CHAPITRE III LES DIODES (Résumé - Cours) Introduction aux semi-conducteurs C’est quoi exactement un semiconducteur ? On sait bien qu'il existe des matériaux capables de conduire le courant électrique (le cuivre par ex.) et d'autres qui ne le peuvent pas (Par ex : l'air, le bois, le plastique...). Les premiers sont appelés conducteurs et les seconds isolants. Les matériaux pouvant avoir les caractéristiques du premier groupe et du second groupe à la fois sont dits : semiconducteurs (c-à-d sous certaines conditions, que nous allons voir plus loin, ces matériaux deviennent conducteurs sinon ils sont isolants). Pour bien comprendre ce qui fait qu'un matériau est isolant, conducteur ou semiconducteur, il faut s'intéresser un peu à la théorie quantique. Théorie des bandes. Dans un atome, il ne peut prendre que des valeurs parfaitement définies, multiples d'un niveau fondamental, le quantum, défini par le physicien Max Planck. Enfin, dans un solide l'énergie des électrons peut prendre toute valeur à l'intérieur d'un intervalle dépendant de la structure du matériau luimême, on parle alors de bandes d'énergie. Il peut exister plusieurs bandes auxquelles l'énergie des électrons peut appartenir : ce sont les bandes permises. A l'inverse, il ne peut y avoir d'électrons dont l'énergie appartient aux bandes interdites. Chaque bande peut contenir un nombre précis d'électrons et le total des bandes sont remplis d'électrons par niveaux d'énergie croissant. A l'état fondamental de la matière, c'est-à-dire quand la température tend vers le zéro absolu (0 Kelvin ou -273°C), deux bandes ont un rôle particulier : La bande de valence : La dernière bande d'énergie complètement remplie d'électrons ; La bande de conduction : La bande d'énergie supérieure (ou égale dans le cas du conducteur) à celle de la bande de valence, mais qui n'est pas remplie. L'énergie qui sépare ces deux bandes est appelée Gap. Les électrons appartenant à la bande de valence permettent la cohésion locale du matériau : ils interagissent avec les atomes voisins pour rendre la structure stable. Les électrons de la bande de conduction sont dits délocalisés : ils peuvent se déplacer au sein du matériau, d'atome en atome, pour participer à la conduction électrique. Si la bande de conduction est partiellement remplie, quel que soit la taille du gap, des électrons au sein du matériau participent à la conduction électrique : le matériau est conducteur ; Si la bande de conduction est vide : Si le gap est grand (Plusieurs électrons-volt1), aucun électron du matériau ne peut participer à la conduction : le matériau est isolant ; Si le gap est suffisamment petit (de l'ordre de l'électron-volt), le matériau est, au repos, isolant. Mais la moindre excitation, thermique ou électrique, permet à certains électrons de la bande de valence de franchir le gap (pour se retrouver dans la bande de conduction) et le matériau devient conducteur. On parle alors de matériau semiconducteur. 1 L'électron-volt (ou eV) est une mesure physique d'énergie. Sa valeur correspond à l'énergie cinétique d'un électron accéléré sur l'action d'une différence de potentiel d'un volt. 1eV=1,602 10−19J. Cette valeur en Joule n'est pas pratique à manipuler, c'est pourquoi, en physique du semi-conducteur, on utilise beaucoup plus l'unité eV. 1 Quelques exemples de valeur de gap (à 300°K) : Carbone (C) : 5,47 eV Germanium (Ge): 0,66 eV (Isolant) (Semiconducteur) Silicium (Si) : 1,12 eV Etain (Sn) 0 eV (Semiconducteur) (Conducteur) Les éléments semi-conducteurs : Dans le tableau périodique des éléments, les semi-conducteurs se situent dans la colonne IV-A. Tous les éléments de la colonne IVA ne sont pas semi-conducteurs ! Cela dépend toujours de la largeur du gap au sein du cristal. D'après les critères établis précédemment, le Silicium et le Germanium sont d'excellent semi-conducteurs. A l'heure actuelle, le semi-conducteur le plus utilisé est le silicium (Si -14e-), pour une raison simple : son faible coût. Il est en effet présent à près de 25% dans la croûte terrestre, et est très facile à extraire et à traiter. Semi-conducteurs extrinsèques et dopage : Le dopage est une technique qui permet aux semi-conducteurs de "semi-conduire" plus efficacement. Lors de sa fabrication, des "impuretés" sont introduites au sein du solide. Les différents dopages : On comprend, de ce qui précède, qu’il existe deux types de dopants, donnant au semiconducteur des propriétés électroniques différentes : Des dopants appartenant à la colonnes III-A du tableau périodique (les trivalents), possédant un électron de moins (dans la bande de valence) que le silicium : Particulièrement Le Bore (B - 5e-). Des dopants appartenant à la colonne V-A du tableau périodique (les Pentavalents), possédant un électron de plus que le silicium : Particulièrement : Le Phosphore (P - 15e-). Dopage de type N Le dopage de type N consiste à introduire dans le cristal de semiconducteur des atomes pentavalents. On appelle ces éléments des dopants N. Lorsqu'un dopant N et un semi-conducteur quadrivalent (comme le silicium) entrent en contact, un électron du dopant se trouve « orphelin » : il ne peut occuper la bande de valence (elle est remplie). Il devient alors un électron libre (ou délocalisé), capable de conduire le courant. Le cristal présente donc un excès d'électrons, chargés négativement. Le semi-conducteur est donc dit dopé N (N pour Négatif). Dopage de type P Le dopage de type P consiste lui à introduire dans le cristal des atomes appartenant à la colonne III (Trivalent). Dans le cristal obtenu, les atomes de silicium et des dopants P présentent alors 7 électrons sur leur couche externe. Il manque un électron sur cette couche. Cette absence d'électrons (de charge négative) est considérée comme une charge positive, ou trou. 2 La question qui peut naturellement se poser est : Si on les met en contact une structure qui possède des électrons en trop, et une autre à qui il en manque… Que ce passe-t-il ? ou ça donnera quoi ? C'est ce que nous allons aborder au paragraphe suivant : La jonction PN Une jonction PN représente la mise en contact d'une surface de cristal de semi-conducteur dopé P avec une surface de cristal de semi-conducteur dopé N. Cette structure est à l’origine de la réalisation d’un composant électronique important : il s’agit de la diode (Dont on verra les caractéristiques et le fonctionnement un peu plus loin). Phénomène de diffusion : Lorsque les deux surfaces sont mises en contact, une partie des trous et des électrons se diffusent spontanément de part et d'autre de la jonction : Au niveau de la jonction, un peu à gauche et un peu à droite (De part et d’autre la ligne de jonction de la figure), les porteurs de charges, c'est-àdire les électrons et les trous, se neutralisent. il en résulte une zone sans charge mobile, appelée zone de déplétion ou (plus souvent) zone de charge d'espace (abrégée ZCE). Au fur et à mesure que la recombinaison ⃗⃗⃗⃗ e-/trou s’effectue, un champ électrique interne 𝑬𝒊 s’installe progressivement et se dirige de N vers P (du + vers le moins formés respectivement par les ions+ coté N et les ioncoté P). De ce fait, les e- (de charge -q) qui sont du côté N (non encore recombinés) se trouvent alors repoussés (vers l’extrémité droite de la jonction) sous l’effet d’une force électrique interne se dirigeant de P vers N (sens inverse ⃗⃗⃗𝒊 = −𝒒𝑬 ⃗⃗⃗⃗𝒊. De même, les de ⃗⃗⃗⃗ 𝑬𝒊 puisque : 𝑭 trous (de charge +q théoriquement) qui sont du côté P se trouvent donc repoussés (vers l’extrémité gauche de la jonction) sous l’effet d’une force électrique interne se dirigeant de ⃗⃗⃗𝒊 = +𝒒𝑬 ⃗⃗⃗⃗𝒊. (Même sens N vers P puisque : 𝑭 ⃗⃗⃗⃗ que 𝑬𝒊 ). Ce qui conduit alors à un équilibre électrostatique (Dans les 2sens, aucun porteur de charge ne peut se déplacer) Il en résulte alors une différence de potentiel entre la zone N et la zone P, appelée potentiel de jonction. Ou encore barrière de potentiel (un certain seuil en volts que nous allons voir dans un prochain paragraphe). En réalité, la ZCE agit comme une résistance : Plus la ZCE est large, plus la résistance est grande. A l'inverse, plus la ZCE est étroite, plus la résistance de la jonction est faible. Polarisation d'une jonction et application Il est parfaitement possible de relier la borne positive du générateur à la zone P et la borne négative à la zone N, tout comme faire l'inverse. Selon le sens du branchement, on parlera de polarisation directe ou polarisation inverse, et le comportement de la jonction sera complètement différent. Polarisation directe : On dit qu'une jonction PN est polarisée en directe lorsqu'on relie l'extrémité P au pôle (+) et l'extrémité N au pôle (-) d'un générateur de tension. Le champs externe 𝐸⃗𝑒𝑥𝑡 créé par ce générateur au sein de la jonction s'oppose au champ interne ⃗⃗⃗⃗ 𝑬𝒊 . Tant que la tension U 3 du générateur reste inférieure au seuil (barrière de potentiel citée précédemment), 𝐸⃗𝑒𝑥𝑡 reste inférieur à ⃗⃗⃗⃗ 𝑬𝒊 , et les porteurs de charges ne peuvent toujours pas traverser la jonction, il n'y a donc pas de courant. Si la tension du générateur devient supérieure au seuil, 𝐸⃗𝑒𝑥𝑡 devient supérieur à ⃗⃗⃗⃗ 𝑬𝒊 , le champ résultant dans la jonction est maintenant orienté de P vers N et va donc favoriser la diffusion des électrons de N vers P et des trous de P vers N. Il se crée alors un courant électrique important de P vers N au sein de la jonction (de N vers P dans le circuit extérieur). On dit que la jonction est passante. Le seuil de tension à partir duquel la jonction devient passante est d'environ 0.65V à 0.7V pour le silicium et 0.2V à 0.25V pour le germanium. Polarisation inverse : On dit qu'une jonction est polarisée en sens inverse lorsque le potentiel de son extrémité N est supérieur à celui de son extrémité P. L'action du champ 𝐸⃗𝑒𝑥𝑡 créé par le générateur externe d'ajoute à celle du champ interne 𝐸⃗𝑖 , les porteurs majoritaires sont repoussés encore un peu plus loin de la jonction ce qui augmente la largeur de la zone dépeuplée. Aucun courant important ne circule dans la jonction, on dit que la jonction est bloquée. Le seul courant qui arrive à passer est celui créé par les porteurs minoritaires dont la diffusion est encouragée par le champ 𝐸⃗𝑒𝑥𝑡 . Ce courant reste cependant très faible (de l’ordre de nA) et pratiquement négligé au point de considérer la jonction PN comme un circuit ouvert. (La jonction PN présente, dans ce cas, une résistance très élevée pratiquement). En conclusion, une jonction PN : Bloque le passage du courant si elle est polarisée en inverse Permet le passage du courant pour une polarisation directe supérieure au potentiel de jonction. Voici finalement la caractéristique d'une jonction PN (voir figure ci-contre) La diode : Caractéristique d'une jonction PN à base de Silicium En réalité, une jonction PN est ce qui est communément appelé « Diode ». En tant que composant électronique, la diode possède deux bornes : c’est donc un dipôle. Plus précisément, la diode est un dipôle passif nonlinéaire et non-symétrique. L’intérêt principal de la diode, comme nous l’avons vu précédemment (concernant les jonctions PN) est de ne laisser passer le courant que dans un seul et unique sens. Analogie : un clapet Pratiquement et par analogie aux mécaniques des fluides, le fonctionnement d’une diode est similaire à celui d’un clapet anti-retour ! Le flux de liquide (l’eau par exemple) passe à travers le clapet dans un sens (dans le sens direct et suite à une pression relativement petite) mais ne devrait pas passer dans le sens inverse même à des pression élevée (attention au claquage). 4 Polarité : La diode possède deux bornes qui ont chacune un nom pour repérer le sens. Il s'agit de : l'anode et de la cathode, souvent désignées respectivement par A et K. Rappelons les jonctions PN : L'anode correspond à la zone P et la cathode à la zone N (la cathode est la borne représentée par la barre verticale) Régime continu : Dans le 1er cas, la diode étant polarisée en direct, un courant circule, et donc l'ampoule s'allume. Si on inverse le sens de la diode, celle-ci est alors polarisée en inverse. Aucun courant ne circule et la lampe reste éteinte Appelons UA et UB les potentiels respectivement à l'anode et à la cathode de diode : Pour que la diode soit passante, il suffit que le potentiel UA soit suffisamment supérieur au potentiel UB (d'une valeur correspondant au type de diode utilisé). Inversement, pour que la diode soit bloquée, le potentiel UB doit être plus grand que le potentiel UA. En conclusion : Le fonctionnent de la diode dépond principalement de la ddp à ses bornes (entre l’Anode et la cathode). On appelle : tension de seuil d'une diode (ou seuil de polarisation noté : Useuil), l'équivalent exact du potentiel de jonction d'une jonction PN. Pour les diodes au silicium, la tension de seuil est en moyenne de 0,65V ; pour les diodes au germanium, elle est de l’ordre de 0,25V. Donc si on utilise une diode au silicium (ce qui est souvent le cas), pour que la diode soit passante, il faut que : UA>UB+Useuil UA>UB+0,65V (NB : Plus souvent on considère le seuil de 0.7 V) Caractéristiques : Le courant direct : Lorsque la diode polarisée en direct, le courant commence à croitre considérablement dès que la tension de seuil est dépassée. Courant de fuite (inverse) : Lorsque l'on polarise une diode en inverse, elle bloque le courant mais possède un léger défaut qui se nomme le courant de fuite ou encore le courant inverse (correspondant aux porteurs minoritaires tel qu’on l’a vu au paragraphe jonctions PN). Autrement dit, elle ne bloque pas parfaitement le courant. Ce courant est tellement faible (Quelques nanoampère nA) qu'il est négligé dans quasiment la totalité des cas. k est la constante de Boltzmann (1,3806503.10-23 J/K), T est la température absolue et q est la charge de l'électron. A la température ambiante (T=300 °K), ψ = 26 mV. Io est le courant inverse de la diode, il ne dépend presque pas de la tension de polarisation, mais dépend fortement de la température. à la température ambiante (25 °C), sa valeur ne dépasse guère le nA, à 125 °C, sa valeur est multipliée par 16000. NB : Sur la figure, l’échelle de la tension et du courant n’est pas la même dans le sens direct et le sens inverse. La résistance dynamique de la diode est estimée (après calcul de 1⁄𝑟 = 𝑑𝐼 ⁄𝑑𝑉) ⇒ 𝑟 ≅ 26⁄𝐼𝐷 (𝑚𝐴) 5 Régime variable La diode a un comportement identique, que ce soit en régime continu ou en régime alternatif. Toutefois, nous allons voir quelques fonctions réalisées par la diode en ce régime. Suppression d'alternance : Nous avons vu que la diode ne laissait passer le courant que si elle est polarisée en direct (et après un certain seuil) : Que se passera-t-il alors si on lui fournit un signal alternatif ? La diode Zener La diode Zener est une diode similaire à la diode standard. En principe, elle ne conduit que dans un sens unique et dispose d'une tension de seuil (directe similaire à celui de la diode standard). Donc en polarisation directe, la Zener se comporte exactement comme une diode standard (simple). La particularité de la diode Zener réside dans le fait suivant : Particulièrement, en polarisation inverse et lorsqu'on lui applique une tension supérieure à la tension inverse qu'elle peut supporter : elle claque sans pour autant être détruite ! Ainsi, on peut continuer à l'utiliser normalement. Toutefois, quoique la tension inverse appliquée n'a quasiment pas de limite, il en demeure important de faire attention à la puissance qui traverse la diode : celle-ci ne doit pas être supérieure à la puissance maximale supportée par la zener. En fait, l'intérêt principal de la diode Zener est de la brancher dans le sens opposé. Dès que la tension inverse à ses bornes est plus élevée que sa tension de claquage, la diode devient passante et le potentiel à ses bornes prend alors la valeur de sa tension de claquage. Une fois que l'on a dépassé la tension Zener de la diode, le fait d'augmenter la tension fournie par le générateur ne change en rien la tension aux bornes de la diode. Dans notre exemple, la tension aux bornes de la diode reste approximativement égale à sa tension Zener (6V dans notre cas). Par cette caractéristique, on nomme souvent la diode Zener comme : diode de régulation. C'est-à-dire qu'elle régule la tension ou la stabilise. Courbe caractéristique Équivalence : La diode Zener est équivalente à un générateur de tension. Plus précisément, elle agit comme un générateur de tension en limitant la tension qui lui est appliquée. 6 Cas d'utilisation de la diode : Redressement : On utilise souvent un pont de diode pour redresser la tension alternative fournie sur le secteur : Protection : On peut aussi employer une diode pour protéger des montages électroniques : son rôle est de protéger un circuit qui grillerait si on inversait sa polarité. Pour exemple, il suffirait de brancher les piles à l'envers (dans un appareil électronique) pour que celui-ci grille sans la protection d’une diode Détection de crête ou démodulation : Pour recevoir la radio à modulation AM, on aura besoin d’une diode en sortie de l'antenne de réception afin de détecter l’enveloppe véhiculant le signal utile... Autres types de diodes : Des diodes, il en existe de tous types ! On en recense vraiment beaucoup dont les propriétés sont toutes aussi intéressantes les unes que les autres. Voici une liste assez sommaire des diodes les plus courantes : LED : Cette diode est rigoureusement identique (niveau fonctionnement) à une "diode normale", mais elle a la capacité de s'éclairer. De nos jours, il s'agit de la diode la plus employée dans notre quotidien : on en trouve de partout ! Photodiode : voilà le cas d'une autre diode très particulière, elle réagit aux ondes électromagnétiques qui la frappent. Chaque photodiode possède une sensibilité particulière : aux rayonnements du spectre visible de la lumière, aux infra-rouges, aux ultra-violets, ou encore à d'autres gammes de rayonnements. On se sert énormément des modèles sensibles aux infrarouges pour les communications sans fil (pour les télécommandes notamment). On les utilise uniquement connectée en inverse pour servir de récepteur. Diode Très Haute Tension (THT) : c'est une diode dont le fonctionnement est identique à celui des diodes standards, sauf qu'elle peut fonctionner sur des tensions dépassant largement le kilo-Volt (>> 1000V). Bien entendu, avoir une telle propriété n'est pas sans défaut, sa tension de seuil est elle aussi largement plus élevée qu'une diode standard au silicium. Diode en réseau : là, c'est simplement plusieurs diodes intégrées dans un seul boitier, elles constituent un réseau car elles sont reliées par leurs anodes ou leurs cathodes. Leur fonctionnement est identique aux diodes standards Diode varicap : Cette diode est plus particulière que les autres. On la branche "à l'envers" et elle se comporte alors comme un condensateur de très très faible valeur, dont la capacité est variable selon la tension inverse appliquée à ses bornes (capacité parasite). Diode Schottky : elle fonctionne comme les diodes à jonction semiconducteurs mais sont fabriquées à base d’une jonction métal - semiconducteur. Leur vitesse de commutation est très élevée et leur tension de seuil plus faible que les diodes à jonction semi-conducteur. Elle est donc très utilisée pour les circuits de régulation de puissance. Elles sont aussi utilisées dans la détection des signaux HF faibles et hyperfréquences, la rendant ainsi utile en radioastronomie… 7