Composants à semi conducteurs : Diodes

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1 Électronique 1 Composants à semi conducteurs : Diodes 1 Notation complexe Les composants actifs sont des dispositifs à semi-conducteurs (sur silicium). Plusieurs approches : Physique du composant Étude analytique (à partir des équations) Par la manipulation 2 Jonction PN La jonction PN est la base des composants à jonction (diodes et transistors) 2.1 Définition : ions fixes dans un trou : ions fixes avec électron libre : électron libre : trou K = 1, J.K 1 T : Température en K q : Charge élémentaire I s = I 0 e V 0 KT Matériau(silicium) dopé P (trous majoritaires) et dopé N (électrons majoritaires) Il apparaît un champ électrique entre la zone P et la zone N. Il existe une tension V 0 aux bornes de la jonction. V 0 est dite barrière de potentiel : 0, 6 à 0, 7V. deux courants s opposent à l état stable. Électronique 1 - Chap 6: Diodes TELECOM 1A (skulk) Page 1/9

2 I S = I 0 e q kt V0 = kt q est la tension thermodynamique I S = I 0 e V Jonction polarisée en direct I D = I S (e qv KT 1) I D I S e qv KT dq s dt + Q s τ = I D On élève la tension du côté P. La différence de potentiel aux bornes du bareau devient V 0 V. Un courant apparaît I = I 0 e V 0 V = I 0 e V e e V = I S e V Le courant dû aux porteurs minoritaires existe toujours I d = I I s I d = I s e V 1 I d : courant dans la jonction en direct. Équation différentielle : dq s dt + Q s τ = I D Q s : charges stockées dans la jonction τ : durée de vie des porteurs Électronique 1 - Chap 6: Diodes TELECOM 1A (skulk) Page 2/9

3 2.3 Jonction polarisée en inverse I i = I S (1 + e qv KT ) I i I S 2εqS 2 Q = 1 N A + 1 N D V0 + V N A : Concentration des atomes accepteurs N D : Concentration des atomes donneurs On abaisse le porteur P. Il existe un courant inverse I I s 3 Diode à jonction 3.1 Structure d une diode Diode en court-circuit : Diode = Jonction PN avec des électrodes (connectique) Il apparaît 2 barrières de potentiel supplémentaires liées au métal. Électronique 1 - Chap 6: Diodes TELECOM 1A (skulk) Page 3/9

4 Diode polarisée en direct : I D = I S (e qv nkt V = V 0 V n 1) IS e qv nkt Diode polarisée en inverse : I i = I S (1 e qv nkt )Ii I S Pour une diode en direct, l équation est la même : n dépend du matériau utilisé. I D = I S (e V n 1) Cas pratique : 1 n 2, = kt q = 26mV 3.2 Caractéristique d une diode A : anode dopée P K : cathode dopée N V d est la tension de coude Électronique 1 - Chap 6: Diodes TELECOM 1A (skulk) Page 4/9

5 Le courant inverse I I S A = 1 pa. En pratique on mesure I i 1 na lié aux fuites. Il existe un tension d avalanche V A (V A 200 V). La courbe est très raide I croît très rapidement destruction du composant 3.3 Comportement de la température (de la jonction) Le courant de saturation I s et V 0 sont sensibles aux variations de température. On peut faire l étude en regardant di s dθ à V 0 constant, et dv 0 dθ à I s constant. Remarque Si V 0 varie avec θ, on obtient un capteur de température. 3.4 Tableau comparatif en fonction du matériau 3.5 Modèles de diode Pour faire l étude de montage électronique, on fait un schéma équivalent de la diode. Électronique 1 - Chap 6: Diodes TELECOM 1A (skulk) Page 5/9

6 3.5.1 Diode idéale Elle est modélisée comme un interrupteur. La diode devient passante lorsque V devient positif. Elle se bloque quand I devient négatif. Ce modèle convient pour de grands signaux Diode idéale avec tension de coude La diode devient passante quand V d > V 0 La diode se bloque quand I d devient négatif Modèle petits signaux Le modèle lorsque la diode est passante vaut V 0 (tension de coude) + r d (résistance dynamique) Pente autour du point de fonctionnement. Que vaut r d si V d = V 10 > V 0? I d I s e V d 1 = I 0 Vd =V r d V 10 = I s e Vd d I d = I V d10 s U e T V d r d = e V d10 I s 3.6 Régime transitoire Montage d étude : Électronique 1 - Chap 6: Diodes TELECOM 1A (skulk) Page 6/9

7 Relevés : Si la diode n est pas idéale, I = E 1 V 0 R pour t 1 < t < t 2 Dans le cas réel, le courant s établi avec un temps de retard t d. Pour le blocage, le courant devient négatif puis s annule : I 2 < 0 pendant t s = temps de stockage. t s est du au temps nécessaire pour évacuer les charges. t d de mise en conduction est très faible. t s peut être important Les charges stockés s écrivent dq s dt + Q s τ = I Les charges stockées pendant la conduction. Q s τ = I 1 = E 1 V 0 R Pour connaître le temps de stockage on calcule au bout de combien de temps Q s = 0 avec le C.I. On résout alors Q s0 = ( E 1 V 0 R ) τ dq s + Q s dt τ = I 2 pq s (p) Q s (0) + Q s(p) τ = I 2 Q s (t) t s = τ ln( E 1 + E 2 E 2 + V 0 ) t s dépend de l amplitude de l échelon Inconvénient : limitation de la fréquence de fonctionnement du composant 3.7 Différents types de diodes Diode zener travail dans la caractéristique < 0 pour faire des référence de tension Électronique 1 - Chap 6: Diodes TELECOM 1A (skulk) Page 7/9

8 3.7.2 Diodes varicap 2εqS 2 Q i = 1 N A + 1 V0 + V N D dq i = εqs2 2 dv i V0 + V i 1 N A + 1 N D 1 permet de faire une capacité réglable inférieur à quelques 100 pf qd i = C d dv i LED V 0 lorsque la diode est passante = 0, 8 à 1, 6V voyant Diode à effet tunnel Les variations de ĩ d et ṽ d ont l expression d une résistance < 0 si la polarisation est sur la pente décroissante. 3.8 Montages à diodes 3.9 Rendement si V E > V D V R = V E V D et I = V E V D R Électronique 1 - Chap 6: Diodes TELECOM 1A (skulk) Page 8/9

9 Principe du redressement : Mesure de V max : Lorsque i(t) devient négatif, la diode se bloque et C se décharge dans R loi exponentielle La diode devient passante lorsque V d = V E V S = V 0 si τ >> T, la tension V S est quasiment constante détection d amplitude. Stabilisation de tension par Zener : Il faut V E > V Z. R calculée pour avoir I Zmin < I Z < I Zmax. Électronique 1 - Chap 6: Diodes TELECOM 1A (skulk) Page 9/9