Composants passifs à semi-conducteurs Résumé Parmi les applications de base de l électronique, l assemblage de deux semi-conducteurs de types différents permet de créer la diode à jonction PN. Mais en observant les propriétés de ce composant, passif, on remarque que plusieurs phénomènes peuvent être mis à profit pour constituer des diodes disposant de fonctions particulières. L inventaire commence par la diode à jonction au travers de sa constitution, son symbole et sa caractéristique statique tension-courant qui met en évidence deux types de fonctionnement : passante en direct (tension de polarisation positive) et bloquée en inverse (polarisation négative). es éléments de physique des semi-conducteurs rappellent que cette caractéristique est fortement influencée par la température. Pour mettre aisément à profit ce composant, la caractéristique est progressivement simplifiée pour atteindre son modèle parfait. Une note rapide évoque le comportement dynamique pour terminer sur les applications essentielles de cet élément. Parmi les diodes spéciales, on retiendra les diodes contrôlant l effet d avalanche en inverse : C est la diode Zener. Comme pour la diode à jonction, son symbole et sa caractéristique tension-courant sont décrits. Vient ensuite la diode rapide ou Schottky, la mise à profit de la variation de la capacité inverse par la tension de polarisation de la diode varicap et l utilisation d un effet quantique, la diode tunnel. Une rapide description de la diode électroluminescente termine les diodes et la variation de la résistivité des semi-conducteurs avec la température clôture ce document. Sommaire I. Introduction... 2 II. iode à jonction PN... 2 II.1. Constitution Symbole...2 II.2. Caractéristique statique tension courant...2 II.3. Influence de la température...3 II.4. Caractéristiques statiques idéalisées...3 II.5. Notes sur le comportement dynamique...3 II.6. pplications des diodes à jonction PN...3 III. iodes spéciales... 4 III.1. Contrôle de l avalanche en inverse : iode Zener...4 III.2. Création d une jonction rapide : iode Schottky...4 III.3. Contrôle de la capacité inverse : iode varicap...4 III.4. Effet quantique : iode tunnel...5 III.5. optoélectronique : iodes électroluminescentes (EL)...6 IV. utres composants... 6 V. Bibliographie... 6 YC sc1-passifs.doc janvier 03 V 1.17 1 / 6 Composants passifs à semi-conducteurs
I. Introduction e par leurs propriétés électriques, les semi-conducteurs peuvent être assemblés pour constituer des composants qui entrent dans la réalisation des fonctions électroniques. e manière générale, on dit qu ils sont passifs si l énergie qu ils absorbent est positive. S ils en délivrent, on dit qu ils sont actifs. ans cette classification, ce document aborde les composants passifs à semi-conducteurs. II. iode à jonction PN II.1. Constitution Symbole Une diode à jonction est un composant constitué d une jonction PN (Figure 1) rendue accessible par deux contacts électriques (obtenus par métallisation). Son symbole et les notations sont représentées à la Figure 2 (pour le retenir, noter que le sens du courant est celui du triangle). Métallisations node Cathode P N Figure 1 : Constitution d'une diode à jonction. Figure 2 : Symbole de la diode. II.2. Caractéristique statique tension courant Le fonctionnement est traduit par le lien entre la tension et le courant : la caractéristique tension courant. Elle est relevée dans les quatre quadrants en polarisant la diode en suivant le schéma de la Figure 3. Le résultat est décrit à la Figure 4. ttention : ce relevé est obligatoirement attaché aux notations des sens des tension et courant. E variable Figure 3 : Polarisation de la diode. R Fonctionnement en inverse Fonctionnement en direct Courant direct maximal d emploi (I FM ) Conductance dynamique : / Tension d avalanche, V de 100 à 1 000V 1V Tension de seuil V 0 Courant inverse : qq µ. Phénomène d avalanche irréversible : destruction de la jonction Tension inverse maximale (V RM ) Figure 4 : Caractéristique tension courant d'une diode. L observation de cette caractéristique permet de distinguer deux régimes de fonctionnement : ans le sens direct ( et positifs), la diode est passante ; la tension est faible ( 1V) et le courant croît très rapidement avec la tension ; ans le sens inverse ( et négatifs), la diode est bloquée ; le courant est faible quelque soit la tension (courant de saturation). YC sc1-passifs.doc janvier 03 V 1.17 2 / 6 Composants passifs à semi-conducteurs
II.3. Influence de la température La loi d évolution du courant dans la diode est : ud d = s UT i I ( e 1) avec Le courant de saturation I S traduit l existence des porteurs minoritaires et croît avec la température. La conséquence est que le courant direct croît plus vite : Pour une diode au silicium, il double environ tous les 10 C. La tension directe (donc de seuil) diminue : Pour une diode au silicium, elle décroît linéairement de 2 mv par C. En inverse, le courant augmente avec T. La modification résultante de la caractéristique apparaît à la Figure 5. U T =kt q T T Figure 5 : Influence de T. II.4. Caractéristiques statiques idéalisées L usage du modèle complet est rarement nécessaire. On simplifie la caractéristique par étapes successives comme l indique le Tableau 1. Le premier modèle montre la conduction au-delà de la tension de seuil V 0 (source de tension associée) et linéarise le fonctionnement en conduction par une résistance en série r. Puis, peu à peu, chacun des éléments est éliminé. On obtient finalement le modèle «deux segments» de la diode. Pente 1/r 1V 1V 1V V 0 V0 En direct : = V 0 + r En direct : = V 0,. V 0 r K K V 0 En direct : = 0,. K En inverse : = I s. I s K I <0 En inverse : = 0,. K En inverse : = 0,. K Tableau 1: Les modèles les plus simples de la diode. II.5. Notes sur le comportement dynamique L étude précédente met l accent sur le fonctionnement statique, c est à dire lorsque les grandeurs tension et courant sont établies. Quand ces grandeurs évoluent dans le temps, la diode peut passer d'un état à l'autre (par exemple de l état bloqué, en inverse, à l état passant, en direct). C est le fonctionnement en commutation. Lors de la mise en conduction, le courant s établit dans le circuit en apportant des charges qui sont stockées au niveau de la jonction. Ceci procure une faible chute de tension en conduction. Mais en contrepartie, leur évacuation ralentit la commutation lors de la phase de blocage. Ceci est caractérisé par le temps de recouvrement t rr. II.6. pplications des diodes à jonction PN La première fonction de la diode est le redressement pour rendre une tension unidirectionnelle en électronique «petits signaux», comme en électronique de puissance dans les convertisseurs d énergie. YC sc1-passifs.doc janvier 03 V 1.17 3 / 6 Composants passifs à semi-conducteurs
III. iodes spéciales côté du principe redresseur des propriétés secondaires sont mises à profit pour donner lieu à d autres types de diodes. III.1. Contrôle de l avalanche en inverse : iode Zener Lorsque la diode est fortement polarisée en inverse, le champ électrique donne aux porteurs minoritaires une accélération suffisante pour en arracher d autres aux atomes du semi-conducteur par une succession de chocs ionisants. Le processus s emballe et conduit à un phénomène d avalanche. Celle-ci est destructive pour la plupart des diodes. Mais l effet Zener permet le contrôle des porteurs pour limiter le courant et assurer la réversibilité du processus. La tension inverse est constante (tension Zener) pour un courant variable (Figure 6). z V Z Figure 6 : Caractéristique de la diode Zener. Figure 7 : Symbole de la diode Zener. Les diodes Zener s emploient essentiellement dans les références de tension. On en trouve de 2,4 jusqu à 270 V. III.2. Création d une jonction rapide : iode Schottky Plutôt que de réaliser la jonction avec des semi-conducteurs de types différents, on substitue une couche métallique au semi-conducteur P ou N. La caractéristique de la diode obtenue 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. Le temps de recouvrement est diminué (t rr < 500 ns) : la diode est plus rapide. Figure 8 : caractéristiques comparées. Figure 9 : Symbole de la diode Schottky. Ces diodes s emploient dans les redresseurs rapides petits signaux et dans les composants logiques rapides. III.3. Contrôle de la capacité inverse : iode varicap Quand la jonction de la diode est polarisée en inverse, la barrière de potentiel est renforcée. La zone de charge d espace apparaît comme un isolant entre les deux parties semi-conductrices : La jonction se comporte comme un condensateur dont la capacité est fonction de la tension inverse. YC sc1-passifs.doc janvier 03 V 1.17 4 / 6 Composants passifs à semi-conducteurs
L expression qui évalue la capacité de transition C T de la jonction en fonction de la tension v r est donnée par la relation : C T = C 0 γ ( 1+ vr / V0) avec V 0 la tension de seuil, C 0 la capacité de la jonction non polarisée et γ un coefficient qui rend compte de la transition de la jonction (à partir de 0,33). Le graphe de la Figure 10 montre l évolution graphique de cette capacité. C0 C T v r = v Figure 10 : Evolution de la capacité de transition. V Figure 11 : Symboles de la diode varicap. Ce type de diode est employé en haute fréquence dans les circuits oscillants accordés qui prennent place dans les oscillateurs commandés en tension pour la radio. III.4. Effet quantique : iode tunnel L'effet tunnel est une conséquence de la mécanique quantique. Son principe repose sur la probabilité non nulle pour un électron en mouvement de franchir une barrière de potentiel d énergie supérieure à son énergie cinétique. Cet effet est obtenu avec une jonction créée avec des semi-conducteurs fortement dopés. La conséquence s apparente à un effet d avalanche en direct. Le courant qui augmente rapidement puis décroît et reprend sa croissance exponentielle (comme pour une diode classique). Il en résulte la caractéristique représentée à la Figure 12. La portion où le courant décroît en fonction de la tension est la partie utile (entre la tension de pic V p et la tension de vallée V v ). On y observe une conductance négative, linéarisée autour du point de repos (V r, I r ). L utilisation de la zone autour de ce point nécessite une polarisation particulière qui permet de travailler en variations. I p I r I v V p V r V v Figure 12 : Caractéristique de la diode tunnel. Figure 13 : Symbole de la diode tunnel. Cette résistance (ou conductance) dynamique est mise à profit dans les oscillateurs hautefréquence pour compenser la résistance d un circuit LC due aux imperfections des éléments. YC sc1-passifs.doc janvier 03 V 1.17 5 / 6 Composants passifs à semi-conducteurs
III.5. Optoélectronique : iodes électroluminescentes (EL) On utilise souvent l abréviation LE (Light Emitting iode) pour cet élément. Polarisées en direct, ces diodes ont la propriété d émettre un rayonnement visible (ou proche de cette bande) dont la couleur dépend du matériau semiconducteur utilisé (infra rouge pour l arséniure de gallium Gas, rouge, verte ou jaune pour le phosphure de gallium GaP et bleue pour le nitrure de gallium GaN. Figure 14 : LE oel Si la caractéristique tension-courant reste identique, on observe une tension de seuil plus élevée (jusqu à 2 V). Elles ne supportent pas les tensions inverses très élevées (jusqu à 5 V), ni les courants directs dépassant 20 m. IV. utres composants titre d information, la variation de la résistivité avec la température ou un rayonnement électromagnétique permet de mettre au point des capteurs de toutes sortes : pour la température, la lumière (visible ou non) ou un autre rayonnement. V. Bibliographie [1] Boite R. et Neirynck J. Théorie des réseaux de Kirchhoff. Traité d électricité, d électronique et d électrotechnique. unod. 1983. [2] Philippe Leturcq et Gérard Rey. Physique des composants actifs à semiconducteurs. unod. 1978. ISBN 2-04-010385-6. [3] J.-. Chatelain. ispositifs à semi-conducteurs. Traité 3E. unod. 1979. [4] J.-. Chatelain et R. essoulavy. Electronique tome 1. Traité 3E. unod. 1979. YC sc1-passifs.doc janvier 03 V 1.17 6 / 6 Composants passifs à semi-conducteurs