Composants `a semi conducteurs : Diodes

Électronique 1
Composants à semi conducteurs : Diodes
1
Notation complexe
Les composants actifs sont des dispositifs à semi-conducteurs (sur silicium).
Plusieurs approches :
– Physique du composant
– Étude analytique (à partir des équations)
– Par la manipulation
2
Jonction PN
La jonction PN est la base des composants à jonction (diodes et transistors)
2.1
Définition
: ions fixes dans un trou
: ions fixes avec électron libre
: électron libre
: trou
V0
Is = I0 e− KT
K = 1, 38.10−23 J.K −1
T : Température en ˚K
q : Charge élémentaire
Matériau(silicium) dopé P (trous majoritaires) et dopé N (électrons majoritaires)
Il apparaı̂t un champ électrique entre la zone P et la zone N. Il existe une tension V0 aux bornes de la
jonction.
V0 est dite barrière de potentiel : 0, 6 à 0, 7V . deux courants s’opposent à l’état stable.
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−q
IS = I0 e kT V0
kT
q
UT =
UT est la tension thermodynamique
−V0
IS = I0 e UT
2.2
Jonction polarisée en direct

qV
KT


 ID = IS (eqV − 1)
ID ≈ IS e KT


 dQs + Qs = ID
dt
τ
On élève la tension du côté P. La différence de potentiel aux bornes du bareau devient V0 − V .
⇒ Un courant apparaı̂t
I = I0 e
−
V0 −V
UT
Ve
−U
= I0 e
T
V
V
e UT = IS e UT
Le courant dû aux porteurs minoritaires existe toujours
⇒ Id = I − Is
V
Id = Is e UT
−1
Id : courant dans la jonction en direct.
Équation différentielle :
Qs
dQs
+
= ID
dt
τ
Qs : charges stockées dans la jonction
τ : durée de vie des porteurs
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2.3
Jonction polarisée en inverse

qV

Ii = IS (1 + e− KT )


 Ii ≈ IS
s
2εqS 2 p



V0 + V
 Q=
1
1
NA + ND
NA : Concentration des atomes accepteurs
ND : Concentration des atomes donneurs
On abaisse le porteur P .
Il existe un courant inverse I ≈ Is
3
Diode à jonction
3.1
Structure d’une diode
Diode en court-circuit :
Diode = Jonction PN avec des électrodes (connectique)
⇒ Il apparaı̂t 2 barrières de potentiel supplémentaires liées au métal.
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Diode polarisée en direct :
V
n
qV
− 1) ≈ IS e nKT
V 0 = V0 −
qV
ID = IS (e nKT
Diode polarisée en inverse :
qV
Ii = IS (1 − e− nKT )Ii ≈ IS
Pour une diode en direct, l’équation est la même :
V
ID = IS (e nUT − 1)
n dépend du matériau utilisé.
Cas pratique :
1 6 n 6 2, UT =
3.2
kT
= 26mV
q
Caractéristique d’une diode
A : anode dopée P
K : cathode dopée N
Vd est la tension de coude
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Le courant inverse I ≈ IS ≈ 10−12 A = 1 pA.
En pratique on mesure Ii ≈ 1 nA ⇒ lié aux fuites.
Il existe un tension d’avalanche VA (VA ≈ 200 V).
La courbe est très raide ⇒ I croı̂t très rapidement ⇒ destruction du composant
3.3
Comportement de la température (de la jonction)
Le courant de saturation Is et V0 sont sensibles aux variations de température.
dIs
dV0
⇒ On peut faire l’étude en regardant
à V0 constant, et
à Is constant.
dθ
dθ
Remarque
Si V0 varie avec θ, on obtient un capteur de température.
3.4
Tableau comparatif en fonction du matériau
3.5
Modèles de diode
Pour faire l’étude de montage électronique, on fait un schéma équivalent de la diode.
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3.5.1
Diode idéale
Elle est modélisée comme un interrupteur. La diode devient passante lorsque V devient positif. Elle se bloque
quand I devient négatif.
Ce modèle convient pour de grands signaux.
3.5.2
Diode idéale avec tension de coude
– La diode devient passante quand Vd > V0
– La diode se bloque quand Id devient négatif.
3.5.3
Modèle petits signaux
Le modèle lorsque la diode est passante vaut V0 (tension de coude) + rd (résistance dynamique)
⇒ Pente autour du point de fonctionnement.
Que vaut rd si Vd = V10 > V0 ?
Vd
Id ≈ Is e UT ⇒
⇒ ∆Id =
1
∂I0
Is UVd
=
|Vd =V10 =
e T
rd
∂Vd
UT
Is VUd10
e T ∆Vd
UT
rd =
3.6
UT − VUd10
e T
Is
Régime transitoire
Montage d’étude :
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Relevés :
Si la diode n’est pas idéale, I =
E1 − V0
pour t1 < t < t2
R
Dans le cas réel, le courant s’établi avec un temps de retard td . Pour le blocage, le courant devient négatif
puis s’annule : I2 < 0 pendant ts = temps de stockage.
ts est du au temps nécessaire pour évacuer les charges.
td de mise en conduction est très faible.
ts peut être important ⇒ Les charges stockés s’écrivent
dQs
Qs
+
=I
dt
τ
Les charges stockées pendant la conduction.
E 1 − V0
Qs
= I1 =
τ
R
Pour connaı̂tre le temps de stockage on calcule au bout de combien de temps Qs = 0 avec le C.I.
On résout alors
Qs 0 = (
E1 − V0
dQs
Qs
)∗τ
+
= I2
R
dt
τ
Qs (p)
= I2
τ
E1 + E2
)
⇒ Qs (t) ⇒ ts = τ ln(
E 2 + V0
⇒ pQs (p) − Qs (0) +
⇒ ts dépend de l’amplitude de l’échelon
⇒ Inconvénient : limitation de la fréquence de fonctionnement du composant
3.7
3.7.1
Différents types de diodes
Diode zener
⇒ travail dans la caractéristique
< 0 pour faire des référence de tension
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3.7.2
Diodes varicap
s
Qi =
2εqS 2 p
V0 + V
+ N1D
1
NA
v
u
u
dQi = t
εqS 2
2
1
NA
+
1
ND
√
1
dVi
V0 + Vi
⇒ qDi = Cd dVi
⇒ permet de faire une capacité réglable
⇒ inférieur à quelques 100 pF
3.7.3
LED
V0 lorsque la diode est passante = 0, 8 à 1, 6V
⇒ voyant
3.7.4
Diode à effet tunnel
Les variations de i˜d et v˜d ont l’expression d’une résistance < 0 si la polarisation est sur la pente décroissante.
3.8
Montages à diodes
3.9
Rendement
si VE > VD ⇒ VR = VE − VD et I =
VE − VD
R
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Principe du redressement :
Mesure de Vmax :
Lorsque i(t) devient négatif, la diode se bloque et C se décharge dans R ⇒ loi exponentielle
La diode devient passante lorsque Vd = VE − VS = V0
si τ >> T , la tension VS est quasiment constante
⇒ détection d’amplitude.
Stabilisation de tension par Zener :
Il faut VE > VZ .
R calculée pour avoir IZmin < IZ < IZmax .
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