III Diodes. Qu'est-ce que la diode?

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1 III Diodes III-1 Introduction : Les composants électroniques tels que les diodes, les transistors et les circuits intégrés sont fabriqués à partir d un matériau semi-conducteur. Qu'est-ce que la diode? Une diode possède deux bornes : c est un dipôle. Plus précisément, la diode est un dipôle passif non-linéaire et non-symétrique. L intérêt principal de la diode, est de ne laisser passer le courant que dans un sens, et pas dans l autre. Jusqu'à présent nous n'avons vu que des composants linéaires, c'est-à-dire qui ne modifiaient que l'amplitude ou la phase d'un signal appliqué à son entrée. Le comportement de la diode est donc une nouveauté pour nous. III-2 Rappel sur le courant électrique : Le courant électrique est un déplacement d ensemble de porteurs de charge électrique, Donc le courant est un flux d'électrons. Pour que ces électrons puissent se déplacer, il faut que les électrons soient libres. On trouve des électrons libres, en général, dans les métaux (comme le cuivre), ce sont des conducteurs. En absence d'électrons libres, les matériaux seront appelés isolant (comme le plastique). III-3 Structure atomique : la matière est composée d atomes et tout atome est composé d électrons, de protons et de neutrons (protons + neutrons = Noyau). Le modèle atomique de Bohr illustrant les électrons en orbite autour du noyau (Les électrons se déplacent. 1

2 Remarque : Un atome est la plus petite particule d un élément. Le noyau est constitué de particules chargées positivement, qu on appelle protons et de particules non chargées appelées neutrons. Les particules élémentaires qui portent la charge négative sont appelées électrons. Chaque type d atome contient un certain nombre d électrons et de protons. Exemple : 1- L hydrogène est un atome, constitué d un proton et d un électron Fig. a. 2- L hélium est un atome, possède deux protons et deux neutrons dans son noyau, ainsi que deux électrons en orbite autour du noyau Fig. b. III-4 Quelque notion de l atome : Numéro atomique (Z) : est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre de protons d'un atome. Dans l'écriture A Z X, A est le nombre de masse : il représente la somme du nombre de protons et du nombre de neutrons, A est donc le nombre de nucléons ; Z est le numéro atomique : il correspond au nombre de protons ; X est le symbole de l'élément 16 Pour 8 O nous avons Z = 8 donc nombre de protons égal à 8 et correspondant au nombre d électrons égal à 8, et A = 16 donc nombre de nucléons égal à 16 (8 protons et 8 neutrons) 17 Pour 8 O nous avons Z = 8 donc nombre de protons égal à 8 et correspondant au nombre d électrons égal à 8, et A = 17 donc nombre de nucléons égal à 17 (8 protons et 9 neutrons) : 8O 17 est l'isotope de l'oxygène dont le nombre de masse est égal à 17 2

3 Couches d électrons et orbites : Les électrons gravitent autour du noyau d un atome à certaines distances de celui-ci. Les électrons près du noyau possèdent moins d énergie que ceux situés sur des orbites plus éloignées. Dans un atome, les orbites sont regroupées en bandes énergétiques appelées couches. Les couches sont désignées K, L, M, N, et ainsi de suite, K étant celle la plus près du noyau. La figure suivante, montre la couche K avec un niveau d énergie et la couche L avec deux niveaux d énergie. Electrons de valence : La couche la plus éloignée est connue sous le nom de couche de valence et les électrons dans cette couche sont appelés électrons de valence. Ces électrons de valence contribuent aux réactions chimiques et aux liaisons à l intérieur de la structure d un matériau, déterminant ses propriétés électriques. III-5 Conducteurs - Isolants - Semi-conducteurs : III-5-1 Conducteurs : Un conducteur est un matériau qui conduit aisément le courant électrique. Les meilleurs conducteurs sont des matériaux constitués d un seul élément comme le cuivre, l argent, l or et l aluminium, ces éléments étant caractérisés par des atomes ayant un seul électron de valence faiblement lié à l atome. À température ambiante les conducteurs (métaux) ayant une faible résistivité typiquement inférieure à 10-5 Ωcm. La conduction électrique s effectue essentiellement par les électrons libres dont la concentration diffère peu d un métal à l autre (de à cm -3 ). 3

4 Une augmentation de la température provoque une légère augmentation de la résistivité, pouvant s expliquer par le fait que les électrons libres sont gênés dans leur déplacement par les vibrations (croissantes avec la température) des atomes du métal. III-5-2 Isolants : Un isolant est un matériau qui ne conduit pas le courant électrique sous des conditions normales. Les électrons de valence sont solidement rattachés aux atomes, laissant très peu d électrons libres de se déplacer dans un isolant. la résistivité des isolants est typiquement supérieure à 10 8 Ωcm, c est le cas pour le verre, le mica, la silice (SiO2), le carbone (diamant). Cette fois l augmentation de la température peut provoquer la libération d électrons (ainsi que de trous ) qui peuvent participer à la conduction électrique, III-5-3 Semi-conducteurs : semi-conducteur est un matériau se situant entre le conducteur et l isolant. Un semi-conducteur à l état pur (intrinsèque) n est pas un bon conducteur ni un bon isolant. La résistivité des semi-conducteurs varie entre 10-3 à 10 4 Ωcm (ou plus). La conduction électrique se fait par les électrons et les trous, ou de façon préférentielle par l un ou l autre type de porteurs. 4

5 III-6 la structure de l état solide : Les matériaux solides se classent en deux grandes catégories qui sont : III-6-1 Les matériaux cristallins : Les matériaux cristallins où les atomes sont rangés régulièrement aux nœuds d un réseau périodique ; la maille (ou motif) élémentaire se répète régulièrement. III-6-2 Les matériaux amorphes (non cristallin) : Les matériaux amorphes où l ordre n est que local et non répété à longue distance. III-7 la Différence entre monocristallin et polycristallin? : Certains le cristal est composé de nombreux petits grains, si l'arrangement entre les grains n est pas de règle, c'est ce qu'on appelle cristal polycristallin, comme le Cuivre et le Fer. Mais il y a aussi le cristal lui-même est un complètes de gros grains, le cristal est appelé monocristal, cristal et cristal de diamant. III-8 Matériaux et composés semi-conducteurs : Le tableau suivant donne des exemples de matériaux et composés semi-conducteurs en fonction des éléments qui les constituent et de la position de ces éléments dans le tableau de Mendeleïev. 5

6 Exemples de semi-conducteurs. Tableau de Mendeleïev Liste des métaux les plus conducteurs électriquement 1 : Argent (63 x 10 6 S.m -1 ) 2 : Cuivre (59,6 x 10 6 S.m -1 ) 3 : Or (45,2 x 10 6 S.m -1 ) 4 : Aluminium (37,7 x 10 6 S.m -1 ) 5 : Zinc (16,6 x 10 6 S.m -1 ) 6 : Nickel (14,3 x 10 6 S.m -1 ) 7 : Fer (9,93 x 10 6 S.m -1 ) 8 : Etain 9 : Platine (9,66 x 10 6 S.m -1 ) 10 : Palladium (9,5 x 10 6 S.m -1 ) 11 : Plomb (4,81 x 10 6 S.m -1 ) L or n est pas le meilleur conducteur, mais il ne s oxyde pas et résiste aux acides «usuels». Souvent, dans les composants électroniques, le cuivre est recouvert d or (pour les processeurs d ordinateur par exemple). 6

7 Remarque : 1- Les électrons d un atome isolé prennent des valeurs d énergie discrètes et chaque niveau d énergie peut accueillir un nombre limité d électrons. Ce nombre est égale à 2n 2 où n correspond au numéro du niveau (couche) en partant du noyau. Les électrons se répartissent en occupant d abord les niveaux les plus proches du noyau (ce qui correspond à l énergie minimale). 2- Un élément présente une grande stabilité quand il a huit électrons sur sa couche externe (structure des gaz rares). Semi-conducteurs de la colonne IV (EX : Si) Atome de Silicium : l atome de Silicium qui a un numéro atomique Z égal à 14. Lors de la formation du cristal cet atome va gagner quatre électrons en formant des liaisons covalentes qui correspondent à la mise en commun de ses électrons périphériques avec les atomes voisins. Ainsi un atome de Silicium qui s associe avec quatre autres atomes de Silicium verra huit électrons sur sa dernière couche. Silicium isolé n est pas stable Cristal de Silicium isolé stable Si aucune liaison n est brisée, il n y a pas d électrons libres, et donc le cristal est isolant. Semi-conducteurs composés : Un type de liaisons très proche de celui qui Vient d être décrit peut aussi se faire entre atomes de nature différente par exemple entre le Gallium (Z = 31) et l Arsenic (Z = 33). La figure suivante donne la représentation en deux dimensions du semi-conducteur GaAs dans lequel un atome de Ga prend quatre atomes de As comme voisins et l As quatre atomes de Ga. 7

8 Bandes d énergie : Rappelons-nous que la couche de valence d un atome représente une bande d un certain niveau énergétique et que les électrons de valence sont confinés à cette bande. Lorsqu un électron acquiert assez d énergie additionnelle d une source externe, il peut quitter la couche de valence, devenir un électron libre et exister dans ce que l on désigne comme étant la bande de conduction. La figure suivante montre les diagrammes d énergie pour un isolant, un semi-conducteur et un conducteur. Notez à la partie a) le vaste écart énergétique entre les bandes. Les électrons de valence ne peuvent sauter vers la bande de conduction sauf lors d une détérioration provoquée par des tensions extrêmement élevées appliquées au matériau. À la partie b), on remarque qu un semi-conducteur possède un écart énergétique plus restreint, permettant à quelques électrons de sauter vers la bande de conduction et de devenir des électrons libres. Par contraste, la partie c) illustre les bandes énergétiques se chevauchant dans un conducteur. Dans un matériau conducteur, il existe toujours un grand nombre d électrons libres. III-8 Semi-conducteur intrinsèque et Semi-conducteur extrinsèque : III-8-1 Semi-conducteur intrinsèque : Un semi-conducteur est dit intrinsèque lorsque le cristal n est pas pollué, autrement dit un semi-conducteur pur (pas de porteurs libres). III-8-2 Semi-conducteur extrinsèque : Un semi-conducteur est dit extrinsèque lorsque le semi-conducteur intrinsèque soit dopé. L introduction de certaines impuretés dans un matériau semi-conducteur permet d y modifier le nombre de porteurs libres. 8

9 III-9 Notion de dopage : Le dopage d un cristal intrinsèque consiste à substituer des atomes de semi-conducteurs du réseau par des atomes étrangers Deux cas peuvent se présenter : Des semi-conducteurs de type N : Introduction d atomes possédant 5 électrons sur la dernière couche dans la bande de valence. Pour un tel matériau, des atomes (ou impuretés) de type donneur (d électrons) ont été introduits en général en faible quantité. (Un semiconducteur possédant un excès d électrons) Les éléments dopants ont une valence de 5 comme l Arsenic (As), l Antimoine (Sb) et le Phosphore (P). (Dans ce cas les porteurs majoritaire sons des électrons)) Des semi-conducteurs de type P : Introduction d atomes possédant 3 électrons sur la dernière couche dans la bande de valence. Pour un tel matériau, des atomes (ou impuretés) de type donneur (d électrons) ont été introduits en général en faible quantité. (Un semiconducteur manquant d électrons), manque d électron est considéré comme une charge positive libre appelée Trou (dans ce cas les porteurs majoritaire sons des trous). 9

10 Les éléments dopants ont une valence de 3 comme l Aluminium (Al), l Bore (N), le Galium (Ga) et l Indium (In). Conclusion : 1- La conductivité des semi-conducteur peut être augmentée par l addition d impuretés, procédé appelé DOPAGE. 2- Le dopage a pour but d introduire des charges libres pouvant se déplacer facilement en appliquant une tension. 3- Les charges libres peuvent être soit positives, soit négatives, suivant la nature du dopage. 4- Si les charges supplémentaires sont des électrons, le semi-conducteur dopé est négatif ou de type N. 5- Si les charges supplémentaires sont positives (manque d électrons), le semiconducteur dopé est positif ou de type P. Le but de dopage est d augmenter la conductivité du semi-conducteur Le courant dans semi-conducteur A température nulle, c'est à dire quand il n'y a aucune agitation thermique, aucun électron du semi-conducteur ne peut se déplacer. Les semi-conducteurs à l état pur sont des semi-conducteurs intrinsèques. Ils possèdent des électrons et des trous, mais ils sont en équilibre. Quand un électron se sépare d une liaison covalente, sous une agitation thermique, il en résulte un électron libre et un trou. Les électrons et les trous se recombinent après peu de temps, en formant une paire électronstrous neutre. Quand on a enlevé un électron là où il y en a beaucoup, il reste un trou. Et si un autre électron vient le combler, c'est comme si en fait le trou s'était déplacé! Remarque : 1- Plus un semi-conducteur est chaud, plus il contient de paires électron-trou, donc moins il se comporte comme un isolant - puisque les paires peuvent assurer la conduction du courant. Il conduit d'autant mieux le courant qu'il est chaud et on peut donc se servir de cette propriété pour mesurer une température! C'est comme ça qu'on obtient ce qu'on appelle une thermistance : une résistance dont la résistance dépend de la température. 10

11 2- Dans le semi-conducteur type N la majorité des porteurs de charge sont les électrons (majoritaires) et les minoritaires sont les trous à cause d agitation thermique. 3- Dans le semi-conducteur type P la majorité des porteurs de charge sont les trous (majoritaires) et les minoritaires sont les électrons à cause d agitation thermique. La jonction P-N : la jonction P-N correspond à la juxtaposition de deux types de semiconducteur extrinsèque type P et type N Nous savons que : Dans la zone P les porteurs majoritaires sont les trous. Les atomes accepteurs constituent un réseau d'ions négatifs. De même dans la zone N les porteurs majoritaires sont les électrons. Les atomes donneurs constituent un réseau d'ions positifs. La structure de base du silicium à l'instant de la formation de jonction ne montrant que les porteurs majoritaires et minoritaires. Réalisation d une jonction PN : Lorsque vous prenez un bloc de silicium et dopez une partie de celui-ci avec une impureté trivalente (atome avec trois électrons à la couche de valence) et l'autre partie avec une 11

12 impureté pentavalente (atome avec cinq électrons à la couche de valence), une frontière appelée jonction PN est formée entre les parties de type p et de type n résultantes. Barrière de potentiel : A l'instant de la formation de la jonction PN, les électrons libres proches de la jonction dans la région n commencent à se diffuser à travers la jonction dans la région p où ils se combinent avec les trous près de la jonction. 1- Avant la formation de la jonction PN, il y a autant d'électrons que de protons dans le matériau de type n, rendant le matériau neutre en termes de charge nette. Il en est de même pour le matériau de type p. 2- Après que la jonction PN est formée, la région n perd les électrons libres lorsqu'ils diffusent à travers la jonction. 3- Cela crée une couche de charges positives (ions pentavalent) près de la jonction, ces ions fixes ne bougent pas. 4- Lorsque les électrons se déplacent à travers la jonction, la région p perd des trous alors que les électrons et les trous se combinent. 5- Cela crée une couche de charges négatives (ions trivalents) près de la jonction, ces ions fixes ne bougent pas. 6- Ces deux couches de charges positives et négatives créent une zone de déplétion. (منطقة االستنزاف استنزاف كل الذخيرةtrous (Zone de déplétion : électrons 12

13 7- En fin de compte, l'équilibre est établi et il n'y a plus de diffusion d'électrons à travers la jonction à cause de la création d une barrière. 8- Un champ électrique est établi dans la zone de déplétion. 9- Ce champ électrique est une barrière aux électrons libres dans la région n, donc pour que les électrons peuvent se déplacer vers l autre côté il faut fournir une énergie externe forte pour traverser cette barrière de potentiel (le champ électrique). 10- Cette différence de potentiel est appelée barrière de potentiel est exprimée en volts. (0,7 v pour le silicium et 0,3 v pour le germanium à 25 c) Comment augmenter et diminuer la barrière de potentiel : La barrière de potentiel dans une jonction PN est un obstacle qui prévient les électrons et les trous de se diffuser. Il est possible de baisser la hauteur de cette barrière en appliquant une tension externe. 1- Si on applique à la jonction PN une différence de potentiel V, tel que le pôle positif de la source de tension relie à la partie P de la jonction, et le pôle négatif à sa partie N, on dit que la jonction en polarisation directe. Dans ce cas les électrons de la partie N migrent vers le pôle positif et les trous de la partie P migrent vers le pôle négatif. Donc la jonction laisse de passer à travers de l interface PN un courant qui sera proportionnel à la différence de potentiel V qui lui est appliqué. 13

14 2- Si on applique à la jonction PN une différence de potentiel V, tel que le pôle positif de la source de tension relie à la partie N de la jonction, et le pôle négatif à sa partie P, on dit que la jonction en polarisation inverse. Seul les porteurs minoritaires de charge pourront alors migrent au travers de l interface PN vers leur pôle respectif, et les porteurs majoritaires ne traverse plus l interface, puis que la concentration des minoritaires est faible le silicium de la jonction se comporte au semiconducteur intrinsèque ayant une très faible conductivité. Sous polarisation inverse le courant passant vers la jonction est très faible (négligeable) on dit que la jonction ne conduit pas en polarisation inverse. 14

15 II Théorie de la diode : Constitution et fonctionnement d une diode 15

16 La diode : La diode est fabriquée à partir d'un petit morceau de matériau semi-conducteur généralement le Silicium, dans lequel la moitié est dopée en tant que région p et la moitié est dopée en tant que région n. La jonction pn et la zone de déplétion se trouvent entre les deux régions. La circulation du courant à travers la jonction ne peut s'effectuer que dans le sens P vers N. Un conducteur est lié à la région p est appelée anode et un autre conducteur est lié à la région n est appelée cathode. Polarisation directe d une diode : La polarisation directe est la condition qui permet le courant à travers la jonction pn. Notez que le côté négatif de VBIAS est connecté à la région n de la diode et que le côté positif est connecté à la région p. VBIAS Doit être supérieur au potentiel de la barrière. Que se passe-t-il lorsqu'une diode est polarisée en directe? 1- La source de tension VBIAS de polarisation transmet une énergie suffisante aux électrons libres pour surmonter la barrière de potentiel dans la zone de déplétion et se déplacer dans la région p. 16

17 2- Une fois les électrons conductions dans la région p, ils ont perdu suffisamment d'énergie, donc, ils vont se combiner immédiatement avec des trous dans la bande de valence. 3- Le côté positif de la source de tension attire les électrons de valence vers l'extrémité gauche de la région p. 4- Les électrons de valence se déplacent d'un trou à l'autre vers la gauche. 5- Lorsque les électrons sortent de la région p, ils laissent des trous dans la région p. L'effet de la polarisation direct sur la zone de déplétion : 1- Lorsque les électrons s'écoulent dans la zone de déplétion, le nombre d'ions positifs est réduit. 2- Lorsque plus de trous s'écoulent efficacement dans la zone de déplétion, le nombre d'ions négatifs est réduit. 3- Cette réduction des ions positifs et négatifs pendant la polarisation directe amène la région de déplétion à se diminuer. 17

18 Polarisation inverse d une diode : La polarisation inverse est la condition qui empêche essentiellement le courant à travers la diode. Notez que le côté positif de VBIAS est connecté à la région n de la diode et que le côté négatif est connecté à la région p. Notons que la zone de déplétion est montrée beaucoup plus large que dans la polarisation directe ou à l'équilibre. Que se passe-t-il lorsqu'une diode est polarisée en inverse? 1- Dans la région n, lorsque les électrons s'écoulent vers le côté positif de la source de tension, des ions positifs supplémentaires sont créés. Il en résulte un élargissement de la zone de déplétion et un appauvrissement des porteurs majoritaires. 2- Dans la région p, les électrons du côté négatif de la source de tension se déplacent d'un trou à l autre vers la zone de déplétion où ils créent des ions négatifs supplémentaires. Il en résulte un élargissement de la zone de déplétion et un appauvrissement des porteurs majoritaires. 3- Comme plus de régions n et p se sont appauvris en porteurs majoritaires, le champ électrique entre les ions positif et négatif augmente de force jusqu'à ce que le potentiel à travers la zone de déplétion soit égal à la tension de polarisation, VBIAS. 4- À ce stade, le courant de transition s'arrête. 18

19 Le courant inverse : Il existe un courant extrêmement faible qui existe en polarisation inverse après que le courant de transition est décroché est provoqué par les porteuses minoritaires dans les régions n et p qui sont produites par des paires électron-trou générées thermiquement. La bande de conduction dans la région p est à un niveau d'énergie plus élevé que la bande de conduction dans la région n. Par conséquent, les électrons minoritaires traversent facilement la zone de déplétion parce qu'ils ne nécessitent aucune énergie supplémentaire. Tension de claquage : 1- Si la tension de polarisation inverse externe est augmentée à une valeur appelée tension de claquage, le courant inverse augmentera. 2- La tension de polarisation inverse élevée donne de l'énergie aux électrons minoritaires libres (région p) de telle sorte que, ils entrent en collision avec des atomes et frapper les autres électrons de valence puis ces derniers se libères et devenant des électrons de conduction. 3- Les électrons de conduction nouvellement créés sont également riches en énergie et répétez le processus. 4- La multiplication des électrons de conduction est connue sous le nom d'effet avalanche. Effet d avalanche : L'effet d'avalanche peut se produire à l'intérieur de semi-conducteurs ou d'isolants solides, lorsque le champ électrique à l'intérieur du matériau est suffisamment important pour accélérer les électrons jusqu'au point où, lorsqu'ils percutent des atomes, ils libèrent d'autres électrons : le nombre d'électrons libres augmente alors rapidement car les nouveaux électrons libres en entraînent à nouveau d'autres, dans un phénomène comparable à celui d'une avalanche neigeuse. 19

20 L effet d'avalanche est un phénomène qui peut se produire dans des matériaux isolants et semi-conducteurs. Il s'agit d'un effet multiplicateur du courant électrique à l'intérieur de matériaux qui étaient, jusqu'au déclenchement du phénomène. 20