La diode non polarisée
Par lui-même, un morceau de semi-conducteur na autant d'utilité qu'une résistance au carbone, de même pour le semi-conducteur de type p. Mais quand un constructeur dope p sur la moitié du cristal et n sur l'autre moitié, quelque chose de nouveau apparaît.
La frontière entre le type p et le type n est appelée jonction pn. Elle a entraîné beaucoup d'inventions, en particulier les diodes, transistors et circuits intégrés. Comprendre la jonction pn permet de comprendre toutes sortes de composants semi-conducteurs.
la jonction PN
La figure représente à gauche un morceau de semi-conducteur p où chaque atome trivalent (cercle avec un signe -) génère un trou sur son orbite de valence (repéré par un +).
Symétriquement, à droite il y a un morceau de semi-conducteur n où chaque cercle avec un + représente un atome pentavalent et le signe - son électron libre.
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| deux type de semi-conducteur |
Chaque partie est électriquement neutre car le nombre de + est égal au nombre de - .
On sait faire un cristal unique avec un côté p et un côté n, comme le montre la figure 2.12. La jonction est la frontière où le type p voisine le type n. La diode à jonction est un autre nom donné au cristal pn. Le mot diode est la contraction de di (deux) et électrodes.
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| Jonction PN |
La zone déplétée
À cause de leur répulsion les uns envers les autres, les électrons libres du côté n ont tendance à diffuser (se disperser) dans toutes les directions. Quelques-uns traversent la jonction et entrent dans la région p où ils sont minoritaires. Avec énormément de trous autour d'eux, leur durée de vie est très courte et très rapidement l'électron libre se recombine avec un trou. Ceci entraîne la disparition du trou et l'électron libre devient un électron de valence
Chaque fois qu'un électron diffuse à travers la jonction, il crée une paire d'ions. Lorsqu'il quitte la région n, il laisse derrière lui un atome pentavalent qui a perdu son cinquième électron, donc qui est devenu positif, et il produit un ion négatif avec l'atome trivalent qui le capture.
La figure a montre les ions positifs (cercle +) et négatifs (cercle -) de part et d'autre de la jonction. Ils ne peuvent bouger dans le cristal comme les électrons libres et les trous à cause des liaisons de covalence.
Chaque paire d'ions positif et négatif est un dipôle qui vient de la disparition d'un électron libre et d'un trou. Au fur et à mesure que le nombre de dipôles augmente, la région près de la jonction se vide de porteurs, on l'appelle la zone déplétée (figure b).
La barrière de potentiel
Chaque dipôle crée un champ électrique entre l'ion positif et l'ion négatif. Si un électron supplémentaire entre dans la zone déplétée, ce champ le repousse vers la région n. La force du champ électrique s'accroît à chaque électron traversant la zone jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint. Cela veut dire, en première approximation, que ce champ électrique arrête la diffusion des électrons à travers la jonction.
Sur la figure a, le champ électrique entre les ions est équivalent à une différence de potentiel appelée barrière de potentiel. À 25 °C, elle est égale à 0,3 V pour le germanium et 0,7 V pour le silicium.
La polarisation directe
On applique une source de tension continue sur la diode, la borne négative sur le côté n et la borne positive sur le côté p. Cette connexion est une polarisation directe.
Flux des électrons libres
La source de tension continue de la figure :
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| polarisation directe |
pousse les électrons et les trous vers la jonction. Si sa tension est plus faible que la barrière de potentiel, les électrons n'ont pas assez d'énergie pour traverser la zone déplétée. Les ions les repoussent du côté n, et de ce fait il n'y a pas de courant à travers la diode.
Si la tension de la source est supérieure à la barrière de potentiel, les électrons libres ont une énergie suffisante pour traverser la zone déplétée et aller se recombiner avec les trous du côté p. En imaginant les trous se déplaçant vers la droite et les électrons vers la gauche, on se fait l'idée du phénomène de base. Quelque part près de la jonction s'effectue la recombinaison des charges opposées. Le courant continu à travers la diode provient de l'entrée continuelle d'électrons libres à la droite de la diode et de la création incessante de trous à l'extrémité gauche.
Le parcours d'un électron
Suivons un électron libre dans la totalité du circuit. Après avoir quitté la borne négative de la source, il entre dans la diode par le contact de droite. Il traverse toute la région n pour atteindre la jonction. Si la pile présente une tension supérieure à 0,7 V, il possède assez d'énergie pour traverser la zone déplétée et à son entrée dans la zone p, il se combine avec un trou.
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| Polarisation directe |
En d'autres termes, il est devenu un électron de valence et il continue son voyage en passant de trou en trou pour finalement atteindre le contact gauche de la diode. Quand il quitte cet endroit, un nouveau trou apparaît et le processus recommence. Les milliards d'électrons libres faisant le même parcours engendrent le courant continu à travers la diode. Une résistance en série limite le courant direct.
Ce qu'il faut retenir
Le courant traverse facilement une diode polarisée en direct. Aussi long-temps que la tension appliquée sera supérieure à la tension de barrière, il y aura un courant continu dans le circuit. Pour une diode au silicium, une tension de source supérieure à 0,7 V donne un courant direct.
La polarisation inverse
Inversons la source continue pour obtenir le schéma représenté par la figure:
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| polarisation inverse |
Maintenant le côté p est relié au pôle négatif et le côté n au pôle positif. Ce type de connexion est une polarisation inverse.
Élargissement de la zone déplétée
Les trous et les électrons libres s'éloignent de la jonction car le pôle + attire les électrons et le pôle - les trous. La zone déplétée s'élargit. Quelle est la largeur de la zone déplétée sur la figure (a)? Le départ des électrons et des trous crée des ions supplémentaires qui font augmenter la différence de potentiel sur la zone déplétée. Cette augmentation se termine lorsque la tension de barrière est égale à la tension appliquée ; à ce moment, le départ des porteurs s'arrête.
Courant de porteurs minoritaires
Y a-t-il un courant lorsque la zone déplétée est stabilisée ?
Un faible courant existe en polarisation inverse. On a vu que l'agitation thermique fabrique continuellement des paires électron-trou; quelques porteurs minoritaires existent donc de part et d'autre de la jonction. La plupart se recombinent avec les porteurs majoritaires; mais ceux apparus dans la zone déplétée existent suffisamment longtemps pour traverser la jonction, et un faible courant circule dans le circuit extérieur.
Supposons que l'énergie thermique crée un électron libre et un trou dans la zone déplétée. Le premier est poussé en dehors vers la droite, forçant un autre à quitter le contact droit. Le second est poussé vers la gauche, il permet alors à un électron.
d'entrer par le contact de gauche pour se recombiner avec un trou. L'agitation thermique produisant continuellement des paires électron-trou dans la zone déplétée, un faible courant circule dans le circuit extérieur.
Ce courant inverse venant des porteurs créés par l'agitation thermique s'appelle courant de saturation, il est symbolisé par I Le terme saturation vient du fait qu'on ne peut avoir plus de porteurs minoritaires que ceux venant de l'agitation thermique. Accroître la tension inverse n'augmente pas le nombre de porteurs créés thermiquement.
Le claquage
Les diodes sont classées par tension maximale. Il existe une limite de la tension inverse qu'une diode peut supporter avant d'être détruite. C'est la tension de claquage de la diode. Pour beaucoup de diodes, elle est supérieure à 50 V; elle est indiquée sur les fiches techniques. Une fois la tension de claquage atteinte, un grand nombre de porteurs minoritaires apparaissent dans la zone déplétée et la diode conduit fortement.
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