La Diode A Jonction Et Le Transistor PDF [PDF]

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LA DIODE A JONCTION ET LE TRANSISTOR

I. RAPPELS SUR LA CONDUCTION DANS LES SOLIDES 1°) Mécanisme de la conduction Nous savons que les conducteurs du courant électrique peuvent être des corps solides (tous les métaux en général), des corps liquides (électrolytes) ou, sous certaines conditions, des corps gazeux. Dans tous les cas, la conduction est due à un mouvement de porteurs (électrons dans un métal, ions dans un électrolyte ou un gaz). La théorie électronique classique représente un conducteur solide comme un réseau cristallin ionique et entre les noeuds de ce réseau se trouve un "gaz électronique" formé d'électrons libérés par les atomes (on les appelle "électrons libres"). C'est ce que veut montrer la figure 1 : Electrons liés

E

Electrons libres

+ V Figure 1 On définit alors:

G v - La mobilité µ des porteurs par µ= JG E champ électrique appliqué E

,

v étant leur vitesse acquise sous le

- La conductivité du corps par σ = qnµ, q étant la charge unitaire des porteurs et n leur nombre. G JG - La densité du courant par J=σE - La résistivité ρ du corps qui est l'inverse de sa conductivité. C'est une caractéristique fondamentale du conducteur. On sait qu'elle dépend de la température: ρ = ρ0 (1+αT) ρ0 , conductivité à 0°K α est un coefficient positif pour les métaux, comme l'indique le tableau N°1 ci-après: M. HADDADI Cours et Exercices d'Electronique Générale

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

Tableau n°1 : Caractéristiques de quelques métaux Métal

Résistivité

Coefficient de température

Ωmm/mm

(°C)-1

Argent

0,0162

0,0036

Cuivre

0,0169

0,0040

Or

0,0240

0,0037

Aluminium

0,0262

0,0042

Nous verrons qu'il existe aussi des corps avec un coefficient de température négatif (CTN pour résumer).

2°) Conducteurs, isolants et semi-conducteurs A côté des conducteurs, il y a les milieux qui ne permettent pas le passage de l'électricité: ce sont les milieux non conducteurs, plus connus sous le nom d'isolants. Dès 1833, Faraday avait constaté que la température influe sur la conduction de certains isolants: il proposa alors de les classer dans une catégorie à part, celle des semiconducteurs. La théorie des bandes permet une représentation commode qui explique le comportement électrique d'un solide (figure 2). Energie Bande de conduction Energie croissante avec l’éloignement du noyau

Bande interdite

Gap

Bande de valence

Figure 2 •

Pour un isolant, la bande de valence est saturée alors que la bande de conduction est vide. Ces bandes sont séparées par une bande interdite dont la hauteur (ou "gap" d'énergie) est de plusieurs électrons-volts.

•

Le conducteur n'a pas de bande interdite et les électrons de valence se déplacent librement en occupant partiellement la bande de conduction.

•

Le semi-conducteur possède une bande interdite d'une largeur si faible (de l'ordre de l'électron-volt) qu'un apport d'énergie relativement modeste (rayonnement ou agitation thermique) suffit à libérer des électrons de valence qui passent alors à la bande de conduction, rendant ainsi le milieu conducteur.

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

3°) Les semi-conducteurs On désigne donc par ce nom les corps qui sont isolants à très basse température et qui deviennent conducteurs lorsque la température augmente. Il en existe une grande variété, construits avec des liaisons covalentes (éléments du groupe IV), ou des liaisons qui deviennent de plus en plus ioniques quand on s'éloigne du groupe IV Classification périodique

II III IV V VI

Zn

B

C

N

Al

Si

P

Ga

Ge

As Se

Sn

Sb

Cd In

S

Te

Les principaux éléments appartiennent au groupe IV : Silicium, Germanium et Etain gris (α-Sn) ; ce dernier , une forme polymorphique rare de l'étain n’est intéressant que du point de vue fondamental. Il existe aussi des semi-conducteurs composés, constitués soit par un élément du groupe III avec un élément du groupe V, un élément du groupe II avec un élément du groupe V ou un élément du groupe I avec un élément du groupe VII : • • • • • • • • • • • •

Arséniure de gallium (GaAs) Nitrure de gallium (GaN) Antimoniure du gallium (GaSb) Phosphure de gallium (GaP ) Arséniure d'indium (InAs ) Phosphure d'indium (InP ) Antimoniure d'indium (InSb) Antimoniure d'aluminium (AlSb) Phosphure d'aluminium (AlP ) Arséniure d'aluminium (AlAs ) CdTe , CdS, ZnSe, ZnTe, MgS CuBr , CuCl, CuI

Il y a aussi des semi-conducteurs non cristallins tels que le silicium amorphe, des verres semi-conducteurs (sulfure de germanium), chalcogénures (Se, As2Se3) et même des semi-conducteurs organiques (anthracène C14H10, naphtalène C10H8 et le coronène C24H12) On voit que la panoplie est bien vaste mais il faut savoir que le Silicium est actuellement le matériau prédominant (98 % des composants actuels), le Germanium n’étant pratiquement plus utilisé car ses caractéristiques sont nettement inférieures (fuites élevées, température de jonction faible,…). L’Arséniure de Gallium possède des caractéristiques supérieures mais les difficultés technologiques de son utilisation (qui entraînent donc la cherté des composants AsGa) ont fait qu’il reste cantonné dans les applications sophistiquées où de grandes performances dont recherchées.

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

a) Les semi-conducteurs intrinsèques Les semi-conducteurs sont constitués par des édifices cristallins dans lesquels tous les atomes sont liés entre eux par des valences homopolaires. L'énergie nécessaire pour rompre une telle liaison (on l'appelle "énergie de conduction") est faible, comme le montre le tableau N°2 ci-dessous, ce qui fait que l'agitation thermique suffit à libérer un certain nombre d'électrons qui pourront alors se mouvoir sous l'action d'un champ électrique, comme dans un métal. Tableau N°2: Energie de conduction de quelques matériaux (en eV) C

SiC

GaAs

GaP

GaSb

InSb

InAs

InP

Ge

Si

300°K 5,47

0,66

1,12

3,0

1,43

2,25

0,68

0,17

0,36

1,29

0°K

0.75

1.16

3.1

1.52

2.35

0.81

0.24

0.42

1.42

5.51

A basse température, l'agitation thermique est très faible et le corps est isolant. La figure 3 montre quelques liaisons covalentes rompues (sous l'effet de la température ou du rayonnement, donc par l'apport extérieur d'une petite énergie): L'électron qui vient d'être libéré laisse un vide à sa place, un "trou" qui est considéré comme une particule possédant une charge opposée à celle de l'électron. On dit qu'il y eu création d'une "paire électron trou". Ce trou crée une force d'attraction électrostatique pour les électrons de covalence voisins et si l'un de ces derniers vient à s'y piéger, il laissera à sa place un autre vide, donc un autre trou et ainsi de suite. Le mouvement du trou est, tout comme celui de l'électron, désordonné et si un champ électrique est appliqué au cristal, son déplacement s'effectue dans le sens de ce champ mais avec une vitesse plus faible (dans le Germanium par exemple, et sous un champ de 1V/cm, la vitesse du trou est de 17 m/s tandis qu'elle est de 36 m/s pour l'électron). Ces électrons et ces trous en mouvement sont appelés porteurs libres. noyau

électron trou +

liaison rompue +

Figure 3

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

Les concentrations en porteurs libres (trous de la bande de conduction et électrons de la bande de valence) résultent de l'équilibre entre production et recombinaison d'électrons et de trous mais le nombre d'électrons est toujours égal au nombre de trous. Si on appelle ni la concentration en électrons et pi la concentration en trous, on a: 2 i

2 i

-

3

Eg

n =p =AT e kT Eg étant la hauteur de la bande interdite (Eg =Ec -Ev) L'indice i est mis pour rappeler que le semi-conducteur est intrinsèque. A est un coefficient qui dépend du semi-conducteur. 10

Pour le Silicium, à 300 °K, on a ni =pi ≈ 10

Le semi-conducteur présente un effet CTN (coefficient de température négatif) en ce qui concerne sa résistivité car sa conductivité augmente avec la température malgré la diminution de la mobilité des porteurs (cette diminution de mobilité est due essentiellement aux chocs inter-porteurs).

b) Les semi-conducteurs extrinsèques Les phénomènes qui viennent d'être décrits se rapportent à un cristal de semiconducteur parfaitement pur. La présence d'impuretés en quantités infimes (quelques atomes sur des millions) modifie énormément les propriétés électriques du milieu: - Impuretés pentavalentes: Imaginons un cristal parfait de Germanium ou de Silicium dans lequel se trouvent des traces d'atomes pentavalents tels que le Phosphore, l'Antimoine ou l'Arsenic qui possèdent cinq électrons sur leur couche périphérique (figure 4a) Atome donneur ionisé

Electron libre EC

0,053 eV Niveau donneur

1,12 eV

EV

(a) : Semi-conducteur de type N

(b) : Silicium dopé à l’Arsenic

Figure 4 On voit que quatre seulement parmi les cinq électrons de valence sont échangés avec les quatre atomes voisins du cristal, le cinquième restant disponible pour la conduction. Ce dernier sera disponible pour la conduction car, étant faiblement lié, il deviendra rapidement libre en présence d'une faible agitation thermique. La conductivité intrinsèque due à la rupture des liaisons covalentes subsiste toujours mais elle est négligeable devant la conductivité extrinsèque due aux impuretés: on dit que les électrons sont les porteurs majoritaires, que les trous sont les porteurs minoritaires et que la conductivité est du type N.

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

Les atomes des impuretés pentavalentes sont appelés atomes "donneurs" car ils ont fourni leur cinquième électron périphérique. Ils deviendront des ions positifs rattachés au réseau cristallin. L'énergie nécessaire à ce processus ("énergie d'ionisation", de l'ordre de 0,053 eV pour l'Arsenic par exemple) est beaucoup plus faible que l'énergie d'activation. Si on appelle ND la concentration en atomes donneurs, nN la concentration en électrons libres et pN la concentration en trous, on a, l'indice N indiquant qu'il s'agit d'un semi- conducteur du type N: nN pN = nipi nN =ni + ND ≈ND (de l'ordre de 1015 pour le Silicium) pN =

n i pi pi2 ≈  nN nN ND

Dans la théorie des bandes (figure 4b), il apparaît un niveau d'énergie donneur à EC -(énergie d'ionisation des impuretés). - Impuretés trivalentes:

Les atomes de telles impuretés (Indium, Bore, Aluminium, Gallium, ...) sont dits accepteurs car un électron fait défaut dans la quatrième liaison de l'atome (figure 5a). Atome accepteur

Atome accepteur ionisé négatif

trou

EC

1,12 eV

EV

(a) : Semi-conducteur de type P

Niveau accepteur 0,016 eV

(b) : Silicium dopé à l’Indium Figure 5

Un raisonnement similaire au précédent montrera que la conduction se fait par des trous qui sont donc les porteurs majoritaires et que le semi-conducteur est du type P. Dans la théorie des bandes (figure 5b), il apparaîtra un niveau accepteur à EV + (énergie d'ionisation des impuretés). On aura dans ce cas nP pP = ni pi , nP et pP étant les concentrations en électrons et en trous, l'indice P indiquant que le semi-conducteur est du type P. pP = pi + NA ≈ NA (concentration en atomes accepteurs) nP =

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n i pi n i2 ≈  pP pP NA

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

Remarques: * Lorsque la température augmente, la concentration en porteurs minoritaires augmente tandis que la concentration en porteurs majoritaires reste à peu prés constante mais si la température augmente considérablement, toutes les concentrations augmentent et finissent par s'égaliser. * Si les concentrations d'impuretés sont importantes, on obtient des "semi-conducteurs dégénérés" qui ont le comportement de métaux. Cette propriété est mise à profit dans la réalisation des contacts ohmiques extérieurs avec les semi-conducteurs.

3°) Conduction électrique dans les semi-conducteurs: Un mouvement des porteurs libres peut se produire dans un semi-conducteur s'il y a un apport d'énergie extérieur. Cet apport peut être sous forme de rayonnement, sous forme thermique directe, sous forme magnétique, etc... Nous ne considèrerons ici que les phénomènes qui se présentent dans une diode ou un transistor:

a) Agitation thermique: A l'équilibre, il n'y aura pas de courant électrique dû à ce phénomène car il y a en moyenne autant de porteurs générés thermiquement que de porteurs qui se recombinent.

b) Action d'un champ électrique: Par analogie avec un conducteur, on aura une conductivité due aux électrons libres σN et une conductivité σP due aux trous. La conductivité du semi-conducteur sera σ= σN + σP : σ = eniµN + epiµP e étant la charge électrique commune aux électrons et aux trous (en valeur absolue). µN et µp étant les mobilités des électrons et des trous car c'est le double déplacement des électrons et des trous, les premiers en sens contraire du champ électrique et les seconds dans le sens du champ, qui constitue le courant électrique. L'ordre de grandeur des mobilités est indiqué par le tableau N°3 ci-dessous: Tableau N°3: Mobilités des électrons et trous Mobilités à 300 K m2.V-1.s-1 Ge

Si GaAs GaSb InP InSb InAs

µn

0.39 0.15 0.85 0.40 0.46 7.8

3.3

µp

0.19 0.06 0.04 0.14 0.01 0.08 0.05

- Dans un semi-conducteur intrinsèque, le courant d'électrons et de trous est faible: JJG JG i N =-qn i µ N E JG JG i P =qpiµ P E - Dans un semi-conducteur dopé, selon le type, c'est soit le courant de trous, soit le courant d'électrons qui prédomine.

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

c) Courant de diffusion: Si en deux points d'un même semi-conducteur, il y a des concentrations différentes de porteurs du même type, il s'établit entre ces points un courant allant du point à concentration élevée vers le point à faible concentration. Cette diffusion ne s'arrête jamais dans un semi-conducteur en raison des générations-recombinaisons permanentes de porteurs libres. La densité de courant due à la diffusion est donnée par la relation: G JJJJJJG i=-qDgradn n étant la concentration en porteurs. 2

D (en cm /s) étant la constante de diffusion du porteur considéré. (La constante de diffusion des électrons, DN, est à peu prés deux fois plus grande que celle des trous DP)

Ce phénomène de diffusion se produit aussi lorsqu'on met en contact deux semiconducteurs de même type avec des concentrations différentes ou bien lorsqu'on injecte un excès de porteurs d'un type donné dans un point du semi-conducteur. On définit: - Une durée de vie moyenne τ qui est la même pour les électrons et les trous. - Une longueur de diffusion L, distance moyenne que parcourt un porteur avant de se recombiner. On a aussi les relations suivantes, connues sous le nom de relations d'Einstein: - Potentiel thermodynamique

UT =

D kT = µ q

(k, constante de Boltzmann; T, température absolue) On a UT ≈ 25 mV à 25 °C -

Loi de recombinaison des porteurs dans un semi- conducteur intrinsèque: Si à l'instant t=0, il y a ni +∆n porteurs, il y aura à l'instant t: n t =n i +∆ne

-

t τN

t

dn ∆n - τ N = e dt τ N

La vitesse de recombinaison est donc

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

II. LA JONCTION PN Une jonction PN s'obtient en joignant deux semi- conducteurs dopés de types différents.

1°) Jonction non polarisée On observe: - Un courant de diffusion des majoritaires: * Courant de trous de la zone P vers la zone N, chaque trou laissant à sa place un ion négatif. * Courant d'électrons de la zone N vers la zone P, chaque électron laissant un ion positif à sa place. Ces ions, centres de charge, donnent naissance à un champ électrique E dirigé de N vers P. On a donc création d'une barrière de potentiel Vd qui va arrêter la diffusion des majoritaires. - Un courant de porteurs minoritaires. Le champ électrique précédent ne s'oppose pas à la diffusion des porteurs minoritaires qui iront de l'autre côté de la barrière neutraliser les ions de polarité opposée. L'état d'équilibre sera atteint lorsque pour les deux types de porteurs, les courants décrits sont égaux. La jonction est alors formée de trois régions (figure 6): la région P, la région N et une région centrale (région de charge d'espace) qui s'étend plus du côté ayant la plus faible concentration. Dans le cas de figure, on a supposé NA >>ND Vd +

+

+ +

+

P

+

+

- + - + - + - + - E+

+

+

+

+

+ -lP

+ + + + +

+ - - + - - - + - N+ + - - -

+ Ion positif - Ion négatif - électron + Trou

lN 0 Figure 6

La figure 7 résume les relations entre porteurs dans chaque région: Vd

pP≈NA

nN≈ND

ZONE DE TRANSITION

pN=pPe -UT/kT

nP=nNe -UT/kT -lP

lN

0 Figure 7

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

Par ailleurs, la loi de Poisson s'écrit en appelant ρ = ρN + ρP la densité de charge d'espace dans la zone de transition: div ε E=ρ ε étant la permittivité diélectrique. De plus, on a aussi les relations:

E=-grad V

∆ 2 V=-

ρ ε

ρ E x = ∫ dx ε

et Remarque:

Une jonction peut être abrupte ou graduelle, selon la rapidité avec laquelle varie la concentration entre les zones (figure 8)

ND-NA

ND-NA

-lP

0

lN

-lP

x

Jonction abrupte

0

lN

x

Jonction graduelle ND-NA=ax+b a : gradient de concentration Figure 8

2°) Jonction polarisée extérieurement On soumet la jonction à une différence de potentiel produite par exemple par un accumulateur comme le montre la figure 9 qui utilise le symbole d'une jonction PN ou diode: V R

I

A

Accumulateur

Figure 9 La jonction peut être passante ou non.

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

a) Jonction passante: Les porteurs majoritaires se remettent en mouvement puisque, si on appelle Ea le champ appliqué par la polarisation, ces porteurs ne luttent plus que contre un champ (E-Ea) au lieu de E. La barrière de potentiel sera V-Va . Il y a donc possibilité de circulation des porteurs et la jonction est dite passante. La résistance présentée par la structure est faible. Dans la jonction (figure 10), les concentrations en porteurs majoritaires restent à peu prés constantes mais les concentrations en porteurs minoritaires varient sensiblement à cause de la diffusion et de l'agitation thermique. On pourra utiliser les lois suivantes pour la détermination de ces concentrations: pN ( x) = pN (lN )e pN (lN ) = pP e

−

lN − x lP

nP ( x) = n p (−lP )e

V UT

nP (−lP ) = nN e

−

lP + x lN

V UT

pP=NA nN=ND

pN(lN)

nP(-lP)

x 0

-lP

lN

Figure 10 Ainsi, dans chaque région, trois courants coexistent. Dans la zone N par exemple, il y a: - Un courant de trous injectés qui se recombinent avec les électrons majoritaires. - Un courant d'électrons en provenance de la source de polarisation de même amplitude que le courant de trous précédent. - Un autre courant d'électrons, constant, qui correspond aux porteurs injectés par la source dans la zone P. Ce raisonnement est valable dans la zone P, en inversant les porteurs. Ces courants peuvent se calculer, connaissant les concentrations de porteurs en fonction de la distance. Le courant total est évidemment la somme de ces trois courants. On trouve: Idirect =I F =IS (e

Va UT

-1)

avec

IS =q(

D DP pN + N nP ) LP LN

IS , courant dû aux porteurs minoritaires créés par l'agitation thermique, est appelé courant de saturation. Il croît très vite avec la température.

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

b) Jonction bloquante: Dans ce cas, l'épaisseur de la zone de transition et la charge d'espace augmentent. Le champ extérieur appliqué permet le mouvement des seuls minoritaires qui auront donc de nouvelles concentrations: - Les concentrations dues à l'agitation thermique sont les mêmes que dans le cas de la jonction passante. - Les concentrations dues à la diffusion se calculent de la même façon que dans le cas de la jonction passante, mais en remplaçant Va par -Va . Le courant total qui traverse la structure sera évalué de la même façon aussi que dans le cas de la jonction passante et il revient alors à négliger le terme de diffusion: IR=Iinverse=-IS Remarques: - La création des porteurs minoritaires ne dépendant que du taux de formation thermique, le courant inverse de la jonction, dû à ces porteurs, ne croit plus avec la tension inverse une fois que la tension appliquée suffit à les faire tous déplacer. Ce courant croit, bien sûr, avec la température. Il est plus élevé pour une jonction au Germanium que pour une jonction au Silicium, à cause des valeurs différentes de la hauteur de la bande interdite. - La zone de charge d'espace, dépourvue de porteurs libres, est donc une zone isolante. Comme elle se trouve entourée par deux régions dans lesquelles le nombre de porteurs est élevé, donc deux régions conductrices, on obtient une structure similaire à celle d'un condensateur dont la capacité varie selon la largeur de la zone de charge d'espace (donc selon la tension inverse appliquée). Ce phénomène est utilisé dans les diodes à capacité variables, connues sous le nom de "diodes varicaps", qui sont décrites plus loin. - Si la tension inverse s'accroît, on atteint une valeur pour laquelle les porteurs minoritaires acquièrent une vitesse suffisamment grande pour détruire les liaisons covalentes lors de leurs chocs avec le réseau cristallin et libérer ainsi des porteurs supplémentaires qui rentreront à leur tour dans ce processus: c'est l'effet d'avalanche. Un faible accroissement de la tension augmente considérablement le courant. Si ce phénomène n'est pas contrôlé, il conduit à la destruction par fusion de la jonction. Notez que ce phénomène est favorisé par construction dans un certain type de diodes, dites diodes de Zener ou tout simplement diodes zener, du nom du physicien qui a découvert cet effet. Les diodes zener utilisent des jonctions fortement dopées qui présentent ainsi une zone de transition très étroite. Dans ce cas, une faible tension permet d'obtenir des champs électriques très importants qui dépassent la valeur de claquage. Les diodes zener sont utilisées essentiellement comme régulatrices de tension comme nous le verrons plus loin.

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

3°) Caractéristique statique de la jonction PN A la lumière de ce qui a été vu, la figure 11 montre la caractéristique statique courant-tension d'une jonction PN ou diode à jonction:

Courant direct IF I0

VF

VR Tension inverse

seuil

V0 Tension directe

≈ 0,6 V pour Si ≈ 0,2V pour Ge

Claquage

IR

Courant inverse Figure 11 Cette caractéristique obéit en fait à la relation, en dehors de la zone de claquage: V

I = I S (eηUT − 1)

avec η=1 pour le Germanium et si V< 0,2 V η =2 pour le Silicium et si V< 0,6 V η =1 dans les autres cas En chaque point de cette caractéristique, on pourra définir une résistance statique (c'est le quotient de la valeur de la tension sur la valeur du courant, qui ne présente aucun intérêt) et une résistance dynamique, obtenue par le quotient de la variation de la tension sur la variation du courant. Ces deux résistances sont faibles lorsque la diode est passante et très élevées lorsque la jonction est bloquante.

R statique =

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V0 I0

rdynamique =(

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dV )V dI 0

2° Partie: L'AMPLIFICATION

4°) La jonction PN en régime transitoire Dans la réalité, lorsqu'une jonction est passante, tous les porteurs en mouvement (trous dans la région N et électrons dans la région P) n'ont pas le temps de se recombiner au voisinage immédiat de la jonction et si on inverse brusquement la polarité de la tension appliquée, le courant va s'inverser mais continuera à circuler pendant un certain temps, jusqu'à la disparition de toutes les charges accumulées précédemment (figure 12). Cette disparition par recombinaison se fait graduellement et on observe une diminution exponentielle du courant jusqu'à sa valeur normale en régime permanent, IS Tension VF t

0 VR Courant IF

t

trr

0 IS

Figure 12 Evidemment, certaines diodes sont plus rapides que d'autres et on estime cette rapidité en introduisant un facteur appelé noté t (reverse recovery time). C'est le temps que met le courant inverse pour revenir à une valeur spécifiée. Ce temps varie selon les diodes de quelques nano-secondes (diodes ultra-rapides) à plusieurs microsecondes. Le tableau n°4 montre quelques exemples. Il y a aussi un temps de recouvrement direct qui se produit lors du passage brusque d'une polarisation inverse à une polarisation directe mais ce temps est en général trés faible et il est négligé. Tableau N°4: temps de recouvrement inverse de quelques diodes

Type

Matériau

trr (µs)

Usage

1N 276 1N 914 1N 925 1N 4086 1N 5163

Ge Si Si Si Si

0,3 4 0,15 200 0,4 ns

Diode de signal " " Commutation rapide Usage général Commutation ultra-rapide

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

III. AUTRES DIODES A JONCTION PN Nous avons déjà cité les diodes zener et les diodes varicaps comme application ou conséquence de la jonction PN. Nous allons préciser quelques caractéristiques de ces éléments et décrire rapidement quelques autres.

1°) Diode zener Il faut préciser à propos des diodes zener que pour les tensions inférieures à 5 V, c'est l'effet de champ qui est à l'origine du claquage (c'est l'effet Zener véritable). Dans le cas d'une jonction fortement dopée P et fortement dopée N, la zone désertée est très étroite (500 Å) et le champ électrique est très intense (106 V/cm). En polarisation inverse, un électron de la bande de valence du côté P a une probabilité appréciable de traverser la zone désertée et de se retrouver du côté N par effet tunnel. La tension (tension de Zener) pour obtenir ce phénomène dépend de l'épaisseur de la ZCE (étroite < 500 Å) et des dopages P et N (élevés > 5.0 1017 cm-3). Au dessus de 7V le claquage est dû au phénomène d'avalanche, effet similaire à celui qu’on trouve dans l’ionisation des gaz. Soumis à un champ électrique important (105 V/cm), un électron libre atteint dans la ZCE une vitesse très grande (de l'ordre de la vitesse limite, c'est un "porteur chaud"). Lors d'une collision avec un atome du réseau, il peut l'ioniser en créant une paire électron-trou (choc ionisant). Le nombre de porteurs libres augmente et le phénomène se reproduit avec le porteur initial et les porteurs créés par le choc ionisant. Il apparaît un énorme effet multiplicateur caractérisé par un coefficient de multiplication M (avalanche multiplication factor) tel que : Iav= - M Is Les tensions de claquage s'étalent de quelques dixièmes de volt jusqu'à plus de 300V. Le tableau N°5 ci-dessous montre quelques exemples: Tableau N°5: Tensions Zener de quelques diodes Type 1N 3896 1N 4400 1N 5133 1N 5281

VZ (volts) 0,77 6,8 380 200

IZT (mA) 50 37 3 0,65

PD (Watts) 0,25 1 5 0,5

La figure 13 précise la signification de VZ (tension nominale) et de IZT (courant nominal de polarisation).

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

IF

VF

VZ

ρ= ( M

∆V ) ∆I M

ρ

VZ

IZT b : Modèle de la zener

a : Caractéristique I(V) Figure 13

Une diode en fonctionnement dissipe une puissance P=VDID, VD étant la tension à ses bornes et ID le courant qui la traverse. Cette puissance se traduit par un échauffement de la jonction qui ne devra pas dépasser un certain seuil. C'est pourquoi le constructeur donne PMax , puissance maximum dissipable par la diode. Le schéma de la figure 14 montre comment stabiliser une tension variable à l'aide d'une diode zener. Il est évident que le courant consommé par la charge ne devra en aucun cas dépasser le courant de polarisation de la diode. Sortie stabilisée

Entrée variable R IZT

VZ

IL RL

VZ t

t

Figure 14

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

2°) Varicaps et varactors En ce qui concerne les diodes varicaps que nous avons précédemment citées, il faut savoir que les capacités de jonctions vont de quelques picofarads à quelques dizaines de picofarads et ne varient en fonction de la tension inverse que de quelques pour-cent. (On ne risque pas de concurrencer un condensateur variable mécanique classique.) La capacité de jonction varie avec la tension inverse V selon: K Cj= (Vd -V) n K étant une constante qui dépend du matériau, Vd tension de seuil (≈ 0,6 ou ≈ 0,2 V selon le matériau, Silicium ou Germanium) n =1/2 pour une jonction abrupte, 1/3 pour une jonction graduelle. La variation non linéaire de la capacité de jonction est utilisée dans des diodes similaires appelées varactors pour produire des harmoniques d'un signal ou pour multiplier une fréquence. Les capacités obtenues sont loin d'être idéales car il faudra tenir compte du courant qui circule dans la jonction. Le schéma équivalent d'une telle diode se présente donc comme l'indique la figure 15, qui montre aussi le symbole d'une varicap: C r

R

symbole

Figure 15 Les constructeurs, plutôt que de donner les valeurs des résistances parasites, préfèrent définir un facteur de mérite Q=ωRC à une fréquence donnée. Un exemple est proposé au tableau suivant : Tableau N°6: Caractéristiques résumées de quelques varicaps Type 1N 3945 1N 4799 1N 5425 1N 4885

VR max (Volts) 20 15 115 150

CT à VR (pF) (V) 20 82 1370 33

4 4 4 6

C1 /C2 à 1,15 1,82 4,2 3*

V1/V2

P (W)

Q

f (MHz)

3/5 4/15 4/100 55*

0,5 0,5 0,25 20

7 15 200 22

50 50 10 450

* varactor Pour les varactors, au lieu de C1/C2 qui indique le rapport des capacités qu'on obtiendrait en variant la tension inverse, le constructeur donne f2/f1, rapport entre la fréquence d'entrée et de sortie dans un multiplicateur. Il donne aussi le rendement (en %) du varactor.

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

3°) Les diodes tunnel Ce type de diode est basé sur un effet découvert par le Japonais ESAKI en 1957 qui s'était aperçu que pour des jonctions très fortement dopées (un million de fois plus qu'une diode ordinaire , NA,ND > 1019 cm-3), l'épaisseur de la zone de charge d'espace étant cette fois très faible (qq dizaines d'Å), des électrons qui n'ont pas normalement l'énergie suffisante pour traverser la barrière de potentiel arrivent à la franchir, cette traversée s'effectuant à la vitesse de la lumière. Zone à résistance négative

Diode normale

Ces diodes dont la figure 16 indique l'allure de la caractéristique, sont utilisées comme oscillateur aux UHF et en commutation ultra rapide (jusqu'à plusieurs dizaines de GHz). Les diodes backward qui ne présentent pas de seuil constituent une autre version des diodes tunnel utilisée en détection VHF et UHF . Symbole Figure 16

4°) Les photo-diodes et les piles solaires Le courant inverse d'une jonction est proportionnel à la température car un apport d'énergie permet la rupture de liaisons et donc la création de porteurs supplémentaires. L'apport d'énergie peut aussi être amené par un rayonnement, si ce rayonnement est d'une fréquence convenable (car son énergie vaut hν). C'est sur ce principe qu'on réalise des diodes qui possèdent de nombreuses applications (commande d'automatismes divers, détecteurs de lumière, de flammes ou de fumées,...). Ces diodes se présentent évidemment avec un boîtier en partie transparent et, dans leur utilisation, elles doivent être polarisées en inverse. Une autre application de cet effet, très importante, est la photopile ou cellule photovoltaïque: C'est une jonction PN de grande surface réalisée essentiellement avec le Silicium (ou l'Arséniure de Gallium) et dans laquelle l'apport d'énergie lumineuse est suffisant pour communiquer aux porteurs la possibilité de franchir la barrière de potentiel. De telles cellules associées en série/parallèle constituent un panneau solaire, utilisé comme générateur autonome dans certaines applications et dans l'espace. La figure 17 montre les caractéristiques courant-tension de tels panneaux et on remarque bien que ce sont des caractéristiques de jonctions bloquantes, variables avec l'éclairement.

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

C'est dans le quadrant II que le fonctionnement du panneau est en générateur.

IF

E=0 (obscurité)

VR

VF Vco

E=300 mW/cm2 E=500 mW/cm2 E=800 mW/cm2 E=1000 mW/cm2 Dans ce quadrant , le dispositif est générateur

ICC IR

Figure 17

5°) Les diodes électroluminescentes La recombinaison de porteurs correspond à une perte d'énergie de ces porteurs et on sait que la transition d'un certain niveau d'énergie à un autre qui lui est inférieur s'accompagne de l'émission d'une radiation telle que ∆E=hν. C'est ce qui passe dans une diode quelconque mais pour le Germanium ou le Silicium, l'émission s'effectue en dehors du visible et cette énergie contribue surtout à l'échauffement de la jonction. Il n'en est pas de même pour d'autres matériaux, tels l'Arséniure de Gallium, le Phosphoriure de Gallium, l'Arséniure-Phosphiorure de Gallium,... Des diodes réalisées avec de tels matériaux, connues sous le nom de diodes LED (de Light Emitting Diodes) émettent une lumière visible lorsqu'elles conduisent: rouge, verte, jaune, orange,... Des recherches sont en cours pour d'autres couleurs (bleue, violet,...). Il existe aussi des diodes émettant dans l'infra-rouge (9000 Å). Notez que l'association (en général dans un même boîtier) d'une photo-diode et d'une LED constitue un "photo-coupleur" qui sert, comme son nom l'indique et comme nous le verrons bientôt, à coupler deux étages différents d'un montage.

6°) Les jonctions SCHOTTKY La diode SCHOTTKY exploite l'effet redresseur que peut présenter une structure Métal-Semi-Conducteur. Les premières diodes à l'état solide (diodes des postes à galène) étaient de ce type et furent découvertes par F. BRAUN en 1874. Plutôt que de réaliser la jonction avec des semi-conducteurs de types différents, on substitue donc une couche métallique au semi-conducteur P ou N.

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2° Partie: L'AMPLIFICATION

La figure 18 empruntée au cours de M. Bernard BOITTIAUX (site http://www.eudil.fr/eudil/bbsc/sc00a.htm) schématise l’état de la barrière de potentiel pour la jonction non polarisée. La caractéristique de la diode obtenue (figure 19) est similaire à celle d’une diode de redressement, mais avec une tension directe plus faible (diminution de la tension de seuil, ≈0,3 V). L’avantage essentiel provient de l’absence de charges stockées durant la conduction car dans cette structure, un seul type de porteurs intervient : les majoritaires, c'est un composant unipolaire (au contraire du transistor bipolaire qui, comme son nom l’indique et comme on le verra, fait appel dans sa conduction à deux types de porteurs, à savoir les électrons et les trous). Le

temps de recouvrement est diminué (trr