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Intégration des composants de
puissance
2) La jonction PN
Hervé Morel, http://hmorel.ampereforge.org
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Jonction PN - biblio
références
B. J. BALIGA, Modern Power Devices, Krieger, Florida
H. Mathieu, Physique des semiconducteurs et des composants
électroniques, Masson, Paris
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2
La diode PiN (P+NN+)
P+
N
N+
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3
La jonction PN
P
Zone de
Charge
d'Espace
P
N
- +
-
+
N
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Modèle de Shockley
Cathode
anode
i
Approximation:
désertion complète
(Shockley modèle)
v
-xA E xD x
-Em

Hypothèse de désertion: n,p << ||
hauteur de barrière de potentiel
d'une ZCE.
u B =  x D −  x A 
x
N A x A =N D xD
u B=
w=x Ax D
q N A x 2A N D x 2D 
2
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Modèle jonction P+N
si la jonction est asymétrique, NA >> ND.
u B=
q ND w2
Em =
2
q ND w

La jonction pn est faiblement déséquilibrée !
v BI =u T log
v= v BI − u B
Dans la ZCE pn=n 2i exp 
N A ND
n
2
i

v

uT
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Jonction PN : rôle de T
v BI =uT ln

Na Nd
n 2i

ni =n
300K
i
   
uT
uT300K
3
2
−U G
exp
2uT
    
uT
Na Nd
v BI =uG uT ln
−3 ln 300K
300K
ni
uT
v BI ≈uG
VBI ~ 1V pour le silicium, 3V pour le SiC
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La diode PIN
Simulation : le profile de dopage Γ(x)
couche diffusée P+
couche épitaxiée N
substrat N+
 x 
la jonction PN
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La diode PIN
Simulation : la ZCE à l'équilibre
(x)
p(x)
n(x)
ZCE
désertion ?
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Simulation : la ZCE et le champ
Champ électrique
triangulaire
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Simulation : la ZCE et uB
uB
w
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La diode PIN
Simulation : la ZCE et v = vBI - uB

n=n i exp
uT
v=v BI −u B
n=N D
M2
vA
ND
=u T ln 

ni
uB
M1
vc
NA
=−ln 

ni
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La diode PIN
en polarisation inverse
vc
v = vBI – uB = -10 V
uB
vA
M1
M2
Courants de fuite
En polarisation inverse ...
Courant de diffusion
q D p S n 2i
is=
LDp N D
courant de génération:
q ni S 2  u T v BI −v
iG =
q ND
uT
0
soit
iR ∝  v R
i=
Qp
p
=i S exp
v
−1
uT
 
i
v
Rôle de la température !
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tenue en tension
Avalanche par ionisation
U ion = p p∥vp∥ n n∥vn∥
vitesse d'ionisation
porteurs chauds ? (!)
tenue en tension de la diode PIN
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La diode PIN
en direct
ZCE
v = vBI – uB ~0,5 V
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La diode PIN
en direct
v = vBI – uB ~0,5 V
ZCE
uB
n P =N D exp−
uT
uB
pN =N A exp−
uT
v
pn=p N N D=n P N A =n exp
uT
2
i
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La diode PIN
ZCE
en forte injection
p=n > ND
ND
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la diode PIN en forte injection
(zone neutre !)
n=p >> ND
USRH =
=n  p
2
p n−n i
n p p n 0 n i
D=
2 n  p
n p
uT
équation de diffusion
∂p
p

ambipolaire
=div D grad p−
∂t

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la diode PIN en forte injection
équation de diffusion
ambipolaire
chute de tension
∂p
p

=div D grad p−
∂t

u FI=r FI iu D
très faible: qq 10mV
une diode PIN a une chute de tension proche de Eg !
quelque soit le calibre en tension !
mais ... lent = recouvrement de la charge
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Conclusion sur la diode PIN
tenue en tension
v BR T , N D , W B 
chute de tension à l'état passant
d
v ON T ,S , W B ,  ,
~EG T
dx
rapidité
t RR T ,  , S , N D , W B 
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