Les diodes et leurs Applications - nour

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II-4-3 Semi conducteurs N et P • Le fait d'introduire en très faible quantité des impuretés (opération appelée dopage) dans un cristal de semi-conducteur améliore fortement la conductivité du cristal. Si un cristal de germanium ou de silicium a reçu des impuretés pentavalentes (arsenic, phosphore, antimoine) il devient un semi- conducteur à conductivité N (ex: silicium N). Un cristal de germanium dopé par des impuretés trivalentes (indium, gallium, bore) devient un semi-conducteur type P. • Si par contre on procède de même avec un corps trivalent (par exemple du bore ou du gallium) il restera dans chaque atome de bore une place disponible pour un électron. Cette place s'appelle un trou, et correspond à une charge positive. On a du silicium de type p (voir tableau de classification périodique) 10 11 A- Semi conducteurs P Un semi-conducteur type P est un semi-conducteur intrinsèque (ex : silicium Si) dans lequel on a introduit des impuretés de type accepteurs (ex : Bohr B). Ces impuretés sont ainsi appelées parce qu'elles acceptent un électron de la bande de conduction pour réaliser une liaison avec le cristal semi- conducteur . Ces atomes fournissent un trou, une très faible énergie sera nécessaire (0,01 eV) pour qu'un électron d’une liaison voisine vienne combler ce trou avec apparition d’un nouveau trou Les trous sont ici des porteur majoritaires, les électrons sont des porteur minoritaires et la conductivité est de type P 12 B- Semi conducteurs N Les impuretés de type n sont des atomes ayant des électrons de valence supplémentaires au cristal qui les contiennent. L’arsenic, l’antimoine, le bismuth et le phosphore entrent dans ce groupe d’impuretés. Dans la figure 1, un atome d’arsenic (As), qui nécessite cinq électrons de valence (pentavalents), remplace un atome de silicium(Si) dans le cristal et forme des liens covalents avec les atomes adjacents. Puisque le silicium(Si) ne demande que quatre électrons de valence, il reste un électron non lié après avoir rempli les liens requis par le silicium(Si) . L’atome d’arsenic peut donc perdre facilement cet électron supplémentaire ce qui augmente la conductivité du cristal. L’arsenic est appelé un donneur. Comme les semi-conducteurs de type n ont un surplus d’électrons, ceux-ci sont considérés comme les porteurs de charge majoritaires. Les trous de la couche de valence étant inférieurs en nombre deviennent les porteurs minoritaires. La conductivité est de type N 13 . Silicium extrinsèque Dopé N Silicium intrinsèque Figure 1 Silicium extrinsèque Dopé P 14 II-5 Jonction PN Schéma de principe Jonction pn sur un circuit intégré Un bloc de silicium est dopé sur une moitié avec des atomes trivalents (accepteurs)et sur l’autre moitié avec des atomes pentavalents (donneurs) →jonction pn. Frontière entre les régions p et n: jonction métallurgique. Région p: ions négatifs, trous majoritaires et électrons minoritaires. Région n: ions positifs, électrons majoritaires et trous minoritaires 15 B-Jonction P-N 16 La Zone de Charge d'Espace . Les électrons majoritaires du côté "N" ont tendance à diffuser du côté "P", où ils sont minoritaires. Quand un électron arrive du côté "P", il se recombine avec un trou , et, en disparaissant, il laisse du coté "N" un atome donneur ionisé positivement non compensé électriquement. Les trous majoritaires du côté "P" ont tendance à diffuser du côté "N" où ils sont minoritaires. Quand un trou arrive du côté "N", il se recombine avec un électron libre, et, en disparaissant, il laisse du côté "P" un atome accepteur ionisé négativement non compensé électriquement. 17 • II-5-1 Jonction PN non polarisée • Au voisinage de la jonction métallurgique, il existe une zone dépourvue de porteurs majoritaires et présentant des charges fixes (atomes d'impuretés ionisés) : c'est la zone de charge d'espace ZCE (space charge region), ou encore zone désertée (depletion region) située entre deux zones neutres. Les charges fixes engendrent un champ électrique E(x) qui s'oppose au mouvement de diffusion : champ de rétention de la diffusion. • En intégrant ce champ électrique sur la totalité de la zone désertée, on trouve le potentiel de la barrière Vb. 18 II-5-2 Jonction PN polarisée: La diode à jonction • La jonction PN est alimentée par une tension continue externe Ve réglable. La tension peut être appliquée dans les deux sens c'est-à-dire, en reliant le pôle positif de la pile à la zone P et le pôle négatif à la zone N ou inversement, en reliant le positif à la zone N et le négatif à la zone P. • Dans le premier cas, on dit que la jonction (c'est-à-dire la diode) est polarisée en direct tandis que dans le second cas, la diode est polarisée en inverse. Polarisation directe Polarisation inverse 19 A- Jonction PN en polarisation directe Si on applique une différence de potentiel positive entre la région p et la région n, on diminue l’intensité du champ électrique interne =⇒ un plus grand nombre de porteurs majoritaires peuvent franchir la région de déplétion ! Pour faire passer un trou de la région p vers la région n, il faut travailler contre le champ électrique interne , et fournir une tension qui peut vaincre la barrière de potentiel e *V0. (e = 1, 6 10-19 C est la charge électrique d’un trou). Courant des majoritaires Si on applique une différence de potentiel positive entre la région p et la région n, on diminue l’intensité du champ électrique interne =⇒ un plus grand nombre de porteurs majoritaires peuvent franchir la région de déplétion ! 20 On peut montrer que: • Le courant des minoritaires est inchangé le courant total est exprimé par la relation suivante le courant Is est appelé courant inverse de saturation. C’est la valeur asymptotique du courant traversant la jonction en polarisation inverse. VT est la tension thermodynamique qui vaut VT = KT/ e ‘=26mV à 25 C° (e= 1,6 10-19C , K = 1,38 10-23J/K) 21 Remarque • La figure b illustre le cas où la tension continue Vd est inférieure à la différence de potentiel Vo (figure 1-b), qui constitue la barrière de potentiel. Ainsi, tant que la tension Vd est inférieure ou égale à Vo, le courant est pratiquement nul. • Ce courant n'existe pratiquement que lorsque la tension Vd dépasse la valeur de Vo. Cette valeur est différente selon que la jonction est constituée par un cristal de germanium ou par un cristal de silicium : pour le germanium, cette valeur est normalement de 0,2 à 0,3 V alors que pour le silicium elle est de 0,6 à 0,7 V. 22 B-Jonction PN en polarisation inverse 23 Jonction PN en polarisation inverse La tension Vi appliquée aux bornes de la diode (figure 2) est dite tension inverse. Si l'on tient compte de ce qui a été dit précédemment, le courant circulant dans la diode(aux bornes de laquelle on a appliqué une tension inverse) devrait s'annuler rapidement. En réalité, le courant ne s'annule pas complètement du fait de la présence des porteurs minoritaires, c'est-à-dire de la présence de trous dans la zone N du cristal et d'électrons libres dans la zone P. Un certain nombre de porteurs minoritaires réussit toujours à traverser la jonction. On constate donc la présence d'un courant très faible, circulant de l'extrémité N à l'extrémité P du cristal. Ce courant est appelé courant inverse (Ii). 24 C- Les diodes à jonction et leurs applications 25 La Diode à Jonction Introduction : Une diode est l’application directe d’une jonction c’est un dipôle passif non linéaire, polarisé dont le fonctionnement macroscopique est assimilable à celui d’un interrupteur commandé qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens La première fonction de base d'une diode, c'est de redresser une grandeur électrique (tension ou courant), c'est-à-dire de convertir une grandeur alternative (=successivement positive et négative) en une grandeur exclusivement positive. Cette fonction est notamment essentielle dans les alimentations électriques. Or tout dispositif électronique a besoin d'être alimenté pour fonctionner…26 Caractéristique courant tension • La caractéristique d'une diode est la relation existant entre l'intensité i du courant direct traversant la diode et la tension dircte u aux bornes de celle-ci. Cette relation peut se noter comme une fonction f, ce qui donne : i=f(u) 27 • Interprétation de la caractéristique • La croissance du courant en fonction de la tension est d’abord exponentielle, puis tend à devenir linéaire, • Cette déformation est due à la résistance non négligeable du semi-conducteur situé de part et d’autre de la zone de jonction, • Par ailleurs, on constate la présence d’un seuil de tension à partir du quel la croissance du courant devient importante, • Ce seuil est appelé, seuil de redressement, est généralement défini par l’intersection de l’axe des tensions avec la partie rectiligne de la caractéristique, • La caractéristique directe peut être assimilée à une droite passant par V0, l’équation de cette droite s’écrire : • V0 : Valeur de seuil de redressement (barrière de potentiel) • K : une constante ayant les dimensions d’une résistance que l’on appellera Rd 28 • Résistance dynamique et tension de seuil Par définition la résistance dynamique est le rapport d’une petite variation de tension (ΔU) par la variation correspondante du courant (Δ I) autour du point de fonctionnement. Tension de seuil On appelle tension de seuil d’une diode, V0 la tension directe à partir de la quelle la conduction de cette diode devient nette, Graphiquement, c’est l’intersection du prolongement de la partie linéaire de la caractéristique directe avec l’axe des tensions, la tension seuil est de 0,4V pour les diodes au germanium et de 0,6V pour les diodes au silicium, 29 • Limite d’utilisation d’une diode à jonction Echauffement des diodes Dans le sens direct, la puissance : Pd = Ud Id, se transforme entièrement en chaleur dans tout le cristal. Il ne faut pas dépasser une valeur limite de la température, Exemple : un cristal de germanium supporte une température maximale de 75°C, alors que celle du silicium est de 150°C, Courant direct maximal La d.d.p Ud étant très faible, c’est e courant Id qui peut prendre des valeurs considérables (). Le constructeur donne le courant direct maximum que peut supporter la diode, Tension inverse maximale En sens inverse, la puissance dissipée généralement est très faible (Pu<<Pd), mais il ne faut pas atteindre la tension de claquage de la jonction, le constructeur précise également la valeur a ne pas dépasser, 30 Phénomène de Claquage de impuretés, plus faible est le champ électrique nécessaire à la rupture jonction des liaisons covalentes, donc plus • Ce claquage est le résultat de deux faible est le seuil de claquage de la effets successifs : l’effet Zener, jonction. puis l’effet d’avalanche. • Par dopage on règle ainsi les seuils On a vu que le champ électrique de claquage en fonction de résultant croit avec la tension l’utilisation de la jonction. inverse appliquée. Au-delà d’une certaine valeur, (figure 1) ce champ provoque la rupture de liaisons covalentes qui unissent les atomes de cristal. Il y alors augmentation importante de la concentration en porteurs minoritaires, donc accroissement important de courant inverse. Cet effet statique, par le champ électrique est appelé effet Zener. • Le seuil de tension, pour lequel se produit le claquage, dépend essentiellement du dopage en impuretés du semi-conducteur. Plus le semi-conducteur est riche en 31 Modéle électrique équivalent de la diode en direct : Modèles statiques Diode idéale • Diode avec seuil et Dans ce cas, on néglige la tension résistance de seuil et la résistance interne de laDiode avec seuil • Ici, on prend en compte la diode. La caractéristique est alors résistance de la diode. Ceci • On peut continuer à négliger la celle de la figure 6. peut être utile si on utilise la résistance interne, mais tenir • Ce schéma est utilisé, surtout compte du seuil de la diode. diode en petits signaux si les diodes sont employées La caractéristique devient : alternatifs et qu'on a besoin de dans des circuits où les sa résistance dynamique. tensions sont élevées (plusieurs dizaines de volts) : la tension de coude est alors négligeable. • Applications des diodes 1- Redressement dans une chaîne de conversion AC-DC- Une des principales applications de la diode est le redressement de la tension alternative du secteur pour faire des générateurs de tension continue destinés à alimenter les montages électroniques (entre autres).Il y a deux types principaux de diodes de redressement : les diodes standard pour le redressement secteur classique, et les diodes rapides pour les alimentations à découpage. Chaîne de conversion AC-DC Redressement simple alternance C'est le redressement le plus simple qui soit : quand la tension aux bornes du transformateur Ue dépasse la tension de seuil de la diode, celle-ci conduit, laissant passer le courant direct dans la charge. La tension aux bornes de la charge Ur est alors égale à la tension aux bornes du transformateur moins la tension directe UD1 de la diode. On remarque que la tension redressée( en bleu) est atténuée par rapport à la tension d’entré (en rouge) ceci est due à la tension seuil de la diodes UDseuil et URMAX=UEMAX-UDseuil • Redressement simple alternance Dès que la diode se bloque, le condensateur se décharge dans la résistance. Le taux d’ondulation 𝝉 est défini par l’expression: 𝝉=𝞓V/Vmoy • Redressement double alternance • Le montage précédent présente l'inconvénient de ne laisser passer que la moitié du courant que peut délivrer le transformateur. Pour remédier à cela, on utilise un transformateur avec deux enroulements secondaires que l'on câble de manière à ce qu'ils délivrent des tensions en opposition de phase sur les diodes. On remarque que la tension redressée ( en bleu) est atténuée par rapport à la tension d’entrée (en rouge) ceci est due à la tension seuil de la diodes UDseuil et URMAX=UEMAX-2*UDseuil Filtrage capacitif Les tensions de sortie des redresseur vus précédemment ne permettent pas d'alimenter les circuits électroniques qui requièrent une tension DC constante. La technique la plus simple pour réduire les variations de la tension de sortie du redresseur est d’utiliser une capacité en parallèle avec la résistance de charge. Les diodes Zener Nous avons déjà parlé de l'effet Zéner. Il concerne la caractéristique inverse de la diode. Une diode Zener est une diode qui a été modifiée pour qu’elle fonctionne en région de Cassure En inverse, on fait en sorte que par construction l'effet Zener se produise à une tension bien déterminée, et ne soit pas destructif. La caractéristique inverse présente alors l'allure d'un générateur de tension à faible résistance interne. Dans le sens direct, cette diode se comporte comme une diode normale, dans le sens inverse la diode Zener est équivalente à une source de tension de f.e.m Vz et de résistance interne rz Caractéristique de la diode En général, les constructeurs spécifient : - la tension d'avalanche Vzt pour un courant déterminé Izt. (les valeurs de tension sont normalisées). à ce point de fonctionnement Vzt / Izt, on donne la résistance dynamique de la diode rzt. le courant Izm pour lequel la puissance dissipée dans le composant sera le maximum admissible. Caractéristique d’une diode Zener • Schéma équivalent. • Pour simplifier les calculs, et comme pour la diode, on va définir un schéma équivalent approchant la réalité. VZ0 VZ rz Calcul de rz rz= dv /diz z VZ=Vzo + rZ⋅iZ