le courant Ia en fonction de la tension Va donne la caractéristique courant-tension (I-V).

Polarisation inverse (Va < 0)

• II n'y a presque pas de courant (diode bloquée) tant que |Va| < |VR|.
• La tension inverse maximale admissible VR est la tension inverse maximale que peut supporter la diode sans claquer.
• Dans la zone de claquage (|Va| ≥ |VR|), l'avalanche provoque un grand courant inverse qui détruit la diode.

Polarisation directe (Va > 0)

• Le courant est relativement faible (diode bloquée) tant que (Vd < Vseuil).
• A partir de Vseuil, le courant Id devient notable (diode passante) et augmente exponentiellement.
• Le courant Id doit être inférieur au courant direct maximal admissible Imax au-delà duquel la puissance dissipée par effet Joule provoque la destruction thermique de la jonction PN (Vd ≥ Pmax/Imax).
• La loi du courant en fonction de la tension obéit à la loi de Shockley :

Formule de Shockley

• est le courant de saturation dû aux porteurs minoritaires.
• est la tension thermodynamique, fonction de la température absolue T en kelvins.
• k est la constante de Boltzmann
• q est la charge élémentaire.
• est un facteur d'ajustement (1 à 2, dépendant du matériau et de la géométrie de la jonction).

Point de Fonctionnement Statique

• L'association d'un dipôle récepteur avec un générateur détermine la tension et le courant dans ces dipôles, appartenant à la fois aux caractéristiques du dipôle récepteur (diode) et à la droite de charge du générateur (polarisation).
• La polarisation consiste à placer la diode dans un état de repos, caractérisé par un point sur la caractéristique I-V de la diode.
• La méthode graphique consiste à représenter la caractéristique de la diode et celle du circuit de polarisation (droite de charge statique), sous la forme : .
• L'intersection des courbes donne le point de fonctionnement M, et Vd = 0 et Id = E/Rp indique un point sur l'axe vertical (saturation S, courant maximal) et Va = E et Id = 0 sur l'axe horizontal (blocage B, courant minimal).
• La résistance statique Rs est définie par .

Analyse en Régime Dynamique

• Soit superposée à la tension continue .
• La tension appliquée est donc .
• L' équation de la droite de charge est .
• La variation alternative correspond à un déplacement du point de fonctionnement .
• La quantité , pente de la caractéristique I-V, est l'inverse d'une résistance.
• La résistance dynamique Rd caractérise donc le comportement de la diode.

Modèle de Diode

Modèle Linéaire

• Ce modèle caractérise une variation linéaire du courant en fonction de la variation de la tension.
• Vd = Vseuil + RdId pour Id ≥ 0.

Circuits à Diode

Redresseur

• Les redresseurs transforment la tension alternative (AC) en tension continue (DC) en permettant la circulation du courant dans une seule direction.