Ch1 Electronique.

Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes
Semi-conducteurs et Diodes
1.
Description : semi-conducteur intrinsèque
Un cristal de semi-conducteur intrinsèque est un solide dont les noyaux atomiques sont disposés
aux nœuds d'un réseau géométrique régulier. La cohésion de cet édifice est assurée par les liens de
valence qui résultent de la mise en commun de deux électrons appartenant chacun à deux atomes
voisins de la maille cristalline. Les atomes de semi-conducteur sont tétravalents et le cristal peut
être représenté par le réseau de la figure 1:
Figure 1: Semi-conducteur intrinsèque
2.
Définition
L'électron qui possède une énergie suffisante peut quitter la liaison de valence pour devenir un
électron libre. Il laisse derrière lui un trou qui peut être assimilé à une charge libre positive; en
effet, l'électron quittant la liaison de valence à laquelle il appartenait démasque une charge positive
du noyau correspondant. Le trou peut être occupé par un autre électron de valence qui laisse, à son
tour, un trou derrière lui: tout se passe comme si le trou s'était déplacé, ce qui lui vaut la
qualification de charge libre. La création d’un pair électron libre - trou est appelée génération alors
qu'on donne le nom de recombinaison au mécanisme inverse.
Exemples
Le silicium a un nombre volumique d'atomes de 5 1022 par cm3. A 300K (27 C), le nombre
volumique des électrons libres et des trous est de 1,5 1010 cm-3, soit une paire électron libre - trou
pour 3,3 1012 atomes.
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Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes
Le nombre volumique des atomes dans le germanium est de 4,4 1022 par cm3. A 300K, le nombre
volumique des électrons libres et des trous est 2,5 1013 cm-3, soit un pair électron libre - trou pour
1,8 109 atomes.
3.
Description: semi-conducteur extrinsèque de type n
Un semi-conducteur dans lequel on aurait substitué à quelques atomes tétravalents des atomes
pentavalents est dit extrinsèque de type n (Fig. 2)
Figure 2 : Semi-conducteur de type n
Quatre électrons de la couche périphérique de l'atome pentavalent prennent part aux liens de
valence alors que le cinquième, sans attache, est libre de se mouvoir dans le cristal. L'électron libre
ainsi créé neutralise la charge positive, solidaire du réseau cristallin, qu'est l'atome pentavalent
ionisé.
Définitions
Le dopage est l'action qui consiste à rendre un semi-conducteur extrinsèque. Par extension, ce
terme qualifie également l'existence d'une concentration d'atomes étrangers: on parle de dopage de
type n. On donne le nom d'impuretés aux atomes étrangers introduits dans la maille cristalline.
Dans le cas d'un semi-conducteur extrinsèque de type n, les impuretés sont appelées donneurs car
chacune d'entre elles donne un électron libre.
Modèle
Les dopages courants sont d'environ 1016 à 1018 atomes par cm3. On peut admettre que le nombre
volumique des électrons libres est égal au nombre volumique des impuretés et que le nombre
volumique des trous (charges libres positives) est négligeable. Etant données ces considérations,
on établit le modèle de semi-conducteur représenté à la figure 3 dans lequel n'apparaissent que les
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Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes
charges essentielles, à savoir: les électrons libres et les donneurs ionisés. Les charges fixes sont
entourées d'un cercle.
Un semi-conducteur dans lequel on aurait substitué à quelques atomes tétravalents des atomes
pentavalents est dit extrinsèque de type n (Fig. 3)
Figure 3 : semi-conducteur de type n
4.
Description: semi-conducteur extrinsèque de type p:
Si l'on introduit des atomes trivalents dans le réseau cristallin du semi-conducteur, les trois
électrons de la couche périphérique de l'impureté prennent part aux liens de valence, laissant une
place libre. Ce trou peut être occupé par un électron d'un autre lien de valence qui laisse, à son
tour, un trou derrière lui. L'atome trivalent est alors ionisé et sa charge négative est neutralisée par
le trou (voir fig. 4). Le semi-conducteur est alors extrinsèque de type p.
Figure 4 : Semi-conducteur de type p
Définition : Les impuretés, dans un semi-conducteur extrinsèque de type p. sont appelées
accepteurs au vu de leur propriété d'accepter un électron situé dans un lien de valence.
Modèle : Le nombre volumique des trous: il est approximativement égal au nombre volumique
des impuretés. Le nombre volumique des électrons libres est alors considéré comme négligeable.
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Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes
Il s'ensuit un modèle, représenté à la figure 5, dans lequel n'apparaissent que les charges
prépondérantes: les trous et les accepteurs ionisés.
Figure 5 : semi-conducteur de type p
Il faut remarquer que le semi-conducteur extrinsèque, type p ou type n, est globalement neutre. On
peut le comparer à un réseau géométrique dont certains nœuds sont chargés et dans lequel stagne
un gaz de charges mobiles qui neutralise les charges fixes du réseau. On élargit, par la suite, la
notion de semi-conducteur de type n à un semi-conducteur dont le nombre volumique des donneurs
l'emporte sur celui des accepteurs et celle de semi-conducteur de type p à un semi-conducteur dans
lequel le nombre volumique des accepteurs est prépondérant.
5.
5.1.
La diode à jonction
Introduction
Une diode est une association de deux semi-conducteurs, ce n'est en fait qu'une jonction PN, son
utilité est diverse : on l'utilise pour le redressement, pour écrêter des signaux (faire en sorte que la
valeur ne dépasse pas un certain seuil), pour réguler des tensions (pour éviter des variations
brusques de tension qui pourraient endommagées les circuits) et même pour les DELs (diode
électroluminescentes) ou LEDs en anglais (figure ci-dessous). Une diode est TOUJOURS
polarisée, c’est à dire qu'elle réagit différemment si elle est branchée dans un sens ou dans un autre.
La diode à jonction, symbolisée graphiquement par un triangle pointant vers la cathode, se présente
matériellement sous forme d'un élément cylindrique marqué d'une bague noire ou (blanche)
repérant cette même cathode.
Figure 6 : Symbole D’une diode à Jonction
A diode PN est la jonction de deux semi conducteurs l’un de type P et l’autre de type N à cause
des propriétés des deux semi-conducteurs la circulation du courant ne peut être que dans un seul
sens, de P vers N
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Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes
En examinant la relation courant tension d’une jonction PN polarisée on constate que le courant
obéit à la loi exponentielle suivante
 V
I D = I S exp  D
  VT
 
 − 1
 
KT
 25mV à T300K (q=1.6 10-19C ,K=1.38 1023j/K ordre de grandeur du courant
q
Is=100nA . Dans le cas où la diode est alimentée par une tension VD supérieure à 100mV, la
relation précédente peut être réduite à
Avec
 V
I D = I S exp  D
  VT



Figure 7 : Caractéristiques d’une diode à Jonction
Lorsque la tension appliquée est positive, la diode est dite polarisée en direct. Dans ce cas la
croissance positive du courant est fortement marquée après une tension de seuil VD0
Pour une jonction en silicium VD0 s’établie entre 0.6 et 0.7V on considère donc la diode passante
Sus une polarisation inverse (VD<0) le courant circulant de N vers P est extrêmes faible et vaut
Is. On considère donc la diode est bloquée
5.2.
La résistance Dynamique
On considère le point Q caractérisé par le couple (IDQ,VDQ)
 V
La relation devient I D = I S exp  D
  VT
nous pouvant écrire

 en considérant de très faibles variations autour de VDQ

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Nous en déduisant la résistance dynamique de la diode autour de son point de polarisation
V
rd = T
I dq
Pour un courant de polarisation IDQ de 1mA la résistance dynamique est environ 25.
La résistance dynamique d’une diode diminue lorsque le point de fonctionnement s’élève Elle
doit être prise en compte lorsque on superpose un signal variable sur la tension de fonctionnement.
5.3.
Polarisation d’une diode par une résistance
Une diode doit être polarisée par une tension d’environ VD pour qu’elle soit passante L’attaque
directe de la diode est délicate et risquée en, effet tout dépassement de la tension à la valeur VD0
engendre la circulation d’un courant élevé pouvant engendrer la destruction du composant, la
méthode la plus simple c’est de placer une résistance de limitation du courant en série avec la
U − VD
diode, dans ce cas nous avons I D =
R
Le point de polarisation Q et aussi appelé le point de fonctionnement est caractérisé par le couple
(IDQ, VDQ).
La détermination mathématique des cordonnés de ce point nécessite la recherche de la solution
V 
U − VD
VD qui s’satisfait l’équation
= Is exp  D  cette détermination n’est pas toujours facile
R
 VT 
et aussi la valeur de IS n’est pas toujours connue avec précision. Donc le recours à un modèle
simplifié facilite la tache
5.4.
Modelés d’une diode
Figure 8 Modèles d’une Diode à Jonction
5.4.1. Modèle diode parfaite sans seuil
En inverse la diode se comporte comme un circuit ouvert ID =0 quelques soit VD<0
En direct la diode se comporte comme un interrupteur fermé VD=0 pour ID >0
5.4.2. Modèle diode parfaite avec seuil
Il s’agit de modèle le plus utilisé car il prend en compte le défaut principale d’une diode, c’est la
chute de tension en état passant.
Pour VD<VD0 le modèle électrique associé c’est un interrupteur ouvert
VD reste fixer à VD à l’état passant
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Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes
5.4.3. Modelé diode avec seuil et résistance dynamique
Pour VD<VD0 le modèle électrique associé est toujours un interrupteur ouvert
Pour VD< VD la diode en conduction engendre une chute de tension égale à VD=VD0+RD.ID
5.5.
Modèle dynamique d’une jonction PN
Tout dipôle constituer d’éléments en regard présente un effet capacitif, la jonction PN elle présente
cet effet. Le modelé qui tient compte de l’effet capacitif est présente dans la figure suivante.
Figure 9 Modèle Dynamique
En pratique sont utilisation est réservé au domaine de haute fréquence, dans ce cas l’impédance
capacitif intervient et rend partiellement passante la diode en inverse
6.
6.1.
Application au redressement des signaux alternatifs
Redressement Simple alternance
C'est le redressement le plus simple (et le plus économique), mais le moins performant: on ne
redresse qu'une alternance sur deux.
Quand la tension aux bornes du secondaire du transformateur dépasse la tension de seuil de la
diode D1, celle-ci conduit (elle est "passante"). La tension aux bornes de la charge R1 est alors
égale à la tension aux bornes du transformateur moins la tension directe VF de la diode, soit en
moyenne 0,7 V.
Figure 10 Montage et allure
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6.2.
Redressement Double alternance
6.2.1. Le redressement double alternance pont de Great
Ici pour plus de simplicité on va raisonner sur le fait que le courant part du "+" et se dirige vers le
"-"
Figure 11 Redressement par pont de Great
o
u(t) est positive pour 0<t<pi.
Si e(t) >0 VD1 et VD3 serait en direct (car la tension à leurs bornes est positive) alors que VD2
et VD4 serait en inverse (la tension à leurs bornes serait négative).
On va donc déterminer l'équation de VD4 (VD2 serait identique) en écrivant la maille on peut dire
que VD4(t) = -u (t) =Vd2(t) et VD1=VD3=0
u(t) est négative pour 0<t<pi.
Si u(t)<0 VD2 et VD4 serait en direct (car la tension à leurs bornes est positive) alors que VD1
et VD3 serait en inverse (la tension a leurs bornes serait négative).
On va donc déterminer l'équation de VD3 (VD1 serait identique) On écrit à nouveau la maille et
on trouve VD1(t) = u(t) =Vd3(t) et VD4=VD2=0.
On pourrait donc faire le schéma équivalent qui serait identique au précédent".
Afin d'avoir le meilleur redressement possible on met un condensateur en parallèle sur la charge
pour que la tension soit lissée car la valeur moyenne du signal se retrouve au borne du condensateur
donc au borne de la charge.
Physiquement le condensateur agit comme une réserve d’énergie, c’est à dire que lorsque la tension
est inférieure à la tension moyenne, le condensateur fournit "l'énergie manquante" et si la tension
est supérieure à la tension moyenne il prend le "surplu".
Le pont de grattez est le procédé le plus utilisé (car le moins coûteux), il existe cependant d'autre
procédé comme celui du transfo à point milieu
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Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes
6.2.2.
Le redressement double alternance par transformateur à point milieu
Dans ce cas, tout se passe comme si on avait deux montages identiques à celui de redressement
simple alternance qui fonctionnent l'un pour l'alternance positive, l'autre pour l'alternance négative.
On vérifie bien que le courant dans la charge est toujours orienté dans le même sens.
Le courant dans la charge est unidirectionnel.
Figure 12 Redressement à point milieu
Certains montages, notamment ceux à amplificateurs opérationnels (AOP) nécessitent une
alimentation double symétrique, fournissant une tension positive et une tension négative (par
rapport à la masse commune). Ce type d'alimentation est réalisé avec un transfo à point milieu
suivi d'un pont de Graëtz, condensateurs de filtrage et régulateurs.
7.
Application à la détection d’un signal variable
L’enveloppe d’un signal correspond à la forme prise par son amplitude maximale au cours du
temps
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Figure 3 : Onde modulée
Le Détecteur d’enveloppe simple consiste en un redresseur à diode associé à un condensateur
Figure 14 : Détecteur d’enveloppe
Le circuit R//C mémorise l’amplitude crête du signal avec une constante de temps
=R.C, cette constante doit être choisi de façon ni trop courte si non la décharge du condensateur
apparaît à chaque alternance de signal, ni trop longue a fia de suivre l’évolution de l’enveloppe.
On choisit THF<<<<TBF
Une application courante de la détection de l’enveloppe c’est la démodulation AM
8.
La diode Zener
La particularité de la diode Zener réside dans le quadrant négatif de sa courbe caractéristique
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Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes
Figure 15 Symbole et caractéristiques
Dans le sens direct la diode Zener se comporte comme une jonction PN classique en sens inverse,
elle reste bloquée tant que VI=(-VD) reste inférieure à un seuil noté VZ. A partir de ce seuil la
diode conduit en sens inverse de façon très abrupte. La tension inverse mesurée a ces bornes est
stabilisée à VZ, elle est pratiquement indépendante du courant.
En résumé, la diode zener est utilisée pour stabiliser la tension pour cela elle doit être polarisée en
inverse. Le montage de base est le suivant
Figure 16 Stabilisation par diode zener
9.
La Photodiode
Sous polarisation inverse le courant circulant dans une jonction PN classique et très faible, les
porteurs électriques électrons et trous, attirés respectivement par les électrodes de polarité
s’éloigne de la jonction. Il se créé ainsi une zone isolante vide appelée zone de déplétion.
La photo diode est conçue pour permettre la réception de flux lumineux
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Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes
Figure 17 : La Photo Diode
10. La LED
On appelle électroluminescence l’émission d’un rayonnement lumineux due à une excitation
électronique dans un matériau. Dans le cas d’une diode électroluminescente LED .Il s’agit de
l’émission spontanée de lumière provoquée par l’injection des électrons à travers une jonction
Polarisée direct. Les semi-conducteurs utilisés pour réaliser la conversion de l’énergie électrique
en énergie lumineuse sont souvent des composés à base de gallium. La tension de seuil d’une
LED est supérieure à la tension de seuil d’une diode classique (environ 1.6V).
Les nombreuses applications de la LED sont :
Les voyants, témoins et indicateurs lumineux
Les afficheurs et les panneaux de signalisation
Les télécommandes infra rouges
Les émetteurs optiques
Les opto-coupleurs
Caractéristiques d’une LED
Le courant direct moyen est compris entre 10 et 50mA
Elle est plus fragile à l’inversion de la tension (Vin max : 5V)
La couleur de la LED
11. La diode shotky
La diode shotky est réalisée à partir d’une jonction métal semi-conducteur , elle a une faible
tension de seuil (0.3V) , et un rapidité de commutation le courant inverse d’une diode shotky est
plus important que le courant inverse d’une diode à jonction classique
12. La Diode varicap
Elle doit être polariser en inverse Elle présente une capacité qui se décroit avec la tension selon
une loi approchée du type
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Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes
Figure 18 Symbole de la diode Varicap
L’exposant n= 0.5 est valable pour les diodes varicapes de type planar epitaxial
Ordre des grandeurs des valeurs rencontrées Vmin<V<Vmax
VG0=0.7V Vmin = 2V, Vmax = 20V, C0 30pf
La diode varicap est utilisée dans beaucoup des applications radiofréquence ells sert à realiser des
VCO
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