Diodes

Jonction pn : approche intuitive Bases de l’électronique

IUT de l’Indre

Eric PERONNIN

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Jonction pn

Association de deux matériaux dopés, l’un en électrons (n) et

l’autre en trous (p)

En réalité :

Schématiquement :

2

Silicium P

SiO2

Silicium N

Cathode

Anode

Métal

n p

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Jonction pn à vide

Phénomène de recombinaison des majoritaires

Les porteurs libres se recombinent au niveau de la jonction :

les électrons libres majoritaires de la zone n diffusent vers les

trous de la zone p; trous majoritaires de la zone p diffusent

vers les électrons de la zone n.

1

1

3

n p

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Jonction pn à vide

Etablissement de la barrière de potentiel

Après la recombinaison, apparition d’une zone de transition au niveau de la jonction dite zone de déplétion :

– il n’y a plus de porteurs libres dans cette zone,

– nombreux ions positifs dans la zone n,

– nombreux ions négatifs dans la zone p.

Conséquence : un champ électrostatique E apparaît dans la zone de transition.

2 n p

2

3

3

4

zone de charge d’espace

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n Jonction pn à vide

Situation des porteurs à l’équilibre

A l’approche de la zone de charge d’espace, les porteurs majoritaires subissent une force F=qED qui les éloignent de la zone de transition et stoppe le phénomène de recombinaison. Seuls quelques uns d’entre eux franchissent la barrière sous l’action de la température.

Les porteurs minoritaires sont accélérés par le champ ED et franchissent la barrière de potentiel.

Ces mouvements opposés s’équilibrent thermodynamiquement. La barrière de potentiel est ainsi constituée.

p

4

5

4

4

5

6

6

ED

5

5

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Jonction pn à vide

Un peu de physique quantitative

Densité de charge

Champ électrostatique

il varie en fonction de : loi de Maxwell-Gauss

ici, en monodimensionnel :

6

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Jonction pn à vide

Calcul du potentiel : équation de Maxwell-Faraday réduite au

potentiel scalaire : , soit en monodimensionnel :

7

E(x) V(x)

V0=tension de diffusion

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Jonction pn polarisée en direct

Approche qualitative

La tension aux bornes de la zone de déplétion devient V0 –V. V s’oppose donc à la barrière de diffusion fixée par V0 .

Le champ électrique résultant au niveau de la jonction métallurgique, noté Er est orienté de la zone p vers la zone n lorsque V devient plus grand que V0.

p

2

2

V

Ev

ED

3

Er

3

n

8

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Situation des majoritaires

Les électrons libres de la zone n subissent de la part de Er une force de Coulomb F = -eEr qui les accélèrent et les fait passer dans la zone p qu’ils traversent (la zone de transition disparaît)

– C’est le générateur qui fournit le flux d ’électrons à la zone n

– On note ID le courant circulant dans le sens opposé à ce flux

p

4

ID

Er

4

4

5

5

V

n

9

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Situation des minoritaires

Les porteurs minoritaires subissent de la part de Er une force F = qEr

C’est par un apport d’énergie thermique que certains d’entre eux se recombinent dans la zone opposée

– Il en résulte un courant opposé au courant principal

– On note IS ce courant du aux porteurs minoritaires

p

6

I

Er

6

6

7

V

7

n

10

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Caractéristique théorique

En utilisant la théorie de la physique des semi-conducteurs, on montre que :

Note : lorsque , on peut écrire :

Où :

est le courant dans la jonction pn,

est la tension aux bornes de la jonction pn,

est le courant de saturation inverse (voir suite),

dépend du semi-conducteur (a est compris entre 1 et 2),

est le potentiel thermique avec :

– e=1.602.10-19 C, charge de l’électron,

– T la température absolue,

– k=1.381.10-23 JK-1 la constante de Boltzman.

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Caractéristiques théorique et réelle

12

Diode 1N4001 – 1N4007

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Jonction pn polarisée en inverse

Courant inverse de saturation

Les porteurs minoritaires subissent de la part de Er une force F = qEr

Trous minoritaires de la zone p et électrons minoritaires de la zone n migrent les uns vers les autres et se recombinent

Le phénomène se perpétue par l’apport d’électrons en provenance du générateur V

On a alors ID=-Is (courant inverse de saturation) Les minoritaires étant présents en petit nombre, le courant Is est très faible (quelques nA)

De plus, l’origine thermique des minoritaires rend Is peu sensible aux variations de V.

8

ID

Er 8 8

9

V

9

10

10

11

11

13

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Claquage par avalanche (jonction faiblement dopée côté n et côté

p)

Les porteurs minoritaires subissent de la part de Er une force

F = qEr

Accélérés par F, les porteurs minoritaires franchissent la

barrière de potentiel : – Si F croit de façon trop élevée, un phénomène d’avalanche se produit. Les

porteurs accélérés et à haut niveau d’énergie se cognent à des porteurs du

cristal qu’ils libèrent. Le nombre de minoritaires croit rapidement et le courant

également par conséquent jusqu’à la destruction de la jonction si aucun

dispositif ne limite le courant.

L’effet est obtenu pour des valeurs de

8

ID

Er 8 8

9

V

9

14

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Claquage par effet Zener

Jonction fortement dopée côté n et côté p

zone de déplétion très mince ( soit )

champ électrique très intense dans la zone de déplétion

force de Coulomb devient suffisante pour que des électrons

de liaison soient arrachés du cristal et passent dans la bande de

conduction (le changement d’état se fait sans que les électrons

ne changent de niveau d’énergie = effet Tunnel)

En pratique, effet obtenu pour

Diode Zener

En contrôlant le dopage, on contrôle la tension de claquage par

effet Zener ( sous 7v) ou par avalanche (au dessus de 5v).

Dans les 2 cas, la diode est qualifiée de diode Zener.

15

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Caractéristique réelle

16

Diode de

redressement

Diode Zener Caractéristique

directe

Caractéristique

inverse

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Sources

Construction

CNFM Toulouse

http://www.aime-toulouse.fr/DOCPDF/TP/DIO2.pdf

Physique des semi-conducteurs

P.Masson et A.Chovet (ENSERG et Polytech Marseille)

http://users.polytech.unice.fr/~pmasson/Enseignement/

O.Bonnaud (Supélec)

http://reglisse.bretagne.ens-

cachan.fr/pdf/mecatronique/pdfmeca/DEA/PhysiqueSC_Bonn

aud2003.pdf

17








http://reglisse.bretagne.ens-cachan.fr/pdf/mecatronique/pdfmeca/DEA/PhysiqueSC_Bonnaud2003.pdf





Diodes de redressement : modèles Bases de l’électronique

IUT de l’Indre

Eric PERONNIN

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Vu précédemment

Symbole et convention de signe

de la diode de redressement

Caractéristique de la diode très non linéaire

pour , on parle :

sens direct,

diode passante,

diode saturée. si

pour , on parle :

sens inverse (polarisation en inverse),

diode bloquée. si

19

Dans la plupart des cas, il faut si possible linéariser la

caractéristique pour tenter l’étude analytique d’un circuit.

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Modèles de la diode de redressement

Modèle de la diode idéale (également qualifiée de parfaite)

20

Caractéristique directe

Interrupteur ouvert

Interrupteur

fermé

Note : la puissance instantanée

dissipée est toujours nulle

Domaine de validité :

- petits courants,

- tensions élevées.

Caractéristique inverse

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Modèle de la diode à seuil

21

Interrupteur ouvert

Note : la puissance dissipée est une

fonction du courant moyen


- petits courants,

- basses tensions possibles.



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Modèle de la diode linéarisé sans seuil

22

Interrupteur ouvert




- grands courants possibles,

- tensions élevées.

pente



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Modèle de la diode linéarisé à seuil

23

Interrupteur ouvert




- grands courants possibles,

- basses tensions possibles.

pente



www.geii.eu 24


Approches « grands signaux » - « petits signaux »

Modèles précédents = modèles « grands signaux »

Censés être adaptés sur l’ensemble de la caractéristique.

Modèle « petits signaux »

Lorsqu’un composant est utilisé sur une petite portion de sa

caractéristique, on procède à une linéarisation de cette

caractéristique au point de fonctionnement : – linéariser = approximer une

caractéristique à sa tangente

en 1 point

– intérêt = obtenir un modèle plus fidèle

localement (ici au point O)

24

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Modélisation en « petits signaux »

Considérons le circuit suivant :

le générateur est constitué :

d’une composante continue

qui fixe le point de fonctionnement

(dit également point de polarisation).

d’une composante variable (petits

signaux de variation tels que ).

A la polarisation et le schéma se simplifie ainsi :

25

Droite d’attaque (caractéristique imposée

par le générateur sur l’élément non

linéaire) :

Droite de charge (l’élément non linéaire) :

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Recherche du point de fonctionnement O de coordonnées

il vérifie des équations de la droite d’attaque (1) et la

caractéristique de la diode (2).

26

droite d’attaque

caractéristique de la diode

le point de fonctionnement O se trouve à

l’intersection de (1) et (2) car il vérifie les

équations (1) et (2)

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Comportement en « petits signaux »

on approxime la diode à sa tangente en O :

27

Equation de la diode en régime de variation

En régime de variation, la diode se

comporte comme une résistance,

appelée résistance dynamique.

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Comportement en « petits signaux »

calcul de la résistance dynamique de la diode :

c’est la pente de la tangente à la caractéristique

de la diode calculer en – polarisation suffisante :

– en :

28

La résistance dynamique de la diode est

inversement proportionnelle à son courant de

polarisation.

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Comportement en « petits signaux » et hautes fréquences

Diode polarisée en inverse

résistance dynamique extrêmement élevée donc négligeable.

la zone de charge d’espace confère à la diode un

comportement capacitif modélisable par une capacité notée

Diode polarisée en directe

en direct, les porteurs majoritaires

se déplacent (ils diffusent).

leur durée de vie, même faible,

implique une distribution de charge

expliquant un comportement capacitif.

Cette capacité, notée , placée en

parallèle de à une incidence en HF.

29

Extrait de la documentation

d’une diode de signal 1N4148

HF = Hautes Fréquences

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