Telechargé par boiteabonnement

les diodes (et semi conducteurs) reccueil

publicité
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
Téléchargement
Explore flashcards