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. 1 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 2 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. 3 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 4 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 5 Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes 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 6 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 7 Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes 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 8 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 9 Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes 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 10 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 11 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 12 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 13