Electronique Fondamentale I CHAPITRE I: THÉORIE DES SEMI-CONDUCTEURS JONCTION PN / DIODES Intermédiaires entre isolants et conducteurs, les semi-conducteurs ont des propriétés d'importance considérable mises à profit dans les composants électroniques. En effet, ils offrent la possibilité de contrôler, à la fois la quantité et la direction du courant électrique. Ils sont à la base de plusieurs composants fondamentaux de l'électronique et de l'optoélectronique utilisés dans les dispositifs informatiques, de télécommunications, de télévision, dans l'automobile, dans les appareils électroménagers, ... etc. : les diodes, les transistors, les photodiodes, les phototransistors, les photodétecteurs, les circuits logiques, les amplificateurs, diodes laser, … . Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes I. RAPPELS SUR LA STRUCTURE DE LA MATIÈRE La matière est un assemblage d'atomes. L’atome est la plus petite partie (particule) de la matière qui puisse exister. Il peut être assimilé à une sphère extrêmement petite. Il est formé d’un noyau dense, portant la totalité de la charge positive de l'atome, autour duquel gravitent des électrons portant une charge négative, dans un espace très grand par rapport au volume du noyau. Le noyau est formé de nucléons : des neutrons qui ne sont pas chargés et des protons qui portent une charge électrique positive Notions importantes Les électrons des couches internes sont fortement liés au noyau. Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Les électrons de valence se trouvent sur la couche la plus externe (couche de valence ou couche périphérique) : ils sont faiblement liés au noyau. Pour s’assurer une configuration électronique stable, les atomes tendent à avoir un octet d’électrons sur la dernière couche. Les atomes existent très rarement à l’état isolé. En général, ils s’unissent entre eux en mettant en commun des doublets d’électrons de valence : liaisons covalentes et cela pour compléter leurs couches périphériques et former des molécules stables : cohésion des atomes (homogénéité ou assemblage régulier des atomes) de la matière (structure cristalline). Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Théorie des Bandes deux bandes dites permises : la bande de valence et la bande de conduction. Une bande dite interdite : la bande interdite. • Bande de valence (BV) : occupée par les électrons attachés à l'atome (niveau d'énergie le plus bas). • Bande interdite (BI) : ne contient aucun électron (niveau d'énergie intermédiaire). Elle est aussi appelée "Gap". • Bande de conduction (BC) : occupée par les électrons libres circulant entre les atomes (niveau d'énergie le plus haut). Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Bande interdite : EG Elle joue, donc, un rôle important : elle permet de distinguer les matériaux en isolants, semiconducteurs, conducteurs. Pour les conducteurs, les bandes de valence et de conduction se chevauchent (pas de EG ). Une faible source d'énergie suffit pour faire passer un grand nombre d'électrons libres de la BV vers la BC. Pour les isolants, la BI est large ( EG de l'ordre de 7 e.V ). La BC ne contient aucun électron. Même sous haute température ou haute tension (f.é.m), ces matériaux ne conduisent pas. Pour les semi-conducteurs, la BI est relativement petite ( EG de l'ordre de 1 e.V ). Les électrons occupent les niveaux d'énergie qui sont dans la BV. Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes II. LES SEMI-CONDUCTEURS II.1 Définition d'un semi-conducteur : Comme son nom l’indique, un "semi-conducteur" (S-C) est un matériau pourvu d’une conductivité se situant entre celle d’un isolant et celle d’un conducteur. Il a des propriétés spécifiques mises à profit dans la fabrication des composants électroniques. Le S-C possède une résistivité intermédiaire entre celle des isolants (10 Ω-cm: valeur typique du verre) et celle des conducteurs (10 Ω-cm : valeur typique du cuivre). Les valeurs typiques de la résistivité d’un matériau semi-conducteur se situent entre 1 Ω-cm et Ω-cm. Le S-C se comporte comme un isolant aux basses températures (agitation thermique faible) et comme un conducteur aux températures élevées. La résistivité d’un S-C diminue quand la température augmente. Exemples de S-Cs : Carbone (Diamant) (C : Z=6), Silicium (Si : Z=14), Germanium (Ge : Z=32), certains alliages tels que le Carbure de Silicium (SiC), l'Arséniure de Gallium (GaAs), ... . Les S-Cs les plus utilisés sont le Si et le Ge qui appartiennent à la 4ème colonne du tableau périodique de Mendeleïev. Exemples : EGSilicium = 1,12 eV ; EGGermanium = 0,76 eV. Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes II.2 Semi-conducteur intrinsèque : II.3 Semi-conducteur extrinsèque : Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes III. JONCTION PN III.1 Définition : Une "jonction PN" est formée par la mise en contact d'une zone d'un cristal de S-C dopé "P" avec une zone de cristal de S-C dopé "N". À la mise en contact, chaque zone est électriquement neutre puisque les impuretés ionisées compensent exactement les porteurs de charge. III.2 Jonction PN non polarisée : Une jonction PN est dite non polarisée si on ne lui applique aucune source de tension (d.d.p.) externe. Les électrons (porteurs majoritaires) de la région "N" étant en répulsion, certains d'entre eux (voisins de la jonction) vont diffuser vers la région "P" (où ils sont minoritaires), lorsque le contact est réalisé. Ils y seront piégés par les trous (voisins de la jonction) qui sont majoritaires dans cette région : la recombinaison d'un électron libre avec un trou entraine la disparition du trou et la transformation de l'électron libre en électron de valence Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes III.3 Jonction PN polarisée : La polarisation d'une jonction PN consiste à appliquer à ses deux extrémités une tension continue. On distingue deux types de polarisation : en direct et en inverse. Polarisation en direct : Une jonction PN est dite "polarisée en direct" si la région "P" est reliée à un potentiel supérieur à celui de la région "N" : 𝑷 𝑵 . Polarisation en inverse : Un jonction PN est dite "polarisée en inverse" si la région "P" est reliée à un potentiel inférieur à celui de la région "N" : 𝑵 𝑷 . Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes IV. LA DIODE IV.1 Définition : L'application la plus immédiate de la jonction PN est la "diode" qui fut inventée en 1942 par le physicien américain William Bradford Shockley (1910-1989). L'encapsulation d'une simple jonction PN dans un boîtier protecteur constitue le composant électronique appelé diode. C'est un dipôle électrique unidirectionnel dont : la borne ⊝ est la cathode notée "K" : électrode permettant l'accès à la zone S-C type "N". la borne est l'anode notée "A" : électrode permettant l'accès à la zone S-C type "P". Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes IV.2 Caractéristique d'une diode : La caractéristique d'une diode est la représentation graphique de la variation du courant Id en fonction de la chute de tension Vd . r1 Diapositive 15 r1 reda; 23/03/2021 Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes IV.2.2 Diode théorique (approximation de la diode réelle) : Dans ce cas, on approxime la caractéristique (courbe) réelle directe par une droite oblique passant par V0 pour 𝒅 𝟎. Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes IV.2.3 Diode idéalisée : La caractéristique d'une diode idéalisée est illustrée par la figure ci-contre. Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes IV.2.4 Diode idéale : La caractéristique d'une diode idéale est illustrée par la figure ci-contre. Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes IV.3 Point de fonctionnement d'une diode : Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes V. DIFÉRENTS TYPES DE DIODES En provoquant et exploitant différents phénomènes dans les semi-conducteurs, il est possible de concevoir différents types de diodes avec des caractéristiques spécifiques très utiles. V.1 Diodes Classiques ou Normales (à simple jonction PN) : C'est le type à simple jonction PN vu dans ce qui a précédé. Domaines d’application : Protection des circuits - circuits logiques – redressement filtrage - écrêtage (ʺclippingʺ) - restauration (ʺclampingʺ) - …etc. V.2 Diodes Électroluminescentes "LED" (Light Emitting Diode) : Les diodes électroluminescentes sont des jonctions PN qui peuvent émettre spontanément un rayonnement dans le domaine visible, dans l'infrarouge et dans l'ultraviolet. Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes V.3 Les Photodiodes : Les photodiodes relèvent du domaine de l'optoélectronique. Ce sont des diodes à jonction PN ayant la capacité de détection des rayonnements et de transformation de leurs énergies en énergie électrique (signaux électriques). Domaines d'application : Dispositifs électroniques de large utilisation (lecteurs de CD, ...) - Appareils électroniques télécommandés - Robotique - Détection (visible et invisible) Switching - Reconnaissance des caractères - Équipements de communication optique Électronique médicale, ... . Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes V.4 Diode Zener (Clarence Melvin Zener : physicien américain (1905–1993)) C'est une diode au Si qui, en polarisation directe, se comporte d'une façon normale, mais, qui, en polarisation inverse, a une caractéristique très particulière et très utile. Comme déjà vu, dans une diode ordinaire, la caractéristique inverse est parallèle à l'axe des tensions inverses; puis, pour une certaine tension inverse (Vz ici Vz0 ), le courant inverse (Is ici Iz ) qui était, jusque là, très faible, croît très vite, ce qui amène à la destruction de la diode, par claquage de la jonction, dû, d'abord, à l'ionisation des atomes de la zone de jonction sous l'action du champs électrique intense créé par la tension inverse, puis, à l'échauffement de la zone de jonction qui dissipe, en chaleur, une puissance énorme, la tension et l'intensité ayant, simultanément, une grande valeur. Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes VI. PRINCIPALES APPLICATIONS DES DIODES : CIRCUITS À DIODES VI.1 Circuits Redresseurs : ("Rectifier circuits") Le but principal du redressement est la transformation du courant alternatif en courant continu. On distingue : le redressement monoalternance ou simple alternance et le redressement double alternance. Par redressement, on dit qu'on a transformé un courant alternatif (une tension alternative) en un courant unidirectionnel (une tension unidirectionnelle). Contrairement au courant alternatif (à la tension alternative), un courant redressé (une tension redressée) est un courant (une tension) qui conserve la même polarité en cours du temps. La partie négative est supprimée. Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Principe de fonctionnement : Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes Chapitre I: Théorie des Semi-conducteurs /Jonction PN/Diodes
