Diodes à jonction PN : Cours complet

Les Diodes
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I. DIODES À JONCTION PN
I.1 Symbole – Constitution
• Symbole (Fig. I.1). Tension u
D
et courant i
D
: convention récepteur. A : Anode, K : Cathode.
La pointe du triangle indique le sens passant en direct du courant.
Fig. I.1 Symbole
• Constitution (Fig. I.2) et fonctionnement
Fig. I.2 Constitution d’une jonction PN
Une diode à jonction PN est constituée de deux zones respectivement dopées P
(atomes accepteurs) et N (atomes donneurs). Au moment de la création de la jonction, un
processus de diffusion se déclenche : les trous de la région P diffusent vers la région N
laissant des charges négatives fixes (atomes ionisés), et les électrons de la région N diffusent
vers la région P laissant des charges positives. Il apparaît alors au niveau de la jonction une
zone de largeur d
0
, appelée zone de charge d’espace ou zone de transition, dépeuplée de
porteurs mobiles et contenant uniquement des charges fixes positives du côté N et négatives
du côté P. Ces charges créent un champ électrique 𝐸
⃗
qui s’oppose à la diffusion des porteurs
de manière à établir un équilibre électrique. Une différence de potentiel, dont dérive le champ
électrique, apparaît aux bornes de la zone de charge d’espace. Elle est appelée tension de
contact ou tension de diffusion de la jonction et notée ici U
0
.

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𝑈𝑈
ln𝑁𝑁
𝑛
NA est la concentration des atomes accepteurs de la zone P. ND est la concentration des
atomes donneurs de la zone N. ni est la concentration intrinsèque du matériau (par exemple le
silicium). UT est la tension thermodynamique (ou thermique) définie par :
𝑈 (UT ≈ 26 mV à 300 K) Unités : 𝑉
⁄
avec
k ≈ 1,38・10−23 J/K : Constante de Boltzmann en joules par kelvin.
q ≈ 1,6・10−19 C : Valeur absolue de la charge de l’électron en coulombs.
T : Température absolue en Kelvin (0◦C = 273,15 K).
Question : Soit une jonction PN au silicium à 300 K avec une concentration intrinsèque du
silicium ni = 1,45・1010 cm
−3, un dopage NA = 10 18 cm −3 dans la région P et un dopage
ND = 1016 cm−3 dans la région N. Calculer sa tension de contact à 300 K.
Réponse : U0 ≈ 0,82 mV à 300 K
• Jonction PN polarisée en direct (uD > 0 en fonctionnement normal). Les tensions uD et U0
se retranchent, la barrière de potentiel passe de U0 à U0 − uD. La largeur de la zone de charge
d’espace diminue ainsi que l’intensité du champ électrique 𝐸
⃗
. Le champ est alors incapable
de s’opposer à la diffusion d’électrons de N vers P et de trous de P vers N. Le courant iD
circule positivement de P vers N. La tension uD ne doit pas dépasser U0 sous peine de
destruction.
• Jonction PN polarisée en inverse (uD < 0 en fonctionnement normal). Les tensions uD et U0
s’ajoutent, ce qui accroît la largeur de la zone de charge d’espace et l’intensité du champ
électrique 𝐸
⃗
. Le champ interdit alors la diffusion d’électrons de N vers P et de trous de P vers
N. Cependant, un courant de fuite très faible circule de N vers P, iD est négatif.

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I.2 Modèle idéal (Fig. I.3)
Fig. I.3 Caractéristique - Modèle idéal
I.3 Modèle linéaire par morceaux (Fig. I.4)
Fig. I.4 Caractéristique - Modèle linéaire par morceaux

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• Puissance moyenne dissipée (modèle linéaire par morceaux)
Diode bloquée: 𝑃  0 Diode passante : 𝑃  𝑈𝐼  𝑅𝐼 
I.4 Modèle de base
a) Équations
1) Fonctionnement normal (uD est positive ou négative, voir Fig. I.5)
𝑖𝐼
𝑒
1
IS est le courant de saturation ou inverse ; il est compris entre quelques fA et plusieurs nA à
température ambiante selon les diodes et leurs modèles. N est le coefficient d’ajustement
empirique, appelé coefficient d’idéalité ou coefficient d’émission ; il est voisin de 1 dans les
jonctions de transistors au Si et dans les diodes au Ge, et il est compris entre 1 et 2 dans le cas
de diodes au Si.
Équations simplifiées avec une erreur inférieure à 5 %
- Polarisation directe : Si 𝑢3𝑁𝑈
 alors 𝑖𝐼 𝑒𝑥𝑝 
- Polarisation inverse : Si 𝑢3𝑁𝑈
 alors 𝑖𝐼 .
2) Fonctionnement dans la zone de claquage (uD est négative, voir Fig. I.5)
𝑖𝐼
𝑒
UBV est la tension de retournement (breakdown voltage) définie positive. IBV est le courant
inverse de retournement défini positif. NBV est le facteur « d’idéalité » d’ajustement.
3) Fonctionnement normal et claquage. Pour éviter la discontinuité de raccordement des
équations, les simulateurs SPICE calculent le courant iD en effectuant la somme du courant en
fonctionnement normal et du courant en zone de claquage :
iD = iD Normal + iD Claquage

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Exemple I.1
Un des modèles SPICE de la diode 1N4148 spécifie I
S
= 2,68 nA, N = 1,84, U
BV
= 100 V,
I
BV
= 100 µA et N
BV
= 1.
Remarque : Le courant inverse réel d’une diode est plus élevé que le courant I
S
car
l’expression précédente ne rend pas compte des courants de fuite et de recombinaison en
surface et dans la zone de charge d’espace. SPICE permet de rendre compte de ces
imperfections et également de quelques autres...
b) Caractéristique
La caractéristique (Fig. I.5) i
D
= f (u
D
) passe par l’origine ; une diode est un dipôle passif.
L’échelle des courants est dilatée pour les courants négatifs.
Fig. I.5 Caractéristique i
D
= f(u
D
) d’une diode
c) Schémas équivalents
• Schéma équivalent « larges signaux » (Fig. I.6). C’est une source de courant i
D
commandée par la tension u
D
selon les équations du modèle de base.
• Schéma équivalent « larges signaux »
Fig. I.6 Schéma équivalent « larges signaux »
Fig. I.7 Schéma équivalent « petits signaux »