Chapitre 06 - Les Semiconducteurs de Puissance, La Diode

7/27/2019 Chapitre 06 - Les Semiconducteurs de Puissance, La Diode

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Haute Ecole dIngnierie et de Gestiondu Canton du Vaud

CD:\Cours_doc\Chap6 M. Correvon

Electronique de puissance

__________Chapitre 6 LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCEPREMIRE PARTIE:LADIODE


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T A B L E D E S M A T I E R E S

PAGE

6. LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (1) : LA DIODE. .........................................................................16.1 LA DIODE.................................................................................................................................................................1

6.1.1 Introduction.......................................................................................................................................................16.1.2 Les proprits lectriques du cristal de silicium..............................................................................................16.1.3 Le silicium pur ou intrinsque. .........................................................................................................................16.1.4 Le silicium dop ou extrinsque. ......................................................................................................................36.1.5 Les mouvements des charges dans un cristal de silicium................................................................................56.1.6 La jonction PN. .................................................................................................................................................66.1.7 Remarques gnrales......................................................................................................................................156.1.8 La diode utilise en commutation...................................................................................................................166.1.9 Caractristiques statiques...............................................................................................................................176.1.10 Valeurs maximales admissibles pour le courant et la tension. ................................................................19

6.1.11 Pertes l'tat passant et l'tat bloqu....................................................................................................196.1.12 Les caractristiques dynamiques: les commutations................................................................................206.1.13 Avertissement. ............................................................................................................................................256.1.14 Grandeurs nominales et caractristiques importantes de slection........................................................266.1.15 Limites maximales d'utilisation (Absolute maximum ratings). ................................................................276.1.16 Caractristiques statiques..........................................................................................................................286.1.17 Caractristiques dynamiques. ...................................................................................................................286.1.18 Notes sur les diodes spciales....................................................................................................................32


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LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (1) :LA DIODE Page 1

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6. LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (1) : LA DIODE.6.1 LA DIODE.6.1.1 Introduction.

Si on veut valuer les sollicitations auxquelles les semiconducteurs sont soumis lors descommutations, ou si on veut tudier les moyens qui permettent de rduire ces sollicitations, ilfaut disposer de modles plus prcis du comportement de ces interrupteurs statiques.Le but des sections 6.1.2 6.1.7 n'est pas de traiter de la physique des semiconducteurs ni deleur technologie de fabrication. Nous nous tiendrons au minimum ncessaire pour expliquerles principales caractristiques des composants les plus utiliss.

6.1.2 Les proprits lectriques du cristal de silicium.Les atomes des matriaux semiconducteurs possdent quatre lectrons sur leur coucheextrieure dite couche de valence. Ceci peut correspondre l'association par liaison decovalences d'atomes identiques possdant chacun ces quatre lectrons priphriques (carbone,germanium, silicium) ou l'association deux par deux par liaison ionique d'atomes possdant,l'un trois lectrons priphriques, l'autre cinq (arsniure de gallium). Ces atomes ou cesmolcules s'accrochent les uns aux autres de faon rgulire en partageant leurs lectrons

priphriques et forment des structures cristallines.Au stade actuel de la technologie, seul le silicium permet la ralisation d'interrupteurs de

puissance capables de supporter des tensions de quelques milliers de volts l'tat ouvert, des

courants pouvant aller jusqu' plusieurs milliers d'ampres l'tat ferm.

6.1.3 Le silicium pur ou intrinsque.Dans un cristal de silicium, les atomes sont arrangs dans un rseau ttradrique o chaqueatome voit ses quatre lectrons priphriques tablir quatre liaisons de covalence avec lesquatre atomes qui lui sont voisins au sein du rseau.La Figure 6-1 donne une reprsentation plane de cette structure qui est priori stable.

Figure 6-1 : Structure d'un cristal de silicium

Toutefois, l'agitation thermique au sein de ce rseau fournit certains lectrons de valencel'nergie ncessaire pour passer de la bande de valence dans la bande de conduction, devenant


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ainsi des porteurs de charge ngative mobiles pouvant servir la circulation d'un courant dansle matriau.

Lorsqu'un lectron passe dans la bande de conduction, il laisse dans le rseau cristallin un ionpositif (atome ayant perdu cet lectron). Une particularit essentielle du silicium est que cetion peut aisment rtablir son quilibre lectronique en capturant un lectron de valence d'unatome voisin, lequel peut son tour rtablir son quilibre aux dpens d'un atome voisin ...On voit que le trou laiss par le passage d'un lectron de la bande de valence la bande deconduction correspond une charge positive se dplaant de proche en proche dans le rseaucristallin et participant ainsi la conduction du courant au mme titre que l'lectron pass dansla bande de conduction.C'est pourquoi, lorsque l'agitation thermique fait passer un lectron dans la bande deconduction, on dit qu'il y a cration d'unepaire lectron- troupour indiquer qu'il y a apparition

de deux porteurs de charge mobiles de signes opposs.Un lectron pass dans la bande de conduction peut revenir dans la bande de valence en tantcaptur par un ion positif ; on dit que cet lectron se recombine avec un trou du rseaucristallin.Par la suite, quand nous parlerons d'lectrons, nous sous-entendrons qu'il s'agit d'lectrons

passs dans la bande de conduction.

Le nombre de paires lectron-trou libr par unit de temps par l'agitation thermique crot avecla temprature du cristal. Par ailleurs, le nombre de paires lectron-trou qui se recombine parunit de temps est sensiblement proportionnel au produit de la concentration en lectrons parla concentration en trous au sein du cristal.

KT

qE

I

g

eCn

=2 6.1

avec :

Eg : le niveau d'nergie du semiconducteur, 1.1eV pour le silicium. q : charge de l'lectron K : cte de Bolzmann T : temprature en degr Kelvin C : cte de proportionnalit

Ces deux mcanismes antagonistes font qu' une temprature donne la concentration enpaires lectron-trou atteint une valeur d'quilibre pour laquelle le nombre de paires qui serecombine par unit de temps gale le nombre de paires gnres par l'agitation thermique.

On caractrise la concentration en paires lectron-trou l'quilibre par le nombre nI d'lectronspar cm3 (Il est gal au nombre pI de trous par cm

3; l'indice I correspond au caractreintrinsque du cristal.)A la temprature ambiante (25 C),

]/1[102.1 310 cmpn II = 6.2

Ce nombre, qui est celui des atomes ioniss par cm3 est une fraction infime desatomes prsents dans le cristal.

322 /105 cm


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La rsistivit du silicium pur est voisine de cmk 250 . Cette valeur est comparer celle ducuivre ( ) et celle du polypropylne ( ).cm 6107.1 cm 17107.1

6.1.4 Le silicium dop ou extrinsque.On peut modifier les caractristiques d'un cristal de silicium pardopage, c'est--dire parinjection en trs faible quantit d'atomes trivalents, comme l'aluminium, ou pentavalents,comme le phosphore.La concentration en atomes trangers (ou impurets) introduits par le dopage doit trenettement suprieure nI, pour produire un effet sensible, mais elle est infrieure et estdonc ngligeable l'chelle du nombre d'atomes par cm

2In

3 cristal.

6.1.4.1 Le silicium de type N.On ralise un dopage de type N en injectant dans le cristal de silicium des atomes possdantcinq lectrons de valence. Quatre lectrons de valence de chaque atome tranger servent tablir des liaisons covalentes avec les atomes de silicium voisins; le cinquime est rejet dansla bande de conduction et laisse derrire lui un ion positif (atome tranger ayant perdu unlectron).A chaque atome d'impuret correspond donc

une charge ngative mobile,une charge positive fixe.

Il faut ajouter ces charges les paires lectron-trou gnres par l'agitation thermique venantdes atomes de silicium.

Pour dterminer le nombre total de porteurs de charge l'quilibre thermique, on remarque: que le nombre de paires lectron-trou produit par cm3 et unit de temps par l'agitation

thermique n'est pas affect par la prsence des impurets vu leur trs faibleconcentration,

qu' l'quilibre le nombre de recombinaisons par cm3 et unit de temps resteproportionnel, comme pour le silicium pur, au produit de la concentration en lectronsnN par la concentration en trous pN.

On en dduit, pour 25C

]/1[1044.1 3202 cmnpnpn IIINN == 6.3

soit

IN

IN pn

np = 6.4

Si le nombre ND d'atomes trangers donneurs d'un lectron est nettement suprieur nI,

IIDIDN pounNnNn >>+= 6.5

et la relation prcdente devient


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DIID

IN NppN

np >+= 6.7

AIIA

IP NnnN

pn


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6.1.5 Les mouvements des charges dans un cristal de silicium.Dans un mtal, les charges ngatives que constituent les lectrons de la bande de conduction

sont libres de se dplacer au sein du matriau. Les charges positives, que constituent lesatomes ioniss par passage de leurs lectrons priphriques dans la bande de conduction, sontfixes. Toute variation spatiale de la concentration en lectrons libres au sein du matriaucrerait un dsquilibre entre les concentrations des charges positives et ngatives, et doncl'apparition d'un champ lectrique s'opposant ce dsquilibre.

Dans un semiconducteur, il y a deux types de charges mobiles; les lectrons et les trous. Onpeut donc avoir une variation spatiale de la concentration en porteurs sans qu'il y ait apparitiond'un champ lectrique ; il suffit que les variations de concentration des lectrons et des troussoient gales.Par consquent, dans un semiconducteur, deux mcanismes peuvent contribuer produire des

mouvements de charges et donc faire circuler un courant.C'est l'existence de ces deux types de courant qui est la base des proprits particulires desdispositifs semiconducteur.

6.1.5.1 Effet des gradients de concentration: courant de diffusion.Une variation de la concentration en lectrons suivant l'axe des x entrane un gradient de

concentrationx

n

et un mouvement des lectrons dans le sens qui contribue rtablir

l'quilibre (Figure 6-2). Il en va de mme d'une variation de la concentration en trous.Il en rsulte un courant de diffusion dont la densit est donne par:

)(, x

pD

x

nDqJ pnxdiff

= 6.9

o Dn, et Dp sont les constantes de diffusion des lectrons et des trous. Elles sont lies auxmobilits n et p par la relation d'Einstein :

Tp

p

n

n Uq

kTDD===

6.10

o T : la temprature en degrs Kelvin [K],

k : la constante de Boltzmann ( ),]eV/K[102.86]J/K[108.13 624 =UT : le potentiel thermodynamique; il est de 26mV 25C.

6.1.5.2 Effet des gradients de potentiel: courant de conduction.Un champ lectrique Ex, dirig suivant l'axe des x (Figure 6-2) exerce une force sur les chargesmobiles et provoque par-l un mouvement global de ces charges dans le sens de Ex, pour lestrous, en sens inverse pour les lectrons.

Il en rsulte un courant de conduction dans le sens de Ex, et dont la densit est donne par:

xpnxcondEpnqJ += )(

,

6.11

avec


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q : charge de l'lectron ( ),][1016 20 Cn et p : les concentrations en lectrons et en trous [1/cm3],

n et p : les mobilits des lectrons et des trous.Ex

trous

courant

lectrons

x

lectronscourant

x

trouscourant

x

n

p

n(x)

p(x)

Figure 6-2 : Mouvement de charges d la conduction et la diffusion

6.1.6 La jonction PN.Pratiquement tous les dispositifs semiconducteur, et en particulier les interrupteurs de

puissance, sont raliss l'aide de structures dans lesquelles certaines rgions sont du type P etd'autres de type N. La jonction PN dsigne la zone de faible paisseur (quelques microns) ola conductivit passe du type P au type N.Les phnomnes qui se produisent au niveau d'une jonction jouent un rle essentiel dans lefonctionnement de la plupart des interrupteurs de puissance semiconducteur.

6.1.6.1 La jonction PN l'quilibre.Les porteurs majoritaires du ct P sont les trous, du ct N les lectrons. Il existe donc de partet d'autre de la jonction de fortes diffrences de concentration en trous et lectrons. Sous l'effetdes gradients qui en rsultent, les trous ont tendance diffuser de la zone P vers la zone N, etles lectrons de la zone N vers la zone P, donnant ainsi naissance un courant de diffusion daux porteurs majoritaires (Figure 6-3).Les recombinaisons entre charges mobiles de signes opposs sont trs nombreuses proximitimmdiate de la jonction: il ne reste dans les rgions que les charges fixes, ions ngatifs duct P, ions positifs du ct N, qui font disparatre localement la neutralit lectrique. Danscettezone dite de dpltion ou de charged'espace, apparat un champ lectrique dirig de lazone N vers la zone P. Ce champ cre un courant de conduction d aux porteurs minoritaires.

A l'quilibre, aucun courant ne pouvant traverser la jonction isole, ce courant de conductioncompense le courant de diffusion dirig en sens inverse.Puisque les charges mobiles disparaissent deux deux lors des recombinaisons, la charge

positive localise du ct N de la jonction est gale la charge ngative localise du ct P. En


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dehors de la zone de dpltion, le champ lectrique est nul, comme le sont les gradients deconcentration en porteurs.

Zone P Zone N

Champ interne

Courant de diffusion

Courant de conductioinPorteurs majoritaires(trous)

Porteurs majoritaires(lectrons)

Figure 6-3 : Etat d'quilibre d'une jonction PN

Si on fait l'hypothse que les limites de la zone de dpltion sont abruptes (Figure 6-4), parcentimtre carr de surface de jonction, on a:

du ct P, une charge gale SlqN PA 0

du ct N, une charge gale SlqN ND + 0

en dsignant par

NA : le nombre d'atomes accepteurs par cm3 de la zone P,

lP0 : la largeur en cm de la zone de dpltion dans cette zone l'quilibre,ND : le nombre d'atomes donneurs par cm

3 de la zone N,lN0 : la largeur en cm de la zone de dpltion dans cette zone l'quilibre.S : section (normale la direction du champ lectrique) du semiconducteur

L'galit des charges de part et d'autre implique que l'on ait:

00 NDPA lNlN = 6.12

Cette relation montre que, si les concentrations en impurets NA et ND sont diffrentes, c'estdans la zone la plus faiblement dope que la largeur de la zone de dpltion est la plusimportante.

L'hypothse de frontires abruptes de la zone de dpltion revient admettre que le champlectrique volue dans cette zone suivant un triangle, comme reprsent la Figure 6-4:

PzoneladansS

Nq

dx

dE A,

= 6.13


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NzoneladansSNq

dx

dE D ,

=

6.14

avec constante dilectrique du silicium (10-12F/cm).

Zone P Zone N

0

-Emax

x

x

-qNA

+qND

Densit de charges

lN0lP0 0

lP0 lN0

0

x

Diffrence de Potentiel

lP0 lN0

V0

Champ lectrique

=0

0

)(1

)(N

P

l

l

dxxQxE

Figure 6-4 : Etat d'quilibre d'une jonction PN : Champ lectrique et diffrence de potentiel

On en dduit la valeur maximale Emax du champ dans la zone de dpltion et celle de labarrire de potentiel V0 qui s'installe entre la zone P et la zone N.


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00max PA

ND lS

NqlS

NqE

=

=

6.15

2

)(

00max

0

0 0

0max

0

0max0

0

00

0

PN

l

l

N

N

P

Pl

l

llE

dxl

lxEdx

l

lxEdxxEV

P

NN

P

+=

++

+==

6.16

On peut valuerV0 en fonction de la concentration en impuret dans les deux zones.A l'quilibre, comme indiqu, la somme des courants de conduction et de diffusion travers la

jonction est nulle. Si on prend par exemple, les composantes de ces courants dues auxlectrons, on obtient :

0)(,, =+=+= dxdnDqxEnqJJJ nnndiffncondn 6.17

On en tire

dx

dV

dx

dn

n

DxE

n

N =

=

)( 6.18

n

dnU

n

dnDdV T

n

N ==

6.19

D'o

)ln()ln(20

I

ADT

P

NT

n

n

T

n

NNU

n

nUdn

n

UV

N

P

=== 6.20

On obtiendrait le mme rsultat en prenant les composantes des courants dus aux trous.La valeur de V0 est de l'ordre du volt.On peut exprimer lP0, lN0 et Emax en fonction de V0 et des concentrations d'impurets.

De

2;, 00max0

max0

max0

NP

DN

AP

llEV

Nq

El

Nq

El

+=

=

=

on tire

DA NN

VqE

112 0

max

+

=

6.21

A

DDN

D

AAP

NNV

NqlNNV

Nql +

=+

= 1

2;

1

2 00

00

6.22


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A cause de la barrire de potentiel, les lectrons qui tentent de diffuser de la zone N vers lazone P se voient repousss vers la zone N. Il en va de mme des trous qui tentent de diffuservers la zone N.Comme le champ lectrique issu de la barrire de potentiel sert produire le courant deconduction qui compense le courant de diffusion, il n'y a aucune circulation de courant dans lecircuit extrieur si on relie par un court circuit les extrmits des zones P et N.

Zone de dpletion

Zone NZone NZone P

i=0

Figure 6-5 : Jonction l'tat d'quilibre

6.1.6.2 La jonction PN en polarisation inverse.Si on polarise ngativement la zone P par rapport la zone N l'aide d'une source extrieurede tension VR(R comme reverse), la zone de dpltion s'largit au fur et mesure que V Raugmente (Figure 6-6) et renforce la barrire de potentiel.

Zone de dpletion

Zone P Zone N

VR

lP lN

Figure 6-6 : Jonction en polarisation inverse

Les largeurs lN et lPde la zone de dpltion dans les zones N et P et le champ maximums'obtiennent en remplaant V0 parV0 + VRdans les relations 6.15, 6.16, 6.21 et 6.22 quideviennent:


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2max0PN

R

llEVV

+=+ 6.23

DA

R

NN

VVqE

112 0

max

+

+=

6.24

A

D

R

DD

APN

N

NVV

NqN

Nll

+

+

==1

2 0 6.25

6.1.6.2.1 Tenue en tension inverse.La tension inverse maximale que peut supporter une jonction est limite par deux phnomnes: le perage et le claquage. Le perage d'une zone de la jonction intervient lorsque la largeur de la zone de dpltion

dans une zone, P ou N, tend devenir suprieure l'paisseur de la zone la plus faiblementdope. Ainsi, si la zone N est nettement moins dope que la zone P et Si VRest trssuprieur V0, la relation 6.25 donne:

RD

N VNql

2

6.26

et la tension de perage est la valeur de VRpour laquelle lN devient gale l'paisseur eNde la zone N

perageD

N VNqe

=2

6.27

on tire

2

2 ND

perage eNq

V

= 6.28

Le claquage de la jonction intervient lorsque la valeur Emax du champ lectrique atteint leseuil d'avalanche EBR(BR comme breakdown); l'nergie cintique transmise aux lectronsmobiles est alors suffisante pour leur permettre d'arracher lors des collisions des lectronscaptifs du rseau cristallin, d'o une multiplication en avalanche de paires lectron-trou.Si l'on conserve les hypothses ND > V0, on peut exprimer la tension declaquage VBRen fonction de EBR

De

BRDBR VNq

EE

==

2max 6.29

on tire


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2

2 BRDBR ENq

V

6.30

La tension de claquage est infrieure la tension de perage si

BRD

N ENqe

>

6.31

On voit que pour qu'une jonction puisse supporter une tension inverse leve, il faut qu'unedes deux zones soit paisse etpeu dope.

6.1.6.2.2 Augmentation de la tension inverse admissible.A tension de claquage donne, on peut limiter l'paisseur de la zone faiblement dope

ncessaire en lui accolant une zone de mme type, mais fortement dope. Par exemple (Figure6-7), on fait suivre une zone N faiblement dope, note N-, d'une zone fortement dope, note

N+.

Comme la pente du champ lectrique dans la zone de dpltion est proportionnelle la densitdes ions prsents, cette pente augmente brutalement quand on passe de la zone N - la zone

N+; le perage de la zone N- ne constitue plus la limite de tenue en tension inverse de lajonction PN-.Il ne reste que la tension de claquage pour laquelle Emax = EBR. La Figure 6-7 montre que, sil'paisseur eN de la zone N

- est grande devant les largeurs des zones de dpltion dans P et

dans N+, la valeur de la tension VBRest donne approximativement par la surface du trapzehachur:

NND

BRperageBRNRBR eeNq

ENVEeVV

=

)2

()(max

6.32

Pour que cette valeur soit suprieure la tension de perage de la zone N -, il suffit que leproduit eNEBRsoit suprieur deux fois cette tension de perage.


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Zone de dpletion

Zone P Zone N+

lP lN

Zone N-

0eN

Champ lectrique

-Emax

x

x

-qNA

eN

qN+D

qN-D

Densit de charge

Figure 6-7 : Jonction en polarisation inverse

6.1.6.2.3 Capacit parasite d'une jonction P-N polarise en inverse.Lorsqu'une zone de dpltion de largeur lN apparat dans la couche N

- de section S possdantND ions positifs par unit de volume, la charge contenue dans cette zone est gale

ND lSNqQ = 6.33

La largeur lN est donne par la relation 6.24, soit

DA

R

D

A

D

R

DN NNsiV

V

qN

V

NN

VV

Nql >>+

+

+

= ,)1(

2

1

2

0

00

6.34


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En reportant cette expression dans celle de Q, on obtient :

)1(20

0 V

VVNqSQ RD += 6.35

La capacit parasite de la jonction P-N polarise en inverse est donne par:

0

0

0

2

1

00

1

1

2

2

1)1(2

V

VV

NqS

VV

VVNqS

dV

dQC

R

D

RD

RJ

+

=

+==

6.36

qui peut s'crire :

00

0

0

21

V

NqCavec

V

V

CC DJ

R

JJ

=

+

=

6.37

C'est cette capacit qu'il faut charger ou dcharger chaque fois qu'on veut atteindre ou quitterl'tat bloqu de la jonction.

6.1.6.2.4 Remarques sur le courant inverse.Lorsqu'une jonction est polarise en inverse, elle est traverse par un faible courant, appelcourant de fuite, allant de la zone N la zone P Ce courant correspond l'augmentation ducourant de conduction d l'action du champ lectrique sur les porteurs minoritaires (trous dela zone N, lectrons de la zone P). Ces concentrations tant peu leves, ce courant estrelativement faible. Toutefois, lors des variations brusques de la tension VR, ce courant peutatteindre transitoirement des valeurs leves pour enlever ou apporter les charges ncessaires

pour assurer les variations de largeur de la zone de dpltion.

6.1.6.3 La jonction PN en polarisation directe.Lorsqu'on applique aux bornes de la jonction PN une tension directe VF (F comme forward)qui polarise positivement la zone P par rapport la zone N, la barrire de potentiel est rduiteainsi que la largeur de la zone de dpltion. Les quations 6.15, 6.16, 6.21 et 6.22 deviennentmaintenant:

2max0PN

F

llEVV

+= 6.38

DA

F

NN

VVqE

112 0

max

+

=

6.39


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A

D

F

DD

APN

N

NVV

NqN

Nll

+

==1

2 0 6.40

Le courant de conduction diminue tandis que le courant de diffusion augmente: la jonctiondevient passante dans le sens direct, de P vers N.A mesure que VF tend vers V0, le courant de diffusion devient de plus en plus important; cecourant peut atteindre des valeurs leves car les gradients de concentration au niveau de la

jonction sont importants.La diffusion de trous de la zone P vers la zone N entrane une forte augmentation de laconcentration en trous dans la zone N au droit de la jonction.

Si la concentration en trous reste infrieure la concentration en atomes donneurs du ct

N, on dit qu'il y a faible injection et la relation 6.12 reste applicable.

Si la zone N comporte une partie N- faiblement dope pour assurer une bonne tenue entension inverse, l'injection de trous peut rendre la concentration en trous suprieure laconcentration en lectrons provenant des atomes donneurs situs dans cette partie. Il y aalors forte injection.

Pour rtablir la neutralit lectrique, il faut que la zone N+ situe de l'autre ct de la zone N-injecte des lectrons dans la zone N-. Le double phnomne d'injection dans la zone N-

de trous par la zone P,

d'lectrons par la zone N+,

prsente l'avantage de fortement augmenter la concentration en porteurs dans cette zone parrapport la situation d'quilibre, par consquent de rduire fortement la rsistance de cettezone et la chute de tension due au passage du courant direct.On peut montrer que, en rgime tabli, la concentration en paires lectron-trou dans la zone N-est proportionnelle la densit J du courant travers la jonction et la dure de vie a (acomme ambipolaire) des paires lectron-trou dans la zone N

-. Si I est le courant traversant la

jonction, la charge stocke QS correspondant au nombre total d'lectrons dans la zone N- en

forte injection est gale :

aS IQ = 6.41

Mais, lors du retour la polarisation inverse, il faudra vacuer les porteurs excdentairesamens par injection dans la zone N-. La quantit de charges extraire pour largir la zone dedpltion sera augmente et avec elle la pointe de courant ngatif assurant cette vacuation.

6.1.7 Remarques gnrales.Les diffrents phnomnes dont nous venons de donner une description succincte etessentiellement qualitative permettent d'expliquer l'allure des caractristiques, tant statiques

que dynamiques, des principaux types d'interrupteurs semiconducteur utiliss enElectronique de Puissance, qu'il s'agisse de dispositifs ne comportant qu'une jonction, commeles diodes, ou plusieurs jonctions, comme les transistors.


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Tous ces dispositifs ont en commun unezone N-

faiblement dope dont l'paisseur estproportionnelle la tension maximale que peut supporter l'interrupteur l'tat bloqu.

Au repos, cette zone N- est lectriquement neutre, les charges positives fixes quilibrantles charges ngatives mobiles;

l'tat bloqu de l'interrupteur s'obtient par extraction des charges mobiles ce qui faitapparatre une zone de dpltion plus ou moins tendue dans N- ;

le passage de l'tat bloqu l'tat passant ncessite au minimum la rinjection de chargesngatives dans N- pour retrouver l'tat au repos, qui correspond l'tat passant pour lescomposants unipolaires (i.e. dont le courant est d au dplacement d'un seul type decharges).

Pour les composants bipolaires (i.e. dont le courant est d au dplacement de charges positives

et ngatives), les plus nombreux, l'tat de repos n'est qu'une transition entre les tats passant etbloqu. L'tat passant est obtenu par une forte injection de charges positives et ngatives, ennombre gal pour maintenir la neutralit lectrique de la zone N- dont la rsistivit devient trsfaible.

Ce sont les diffrentes mthodes utilises pour injecter ou extraire les charges mobiles dans lazone N- qui diffrencient les interrupteurs de puissance semiconducteurs.

6.1.8 La diode utilise en commutation.

6.1.8.1

Fonction interrupteur.La diode est un interrupteur ouverture et fermeture spontane.. Il s'agit donc d'un interrupteurnon command

iQ

uQ

ouvertureet fermeturespontane

Figure 6-8 : Reprsentation de la diode sous forme d'un interrupteur

6.1.8.2 Structure.Les diodes jonction ont une structure PN ou PN0N+ (encore appele PIN) suivant qu'il s'agit

de composants destins supporter l'tat bloqu une tension inverse de faible ou forte valeur.Comme dans tous les interrupteurs de puissance, cette structure est ralise dans l'paisseur dela pastille de silicium afin que le courant dispose de toute la section de la pastille pour circuler


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(Figure 6-9 (a)). Le contact reli la zone P constitue l'anode (A), celui reli la zone N+ lacathode (C).

La Figure 6-9-(b) indique le symbole utilis pour reprsenter la diode et les conventions designe adoptes pour le courant iF et la tension vF.Le comportement statique et dynamique des diodes jonction se dduit directement de l'tudede la jonction PN.

N-

N+

Anode

Cathode

P+

vF

A

C

iF

(a) (b)

Figure 6-9 : (a) Structure d'une diode jonction et (b) symbole lectrique

6.1.9 Caractristiques statiques.6.1.9.1 tat passant (ou ON).

Lorsque la tension VF est positive, le courant IF crot rapidement avec la tension,thoriquement suivant la relation :

)1(/ = TF UVsF eIi 6.42

avec Is : courant de saturation,UT : potentiel thermodynamique

En ralit, cause de la chute ohmique dans la zone N0, le courant s'carte de cette valeurthorique quand VF augmente, mais le dbut de la caractristique a bien une allureexponentielle.

Si la temprature augmente, l'agitation thermique fait apparatre plus de porteurs et le courantde saturation Is augmente, mais le potentiel thermodynamique UT est plus lev. La Figure6-10 (a) donne l'allure du dbut de IF =f(VF) pour deux valeurs de la temprature T.

Pour les valeurs normales du courant direct, on peut assimiler la caractristique statique unedemi-droite caractrise par une tension de seuil VT0 et une rsistance rd (La Figure 6-10.(b)) :

FdTF IrVV += 0 6.43

La chute de tension des diodes de puissance pour le courant direct nominal est d'ordinairecomprise entre 1.3 et 1.5 V.


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VF [V]

IF [A]

TJ1 TJ2>TJ1

0>

=

FI

FU T

V

0TJ1

-VBR1-VBR2

IF [A]

VF [V]

Figure 6-11 : Allure de IF = f(VF) dans le sens bloqu


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Ce n'est que lorsque la tension inverse atteint la tension de claquage par avalanche VBRque lecourant inverse atteint des valeurs importantes, car le courant de saturation Is est alorsmultipli par un facteur M tel que

n

BR

F

V

VM

=

1

1

6.44

o n est un coefficient compris entre 3 et 6, dpendant du dopage et de la temprature.

Lorsque la temprature crot, le courant inverse augmente car le nombre de porteursminoritaires librs par agitation thermique est accru. Par contre, la dure de vie moyenne des

porteurs diminue et le phnomne d'avalanche se produit pour une tension inverse VBRplus

leve, comme indiqu sur la Figure 6-11.

6.1.10 Valeurs maximales admissibles pour le courant et la tension.6.1.10.1 tat passant.

En ce qui concerne le courant, on caractrise une diode par la valeur moyenne du courantdirect qu'elle peut couler. Cette valeur est note I0 ou IF ouIFAV (average forward current).

On indique aussi:- la valeur maximale admissible pour une pointe de courant rptitive IFM ou IFPM (peak

forward current),- la valeur maximale admissible pour une pointe de courant non rptitive IFSM (surge non

repetitive forward current).

Ces caractristiques, et toutes les autres, sont dfinies pour une temprature de la jonction T J etune temprature du botier TC dtermines.En ce qui concerne la tension, on indique la valeur maximale de la chute de tension directeVFM pour une ou plusieurs valeurs du courant direct.

6.1.10.2 tat bloqu.En ce qui concerne la tension, on caractrise une diode par la valeur instantane maximale

rptitive VRRM (maximum repetitive reverse peak voltage) qu'elle peut supporter.En ce qui concerne le courant inverse ou courant de fuite, on indique gnralement sa valeurmaximale pour VF gale VRRM. Cette valeur, note IR, est de l'ordre de 100

4 1006 fois IFAV,ce qui explique que dans la plupart des cas on puisse ngliger ce courant.

6.1.11 Pertes l'tat passant et l'tat bloqu.6.1.11.1 Pertes par conduction.

Pour les valeurs normales du courant direct, on a vu qu'on pouvait assimiler la caractristiquestatique une demi-droite d'quation

En un point de fonctionnement donn, la puissance instantane p dissipe dans la diode estdonc:


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( ) 200 FdFTFFdTFF iriViirViup +=+== 6.45

En prenant la moyenne sur une priode, on obtient les pertes par conduction

20

0

1FRMSdFT

T

cond IrIVdtpTP +== 6.46

avec : : courant moyenFI

: courant efficaceFRMSI

Lorsque la temprature augmente, VF0 diminue mais rd augmente. On peut en tenir compte enmettant vF sous la forme

FjjTF iTbrTaVv ++= )( 0'0 6.47

o a et b sont des paramtres dtermins partir des caractristiques.

6.1.11.2 Pertes l'tat bloqu.Comme on l'a indiqu, le courant de fuite l'tat bloqu est trs faible. Ainsi, les pertes l'tat

bloqu, gales au produit de ce courant par la tension inverse applique la diode, sontgnralement ngligeables devant les pertes l'tat passant.

6.1.12 Les caractristiques dynamiques: les commutations.La commutation la fermeture (commutation ON) correspond au passage de l'tat bloqu l'tat passant la commutation l'ouverture (commutation OFF) au passage inverse.Contrairement aux caractristiques statiques, ces changements d'tat dpendent la fois ducomposant semiconducteur et du circuit dans lequel il est insr. En effet, le circuit extrieurimpose la valeur du courant I dans la diode l'tat passant et la tension -U ses bornes l'tat

bloqu; en outre, le plus souvent il impose aussi la vitesse di/dt laquelle le courant iF s'tablitou disparat.

6.1.12.1 Commutation la fermeture.Pour tudier la commutation la fermeture, on peut utiliser le schma quivalent de la Figure6-12.(a), o C reprsente la capacit parasite de la boucle incluant la capacit de jonction de ladiode.Quand l'interrupteur Q est ferm, le courant de la source de courant I passe dans la source detension U ; celle-ci impose une tension vF= -U aux bornes de la diode. Quand on ouvrel'interrupteur Q, le condensateur C se charge courant I constant jusqu' ce que, l'instantt = 0, la tension vF ngative devienne positive.A partir de t = 0, le courant direct commence circuler. La zone N0 est encore trs rsistiveet, si le courant augmente trs vite, la tension directe peut atteindre une valeur leve carl'paisseur de la zone de dpltion de la couche N0ne diminue que progressivement. Au fur et mesure que les zones P et N+ injectent des porteurs dans la zone N0, la chute de tension

diminue et tend vers sa valeur d'quilibre VF.


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La pointe de tension VFM au dbut de la conduction de la diode, importante quand la vitessed'tablissement diF/dt du courant est leve (Figure 6-12 (b)), diminue quand cette vitessediminue elle-mme (Figure 6-12 (c)).

C

I

vF

iF

Q

U

VFp

IF

VF

vF

iF0.1VF

tfr

(a) (b)

IF

VFvF

iFVFM0.1VF

tfr

(c)

Figure 6-12 : Allure du courant et de la tension lors d'une commutation la fermeture

Pour la commutation la fermeture, le comportement d'une diode peut tre caractris par :

- la pointe de tension directe VFP ou VFM (peak forward voltage), valeur maximale de vFpendant la commutation,

- le temps d'tablissement (ou de recouvrement) direct tfr, (forward recovery time), tempsncessaire la disparition de la surtension de fermeture).

Ces paramtres dpendent du courant appliqu, de sa vitesse d'tablissement et de latemprature.

Malgr la pointe de tension directe, les pertes de commutation la fermeture sont d'ordinairengligeables devant celles l'ouverture.

6.1.12.2 Commutation l'ouverture.Pour tudier la commutation de la diode l'ouverture, on peut utiliser un montage dont laFigure 6-13 (a) donne le schma quivalent. La source de courant I donne le courant couper,la source de tension U donne la tension inverse aprs ouverture. Sur la Figure 6-13 (b), on atrac les formes d'ondes thoriques du courant iF et de la tension vF.


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I

vF

iF

Q

U lt1 t2

Q1

Q2Qr = Q1+Q2

I

VF

iF, vF

-U

-VRM

IRM

vF

iF

diRECMdt

tt325% IRM

diFdt

ta tb

trr

(a) (b)

Figure 6-13 : Allure du courant et de la tension lors d'une commutation l'ouverture

6.1.12.2.1 Phases successives de la commutation.Pour t = 0, alors que le courant iF gale I, on ferme l'interrupteur Q: la tension U est appliqueen inverse aux bornes de la diode en srie avec l'inductance l. Celle-ci, qui reprsentel'ensemble des inductances parasites de la boucle impose la pente U/l avec laquelle lecourant iF diminue progressivement

l

U

dt

diavect

dt

diIiF == , 6.48

La diminution du courant permet l'vacuation progressive de la charge Qs stocke dans la zone

N-, selon l'quation

tdt

diI

dt

dQQi s

a

sF =+=

6.49

avec asQ / reprsentant le courant de recombinaison proportionnel la charge Qs en transit

et dQs/dt le courant servant modifier la charge Qs en transit.L'quation 6.49 admet pour solution,

+= at

aa

a

s et

dt

diI

Q

/

1 6.50

Le courant iF passe par zro pour t = t1 tel que

dt

diIt =1 .

6.51


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Mais, en t = t1, toute la charge stocke n'a pas encore t vacue. Il reste la charge"recouvre"QR(reverse recovery charge) donne par :

+==

dt

dia

I

a

aa

s

a

R e

dt

diI

dt

diI

tQQ

1

)( 1 6.52

=

dt

di

Ia

aR edt

diQ

1

2 1 6.53

La relation 6.53 montre que la charge recouvre QRdpend d'une part de la technologie et de

la temprature par la dure moyenne de recombinaison des porteurs (a) mais aussi de ladcroissance du courant circulant dans le sens passant (di/dt) et de la valeur initiale de cecourant (I).

6.1.12.3 Mesure de la douceur d'une diode de commutation.La dure de l'intervalle t2, t3 et la surtension VRM correspondante dpendent du type de diode.Cet intervalle est trs court et la surtension plus importante dans les diodes du type 'snap-off '(tracs en traits interrompus sur la Figure 6-14). L'intervalle est plus long, et donc la surtension

plus faible, dans les diodes du type 'soft-recovery' (tracs en traits continus sur la Figure 6-14).

-IRM

IF

iF [A]

snap-offsoft recovery -VRM

VF

vF [V]

-U

-VRMsnap-off

soft recovery

Figure 6-14 : Caractristique de blocage

Le courant de recouvrement inverse trrest gal la somme de ta et tb. Ces temps correspondentau temps d'vacuation des charges accumules ainsi qu'au temps de remonte du courant derecouvrement. Le quotient tb/ta est dsign comme la constante s, et correspond un facteur de

remonte relatif

a

b

t

ts = 6.54


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Le courant de recouvrement inverse peut tre exprim par

1)()(

+==

stti

dtdtti

dtdI rrFaFRM 6.55

En admettant un comportement linaire de la diode en commutation (voirFigure 6-14), onpeut crire

rrRMrr tIQ = 21

6.56

Et finalement

)1(2)(

2

+= sttidtdQrrFrr 6.57

6.1.12.4 Pertes de commutation.Dans la mesure o les pertes la fermeture sont trs faibles par rapport aux pertes l'ouverture, seules ces dernires sont gnralement prises en compte pour le calcul des pertesde commutation.

t1 t2

I

VF

iF, vF

-U

-VRM

IRM

vF

iF

tt3

ta tb

trr

Figure 6-15 : Caractristique de recouvrement

On effectue d'ordinaire ce calcul partir des formes d'ondes approches de la Figure 6-15,c'est--dire avec une dcroissance linaire du courant direct et une extinction linaire ducourant inverse.

De t=t1 t=t2, iF va de zro IRM.

dt

diUv FF == l0 6.58


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donne

lU

ttI

dtdi RMF =

=

12

6.59

D'o

U

Itt RM

=l

12 6.60

et la charge Q1 vacue de la diode durant cet intervalle (aire d'un triangle),

U

IttIQ RMRM

==

2)(

2

1 2121

l. 6.61

De t=t2 t=t3 iF va de IRM zro

dt

diUUv FRMF l== 6.62

donne

23

3

tt

ttIi RMF

= 6.63

23 tt

IUU RMRM

= l 6.64

et la charge Q2 vacue durant cet intervalle (aire d'un triangle),

)(2 232

ttI

Q RM = 6.65

L'nergie W dissipe dans la diode chaque commutation est

).(

2)(

2))(

2()(

)(

21

2

232323

23

3

0

3

2

3

QQU

U

IUtt

IUtt

I

tt

IU

dttt

ttIUdtiuW

RMRMRMRM

t

t

RMRM

t

FF

+=

+=

=

=

==

ll

6.66

Puisque Q1+Q2 gale la charge recouvre QR,

RQUW = 6.67

On voit que c'est la charge recouvre qui permet le calcul des pertes.

6.1.13 Avertissement.


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Dans les sections suivantes, nous allons trait les caractristiques utiles de la diode. Lesfabricants ont chacun leur manire de prsenter les caractristiques de leurs composants. Pourdes raisons de clart, nous ferons rfrence aux grandeurs caractristiques prsentes parSTMicroelectronics. Chaque paramtre est dfini pour des conditions d'utilisations bien

prcises. Ces conditions sont spcifies et correspondent la mthode de mesure effectue. Ilfaut donc tre prudent lors de l'analyse d'un problme particulier.

6.1.14 Grandeurs nominales et caractristiques importantes de slection.Dans le but de facilit la slection d'un composant, les paramtres principaux et une brvedescription du composant sont mises en vidence.

Figure 6-16 : Description gnrale de la diode

Ces donnes sont insuffisantes pour la slection dfinitive d'un composant. La descriptions'apparente plus du marketing qu' de la technique, nanmoins il est possible avec un peud'habitude de dfinir quelle catgorie appartient le composant et d'en faire une rapide

comparaison avec les autres fabricants.

6.1.14.1 Courant moyen dans le sens direct : IF(AV).Il s'agit ici du courant moyen (DC) admissible dans la diode en relation avec la puissancedissipe correspondante permettant de rester, sous certaines conditions, dans l'aire de scurit.

6.1.14.2 Tenue en tension inverse : VRRM.Cette tension correspond la limite de la tenue en tension d'une diode polarise en inverseavant l'apparition du phnomne d'avalanche due une ionisation par impact.

6.1.14.3 Temps de recouvrement trr.La valeur donne par le temps de recouvrement permet une rapide estimation ducomportement de la diode face aux pertes de commutation.

6.1.14.4 Tension dans le sens direct : VF.La tension de passage dans le sens direct est donne pour un courant correspondant au courantmoyen IF(AV).


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6.1.15 Limites maximales d'utilisation (Absolute maximum ratings).Les fiches techniques (data sheets) des composants contiennent toujours une partie importante

concernant la limite absolue d'utilisation donne sous la rubrique Absolute Maximumratings.

Figure 6-17 : Limites restrictives d'utilisation

6.1.15.1 Tenue en tension inverse : VRRMet VRSM.Contrairement aux MOSFET et IGBT, les diodes de commutations ne sont en principe pas

prvues pour tenir des nergies d'avalanches. Les valeurs de tenue en tension inverse sontdonc des indications permettant, pour une application donne, de connatre la limite absolue

admissible pour le composant. On distingue deux valeurs : Tension inverse maximum impulsionnelle rptitif (RRM : Reverse Repetitive

Maximum). Tension inverse maximum impulsionnelle non rptitif (RSM : Reverse Single

Maximum).

6.1.15.2 Courant efficace permanent admissible IF(RMS).Cette valeur est dfinie de manire ne pas dpasser la temprature maximum de jonctionTJMAX lorsque la diode est le sige de pertes de conduction.

6.1.15.3 Courant maximum en rgime rptitif impulsionnel IFRM.Cette valeur est galement limite par les pertes de conduction et de commutation. Dans le cas

prsent, il s'agit d'impulsions de 5us pour une frquence de rptition de 200us, soit un rapportcyclique de 2.5%.

6.1.15.4 Courant maximum en rgime non rptitif sinusodal IFSM.Cette valeur correspond la surcharge non rptitive en courant lorsque la diode est soumise un rgime sinusodal (le temps de 10ms correspond la moiti d'une alternance du rseau50Hz. Cette valeur n'est pas significative pour une application lie la commutation PWM.

6.1.15.5 Temprature maximale de jonction en fonctionnement Tjmax.Correspond la temprature maximale de jonction assurant un fonctionnement correct ducomposant.


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6.1.15.6 Temprature maximale de stockage Tstg.Temprature maximale de stockage (storage) du composant sans risque de stress mcanique et

lectrique.

6.1.16 Caractristiques statiques.Lorsque les valeurs sont fortement dpendantes du point de fonctionnement, le rsultat estfourni sous la forme d'un diagramme.

Figure 6-18 : Description gnrale de la diode

6.1.17 Caractristiques dynamiques.Les caractristiques dynamiques permettent l'estimation des temps de commutation duMOSFET. Elles donnent galement des indications essentielles pour le dimensionnement de lacommande. Dans le but d'tre le plus clair possible, une description de mthode de test estdonne pour les paramtres les plus importants.

Figure 6-19 : Caractristiques de commutation la fermeture

6.1.17.1 Temps d'tablissement (ou de recouvrement) direct tfr.Le 6.1.12.1 donne une explication de ce paramtre. La mesure de tfrest dfinie entre le dbutde la conduction de la diode et le temps pour que la tension directe VF soit 10% au-dessus desa valeur finale. Ce temps est fortement de la croissance du courant dans la diode.


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VFp

IF

VF

vF

iF

)0(Fidt

d

0.1VF

tfr

(a) (b)Figure 6-20 : Caractristiques de commutation la fermeture

6.1.17.2 Pointe de tension directe VFP.Correspond la tension maximumapparaissant lors de la fermeturespontane de la diode. Cette valeurmaximum est fortement dpendantde la croissance du courant dans ladiode lors de sa fermeture.

Figure 6-21 : Pointe de tension directe

Les pertes lies la fermeture d'une diode de commutation sont ngligeables en regard despertes de commutation l'ouverture.La Figure 6-22 donne quelques informations utiles notamment pour l'estimation des pertes decommutation l'ouverture.

Figure 6-22 : Caractristiques de commutation l'ouverture


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6.1.17.3 Temps de recouvrement inverse trrLe temps de recouvrement inverse trr, correspondant l'limination des porteurs minoritaires

est fortement dpendant du courant IF circulant dans la diode juste avant son ouverture ainsiqu' la dcroissance diF/dt de ce dernier.

Figure 6-23 : Temps de recouvrement inverse

6.1.17.4 Courant maximum inverse de recouvrement IRM.Le courant inverse de recouvrement est galement fortement dpendant du courant IF circulantdans la diode juste avant son ouverture ainsi qu' la dcroissance diF/dt de ce dernier.

A l'aide des deux courbes (Figure 6-23, Figure 6-24) il est possible, en premireapproximation, de dfinir la charge de recouvrement Qrret par consquent les pertes decommutation lors de l'ouverture spontane de la diode.

Figure 6-24 : Courant inverse de recouvrement maximum


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6.1.17.5 Facteur de remonte relatif S.Comme on l'a vu aux 6.1.12.3 et 6.1.12.4, le temps ta dpend directement de la dcroissance

du courant dans la diode, cette dcroissance pouvant tre contrle par le circuit extrieur. LaFigure 6-25 illustre trs bien ce comportement.

Figure 6-25 : Caractristique s=f(diF/dt)

6.1.17.6 Variation du comportement de la diode l'ouverture en fonction de la temprature.La temprature de jonction TJ a un effet important sur la densit des porteurs de mme que surla dure de vie avant recombinaison. La Figure 6-26 montre la sensibilit relative du facteur dedouceur s et le courant inverse de recouvrement maximum IRM la temprature de jonction.

Figure 6-26 : Variations relatives de s et IRMen fonction de la temprature


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6.1.17.7 Conclusions.En utilisant judicieusement les diverses caractristiques donnes sous forme de courbes par le

fabricant, il est possible, pour un point de fonctionnement donn, de dterminer les pertes deconduction et de commutation.

6.1.18 Notes sur les diodes spciales.Une diode est d'autant plus performante que la tension inverse qu'elle peut supporter l'tat

bloqu est plus leve, que sa chute de tension directe l'tat passant est plus faible et que sestemps de commutation sont plus brefs. Comme ces trois conditions ne peuvent tre rempliessimultanment, il faut choisir la diode en fonction de l'application laquelle elle est destine.

6.1.18.1 Diodes haute-tension.Pour obtenir des diodes tension de blocage leve, il faut donner la zone N

0

faiblementdope une paisseur importante (environ 100m par centaines de volts). Cela entrane uneaugmentation de la chute de tension directe et de la charge stocke.

6.1.18.2 Diodes avalanche contrle.Certaines diodes sont conues pour pouvoir supporter sans dommage le phnomned'avalanche pendant des intervalles brefs mais de faon rptitive. Pour les caractriser onindique, outre la tension inverse de claquage, le courant inverse correspondant la puissancemaximum dissipable.

6.1.18.3 Diodes rapides.Les diodes destines fonctionner frquence leve doivent avoir une charge stockersiduelle QRfaible, car les pertes de commutation sont proportionnelles celles-ci.Pour diminuer QR, il faut rduire la dure de vie des porteurs minoritaires de la zone N0 afind'accrotre le nombre de recombinaisons pendant la dcroissance du courant direct. Pouraugmenter le nombre de ces centres, on peut utiliser le bombardement ionique ou le dopage l'or. Mais cela augmente la rsistivit et par-l, la chute de tension directe l'tat passant.On peut aussi rduire QRen rduisant l'paisseur de la zone N0 que les charges stockesvacueront plus rapidement. Mais cela rduit aussi la tenue en tension inverse de la diode. Ilfaut noter que la diminution d'paisseur de la zone N0 diminue la surtension la mise enconduction.

6.1.18.4 Diodes faible chute de tension directe : diodes Schottky.Pour les diodes jonction PN, la chute de tension directe est lie la rsistivit de la zone N0,qui diminue avec le dopage. On peut rduire cette chute de tension en ralisant la jonction parpitaxie avec un contrle prcis du dopage l'intrieur de chaque couche. On arrive ainsi rduire la chute de tension directe pour le courant nominal moins de 1 volt. Mais l'pitaxiene se prte pas la ralisation des zones paisses ncessaires pour tenir des tensions inversesleves.Les diodes Schottky utilisent l'effet redresseur obtenu dans certaines conditions au contactmtal-silicium. La Figure 6-27 schmatise leur structure de base et indique leur symbole

reprsentatif


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N-

N+

Anode

Cathode

mtal

mtal

uAC

A

C

iA

(a) (b)

Figure 6-27 : Diode Schottky

Quand on met un semiconducteur, de prfrence de type N cause de la plus grande mobilitdes lectrons, en contact avec un mtal appropri, il y a mission thermoionique d'lectrons

la fois du mtal vers le semiconducteur et de celui-ci vers le mtal. Les lectrons du mtal sontplus nombreux mais ceux du semiconducteur possdent plus d'nergie et passent dans le mtalen laissant derrire eux une zone de charge d'espace positive et en faisant apparatre unecharge ngative quivalente la surface du mtal. A l'quilibre, le flux d'lectrons venant dumtal et celui venant du semiconducteur s'quilibrent: le courant qui traverse la jonction estnul.

La polarisation positive du mtal par rapport au semiconducteur favorise l'mission d'lectronsdu semiconducteur vers le mtal et un courant direct peut circuler. Ce courant est li latension vAC par la mme relation que pour une diode PN, mais avec un courant de saturationenviron 5 fois plus lev. La mme tension vAC fait donc circuler dans une diode Schottky uncourant direct plus important que dans une jonction PN de mme section.Le choix du mtal dpend de l'application envisage. Plus le courant de saturation est lev et

plus, courant donn, la chute de tension directe est faible.

En polarisation inverse, la jonction tant fortement dissymtrique, pratiquement toute latension se retrouve aux bornes de la zone de dpltion de la couche N0. Un courant inverse,d l'mission d'lectrons du mtal vers le semiconducteur, circule. Ce courant de majoritairesest plus important que dans une diode jonction PN ; les pertes associes limitent la tenue entension inverse des diodes Schottky une centaine de volts.

Les commutations sont trs rapides, puisque l'influence des minoritaires est ngligeable et qu'iln'y a pratiquement pas de charge stocke. A chaque commutation, il faut quand mme injecterou extraire les charges ncessaires la variation de largeur de la zone de dpltion.

Remarque. Le contact de cathode est galement un contact mtal-semiconducteur. Mais aufort dopage de la zone N+ correspond un courant inverse trs important qui fait disparatre touteffet de redressement.

6.1.18.5 Diodes au carbure de silicium.Plusieurs fabricants proposent des diodes aux carbures de silicium. Cette technologie est trs

rcente dans le domaine de l'lectronique de puissance. On donnera ici les avantagesindniables de ce type de diodes.

Trs faible rsistance diffrentielle.


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Tension directe comparable aux diodes Schottky. Pas d'influence de la temprature sur les caractristiques de commutation.

Pas de surtension lors de la fermeture. Pas de charge de recouvrement. Rsistance thermique 3 5 fois plus faible que pour une diode silicium ultrafast.


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Bibliographie

[1] LES CONVERTISSEURS DE L'LECTRONIQUE DE PUISSANCEVOLUME3:LA CONVERSION CONTINUE CONTINUE (2me dition)

Auteurs : Robert Bausire, Francis Labrique, Guy Seguier

Chapitre 5ISBN : 2-7430-0139-9

[2] POWER ELECTRONICSCONVERTERS,APPLICATIONS ANDDESIGN

Auteurs : Ned Mohan, Tore M. Undeland, William P. Robbins

ISBN : 0-471-50537-4

[3] FUNDAMENTALS of POWER ELECTRONICSAuteur : Robert W.Erickson

ISBN : 0-412-08541-0

Documents

Chapitre 06 - Les Semiconducteurs de Puissance, La Diode