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Jonction pn : approche intuitive
Bases de l’électronique
IUT de l’Indre
Eric PERONNIN
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Jonction pn
Association de deux matériaux dopés, l’un en électrons (n) et
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2
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Jonction pn à vide
Phénomène de recombinaison des majoritaires
 Les porteurs libres se recombinent au niveau de la jonction :
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trous de la zone p; trous majoritaires de la zone p diffusent
vers les électrons de la zone n.
1
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np
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Jonction pn à vide
Etablissement de la barrière de potentiel
 Après la recombinaison, apparition d’une zone de transition
au niveau de la jonction dite zone de déplétion :
– il n’y a plus de porteurs libres dans cette zone,
– nombreux ions positifs dans la zone n,
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 Conséquence : un champ électrostatique E apparaît dans la
zone de transition.
2
np
2
3
3
4
zone de charge d’espace
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n
Jonction pn à vide
Situation des porteurs à l’équilibre
 A l’approche de la zone de charge d’espace, les porteurs
majoritaires subissent une force F=qED qui les éloignent de la zone
de transition et stoppe le phénomène de recombinaison. Seuls
quelques uns d’entre eux franchissent la barrière sous l’action de la
température.
 Les porteurs minoritaires sont accélérés par le champ ED et
franchissent la barrière de potentiel.
 Ces mouvements opposés s’équilibrent thermodynamiquement. La
barrière de potentiel est ainsi constituée.
p
4
5
4
4
5
6
6
ED
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Jonction pn à vide
Un peu de physique quantitative
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V s’oppose donc à la barrière de diffusion fixée par V0 .
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lorsque V devient plus grand que V0.
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2
2
V
Ev
ED
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Er
3
n
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Jonction pn polarisée en direct
Situation des majoritaires
 Les électrons libres de la zone n subissent de la part de Er une
force de Coulomb F = -eEr qui les accélèrent et les fait passer dans
la zone p qu’ils traversent (la zone de transition disparaît)
– C’est le générateur qui fournit le flux d ’électrons à la zone n
– On note ID le courant circulant dans le sens opposé à ce flux
p
4
ID
Er
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V
n
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Jonction pn polarisée en direct
Situation des minoritaires
 Les porteurs minoritaires subissent de la part de Er une force F =
qEr
 C’est par un apport d’énergie thermique que certains d’entre eux se
recombinent dans la zone opposée
– Il en résulte un courant opposé au courant principal
– On note IS ce courant du aux porteurs minoritaires
p
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I
Er
6
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V
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n
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Caractéristique théorique
En utilisant la théorie de la physique des semi-conducteurs, on
montre que :
Note : lorsque , on peut écrire :
 Où :
 est le courant dans la jonction pn,
 est la tension aux bornes de la jonction pn,
 est le courant de saturation inverse (voir suite),
 dépend du semi-conducteur (a est compris entre 1 et 2),
 est le potentiel thermique avec :
– e=1.602.10-19 C, charge de l’électron,
– T la température absolue,
– k=1.381.10-23 JK-1 la constante de Boltzman.
11
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Caractéristiques théorique et réelle
12
Diode 1N4001 – 1N4007
www.geii.eu 13
Jonction pn polarisée en inverse
Courant inverse de saturation
 Les porteurs minoritaires subissent de la part de Er une force F = qEr
 Trous minoritaires de la zone p et électrons minoritaires de la zone n
migrent les uns vers les autres et se recombinent
 Le phénomène se perpétue par l’apport d’électrons en provenance du
générateur V
 On a alors ID=-Is (courant inverse de saturation)
Les minoritaires étant présents en petit nombre, le courant Is est très faible (quelques
nA)
De plus, l’origine thermique des minoritaires rend Is peu sensible aux variations de V.
8
ID
Er8 8
9
V
9
10
10
11
11
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Jonction pn polarisée en inverse
Claquage par avalanche (jonction faiblement dopée côté n et côté
p)
 Les porteurs minoritaires subissent de la part de Er une force
F = qEr
 Accélérés par F, les porteurs minoritaires franchissent la
barrière de potentiel :
– Si F croit de façon trop élevée, un phénomène d’avalanche se produit. Les
porteurs accélérés et à haut niveau d’énergie se cognent à des porteurs du
cristal qu’ils libèrent. Le nombre de minoritaires croit rapidement et le courant
également par conséquent jusqu’à la destruction de la jonction si aucun
dispositif ne limite le courant.
 L’effet est obtenu pour des valeurs de
8
ID
Er
8 8
9
V
9
14
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Jonction pn polarisée en inverse
Claquage par effet Zener
 Jonction fortement dopée côté n et côté p
 zone de déplétion très mince ( soit )
 champ électrique très intense dans la zone de déplétion
 force de Coulomb devient suffisante pour que des électrons
de liaison soient arrachés du cristal et passent dans la bande de
conduction (le changement d’état se fait sans que les électrons
ne changent de niveau d’énergie = effet Tunnel)
 En pratique, effet obtenu pour
Diode Zener
 En contrôlant le dopage, on contrôle la tension de claquage par
effet Zener ( sous 7v) ou par avalanche (au dessus de 5v).
 Dans les 2 cas, la diode est qualifiée de diode Zener.
15
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Jonction pn polarisée en inverse
Caractéristique réelle
16
Diode de
redressement
Diode Zener Caractéristique
directe
Caractéristique
inverse
www.geii.eu 17
Sources
Construction
 CNFM Toulouse
 http://www.aime-toulouse.fr/DOCPDF/TP/DIO2.pdf
Physique des semi-conducteurs
 P.Masson et A.Chovet (ENSERG et Polytech Marseille)
 http://users.polytech.unice.fr/~pmasson/Enseignement/
 O.Bonnaud (Supélec)
 http://reglisse.bretagne.ens-
cachan.fr/pdf/mecatronique/pdfmeca/DEA/PhysiqueSC_Bonn
aud2003.pdf
17
Diodes de redressement : modèles
Bases de l’électronique
IUT de l’Indre
Eric PERONNIN
www.geii.eu 19
Vu précédemment
Symbole et convention de signe
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Caractéristique de la diode très non linéaire
 pour , on parle :
 sens direct,
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 pour , on parle :
 sens inverse (polarisation en inverse),
 diode bloquée. si
19
Dans la plupart des cas, il faut si possible linéariser la
caractéristique pour tenter l’étude analytique d’un circuit.
www.geii.eu 20
Modèles de la diode de redressement
Modèle de la diode idéale (également qualifiée de parfaite)
20
Caractéristique directe
Interrupteur ouvert
Interrupteur
fermé
Note : la puissance instantanée
dissipée est toujours nulle
Domaine de validité :
- petits courants,
- tensions élevées.
Caractéristique inverse
www.geii.eu 21
Modèles de la diode de redressement
Modèle de la diode à seuil
21
Interrupteur ouvert
Note : la puissance dissipée est une
fonction du courant moyen
Domaine de validité :
- petits courants,
- basses tensions possibles.
Caractéristique directe
Caractéristique inverse
www.geii.eu 22
Modèles de la diode de redressement
Modèle de la diode linéarisé sans seuil
22
Interrupteur ouvert
Note : la puissance dissipée est une
fonction du courant moyen
Domaine de validité :
- grands courants possibles,
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pente
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www.geii.eu 23
Modèles de la diode de redressement
Modèle de la diode linéarisé à seuil
23
Interrupteur ouvert
Note : la puissance dissipée est une
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Modèles de la diode de redressement
Approches « grands signaux » - « petits signaux »
 Modèles précédents = modèles « grands signaux »
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 Modèle « petits signaux »
 Lorsqu’un composant est utilisé sur une petite portion de sa
caractéristique, on procède à une linéarisation de cette
caractéristique au point de fonctionnement :
– linéariser = approximer une
caractéristique à sa tangente
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– intérêt = obtenir un modèle plus fidèle
localement (ici au point O)
24
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Modélisation en « petits signaux »
Considérons le circuit suivant :
 le générateur est constitué :
 d’une composante continue
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 d’une composante variable (petits
signaux de variation tels que ).
A la polarisation et le schéma se simplifie ainsi :
25
 Droite d’attaque (caractéristique imposée
par le générateur sur l’élément non
linéaire) :
 Droite de charge (l’élément non linéaire) :
www.geii.eu 26
Modélisation en « petits signaux »
Recherche du point de fonctionnement O de coordonnées
 il vérifie des équations de la droite d’attaque (1) et la
caractéristique de la diode (2).
26
droite d’attaque
caractéristique de la diode
le point de fonctionnement O se trouve à
l’intersection de (1) et (2) car il vérifie les
équations (1) et (2)
www.geii.eu 27
Modélisation en « petits signaux »
Comportement en « petits signaux »
 on approxime la diode à sa tangente en O :
27
Equation de la diode en régime de variation
En régime de variation, la diode se
comporte comme une résistance,
appelée résistance dynamique.
www.geii.eu 28
Modélisation en « petits signaux »
Comportement en « petits signaux »
 calcul de la résistance dynamique de la diode :
 c’est la pente de la tangente à la caractéristique
de la diode calculer en
– polarisation suffisante :
– en :
28
La résistance dynamique de la diode est
inversement proportionnelle à son courant de
polarisation.
www.geii.eu 29
Modélisation en « petits signaux »
Comportement en « petits signaux » et hautes fréquences
 Diode polarisée en inverse
 résistance dynamique extrêmement élevée donc négligeable.
 la zone de charge d’espace confère à la diode un
comportement capacitif modélisable par une capacité notée
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 en direct, les porteurs majoritaires
se déplacent (ils diffusent).
 leur durée de vie, même faible,
implique une distribution de charge
expliquant un comportement capacitif.
Cette capacité, notée , placée en
parallèle de à une incidence en HF.
29
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d’une diode de signal 1N4148
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Diodes

  • 1. Jonction pn : approche intuitive Bases de l’électronique IUT de l’Indre Eric PERONNIN
  • 2. www.geii.eu 2 Jonction pn Association de deux matériaux dopés, l’un en électrons (n) et l’autre en trous (p)  En réalité :  Schématiquement : 2 Silicium P SiO2 Silicium N Cathode Anode Métal np
  • 3. www.geii.eu 3 Jonction pn à vide Phénomène de recombinaison des majoritaires  Les porteurs libres se recombinent au niveau de la jonction : les électrons libres majoritaires de la zone n diffusent vers les trous de la zone p; trous majoritaires de la zone p diffusent vers les électrons de la zone n. 1 1 3 np
  • 4. www.geii.eu 4 Jonction pn à vide Etablissement de la barrière de potentiel  Après la recombinaison, apparition d’une zone de transition au niveau de la jonction dite zone de déplétion : – il n’y a plus de porteurs libres dans cette zone, – nombreux ions positifs dans la zone n, – nombreux ions négatifs dans la zone p.  Conséquence : un champ électrostatique E apparaît dans la zone de transition. 2 np 2 3 3 4 zone de charge d’espace
  • 5. www.geii.eu 5 n Jonction pn à vide Situation des porteurs à l’équilibre  A l’approche de la zone de charge d’espace, les porteurs majoritaires subissent une force F=qED qui les éloignent de la zone de transition et stoppe le phénomène de recombinaison. Seuls quelques uns d’entre eux franchissent la barrière sous l’action de la température.  Les porteurs minoritaires sont accélérés par le champ ED et franchissent la barrière de potentiel.  Ces mouvements opposés s’équilibrent thermodynamiquement. La barrière de potentiel est ainsi constituée. p 4 5 4 4 5 6 6 ED 5 5
  • 6. www.geii.eu 6 Jonction pn à vide Un peu de physique quantitative  Densité de charge  Champ électrostatique  il varie en fonction de : loi de Maxwell-Gauss ici, en monodimensionnel : 6
  • 7. www.geii.eu 7 Jonction pn à vide Calcul du potentiel : équation de Maxwell-Faraday réduite au potentiel scalaire : , soit en monodimensionnel : 7 E(x) V(x) V0=tension de diffusion
  • 8. www.geii.eu 8 Jonction pn polarisée en direct Approche qualitative  La tension aux bornes de la zone de déplétion devient V0 –V. V s’oppose donc à la barrière de diffusion fixée par V0 .  Le champ électrique résultant au niveau de la jonction métallurgique, noté Er est orienté de la zone p vers la zone n lorsque V devient plus grand que V0. p 2 2 V Ev ED 3 Er 3 n 8
  • 9. www.geii.eu 9 Jonction pn polarisée en direct Situation des majoritaires  Les électrons libres de la zone n subissent de la part de Er une force de Coulomb F = -eEr qui les accélèrent et les fait passer dans la zone p qu’ils traversent (la zone de transition disparaît) – C’est le générateur qui fournit le flux d ’électrons à la zone n – On note ID le courant circulant dans le sens opposé à ce flux p 4 ID Er 4 4 5 5 V n 9
  • 10. www.geii.eu 10 Jonction pn polarisée en direct Situation des minoritaires  Les porteurs minoritaires subissent de la part de Er une force F = qEr  C’est par un apport d’énergie thermique que certains d’entre eux se recombinent dans la zone opposée – Il en résulte un courant opposé au courant principal – On note IS ce courant du aux porteurs minoritaires p 6 I Er 6 6 7 V 7 n 10
  • 11. www.geii.eu 11 Caractéristique théorique En utilisant la théorie de la physique des semi-conducteurs, on montre que : Note : lorsque , on peut écrire :  Où :  est le courant dans la jonction pn,  est la tension aux bornes de la jonction pn,  est le courant de saturation inverse (voir suite),  dépend du semi-conducteur (a est compris entre 1 et 2),  est le potentiel thermique avec : – e=1.602.10-19 C, charge de l’électron, – T la température absolue, – k=1.381.10-23 JK-1 la constante de Boltzman. 11
  • 12. www.geii.eu 12 Caractéristiques théorique et réelle 12 Diode 1N4001 – 1N4007
  • 13. www.geii.eu 13 Jonction pn polarisée en inverse Courant inverse de saturation  Les porteurs minoritaires subissent de la part de Er une force F = qEr  Trous minoritaires de la zone p et électrons minoritaires de la zone n migrent les uns vers les autres et se recombinent  Le phénomène se perpétue par l’apport d’électrons en provenance du générateur V  On a alors ID=-Is (courant inverse de saturation) Les minoritaires étant présents en petit nombre, le courant Is est très faible (quelques nA) De plus, l’origine thermique des minoritaires rend Is peu sensible aux variations de V. 8 ID Er8 8 9 V 9 10 10 11 11 13
  • 14. www.geii.eu 14 Jonction pn polarisée en inverse Claquage par avalanche (jonction faiblement dopée côté n et côté p)  Les porteurs minoritaires subissent de la part de Er une force F = qEr  Accélérés par F, les porteurs minoritaires franchissent la barrière de potentiel : – Si F croit de façon trop élevée, un phénomène d’avalanche se produit. Les porteurs accélérés et à haut niveau d’énergie se cognent à des porteurs du cristal qu’ils libèrent. Le nombre de minoritaires croit rapidement et le courant également par conséquent jusqu’à la destruction de la jonction si aucun dispositif ne limite le courant.  L’effet est obtenu pour des valeurs de 8 ID Er 8 8 9 V 9 14
  • 15. www.geii.eu 15 Jonction pn polarisée en inverse Claquage par effet Zener  Jonction fortement dopée côté n et côté p  zone de déplétion très mince ( soit )  champ électrique très intense dans la zone de déplétion  force de Coulomb devient suffisante pour que des électrons de liaison soient arrachés du cristal et passent dans la bande de conduction (le changement d’état se fait sans que les électrons ne changent de niveau d’énergie = effet Tunnel)  En pratique, effet obtenu pour Diode Zener  En contrôlant le dopage, on contrôle la tension de claquage par effet Zener ( sous 7v) ou par avalanche (au dessus de 5v).  Dans les 2 cas, la diode est qualifiée de diode Zener. 15
  • 16. www.geii.eu 16 Jonction pn polarisée en inverse Caractéristique réelle 16 Diode de redressement Diode Zener Caractéristique directe Caractéristique inverse
  • 17. www.geii.eu 17 Sources Construction  CNFM Toulouse  http://www.aime-toulouse.fr/DOCPDF/TP/DIO2.pdf Physique des semi-conducteurs  P.Masson et A.Chovet (ENSERG et Polytech Marseille)  http://users.polytech.unice.fr/~pmasson/Enseignement/  O.Bonnaud (Supélec)  http://reglisse.bretagne.ens- cachan.fr/pdf/mecatronique/pdfmeca/DEA/PhysiqueSC_Bonn aud2003.pdf 17
  • 18. Diodes de redressement : modèles Bases de l’électronique IUT de l’Indre Eric PERONNIN
  • 19. www.geii.eu 19 Vu précédemment Symbole et convention de signe de la diode de redressement Caractéristique de la diode très non linéaire  pour , on parle :  sens direct,  diode passante,  diode saturée. si  pour , on parle :  sens inverse (polarisation en inverse),  diode bloquée. si 19 Dans la plupart des cas, il faut si possible linéariser la caractéristique pour tenter l’étude analytique d’un circuit.
  • 20. www.geii.eu 20 Modèles de la diode de redressement Modèle de la diode idéale (également qualifiée de parfaite) 20 Caractéristique directe Interrupteur ouvert Interrupteur fermé Note : la puissance instantanée dissipée est toujours nulle Domaine de validité : - petits courants, - tensions élevées. Caractéristique inverse
  • 21. www.geii.eu 21 Modèles de la diode de redressement Modèle de la diode à seuil 21 Interrupteur ouvert Note : la puissance dissipée est une fonction du courant moyen Domaine de validité : - petits courants, - basses tensions possibles. Caractéristique directe Caractéristique inverse
  • 22. www.geii.eu 22 Modèles de la diode de redressement Modèle de la diode linéarisé sans seuil 22 Interrupteur ouvert Note : la puissance dissipée est une fonction du courant moyen Domaine de validité : - grands courants possibles, - tensions élevées. pente Caractéristique directe Caractéristique inverse
  • 23. www.geii.eu 23 Modèles de la diode de redressement Modèle de la diode linéarisé à seuil 23 Interrupteur ouvert Note : la puissance dissipée est une fonction du courant moyen Domaine de validité : - grands courants possibles, - basses tensions possibles. pente Caractéristique directe Caractéristique inverse
  • 24. www.geii.eu 24 Modèles de la diode de redressement Approches « grands signaux » - « petits signaux »  Modèles précédents = modèles « grands signaux »  Censés être adaptés sur l’ensemble de la caractéristique.  Modèle « petits signaux »  Lorsqu’un composant est utilisé sur une petite portion de sa caractéristique, on procède à une linéarisation de cette caractéristique au point de fonctionnement : – linéariser = approximer une caractéristique à sa tangente en 1 point – intérêt = obtenir un modèle plus fidèle localement (ici au point O) 24
  • 25. www.geii.eu 25 Modélisation en « petits signaux » Considérons le circuit suivant :  le générateur est constitué :  d’une composante continue qui fixe le point de fonctionnement (dit également point de polarisation).  d’une composante variable (petits signaux de variation tels que ). A la polarisation et le schéma se simplifie ainsi : 25  Droite d’attaque (caractéristique imposée par le générateur sur l’élément non linéaire) :  Droite de charge (l’élément non linéaire) :
  • 26. www.geii.eu 26 Modélisation en « petits signaux » Recherche du point de fonctionnement O de coordonnées  il vérifie des équations de la droite d’attaque (1) et la caractéristique de la diode (2). 26 droite d’attaque caractéristique de la diode le point de fonctionnement O se trouve à l’intersection de (1) et (2) car il vérifie les équations (1) et (2)
  • 27. www.geii.eu 27 Modélisation en « petits signaux » Comportement en « petits signaux »  on approxime la diode à sa tangente en O : 27 Equation de la diode en régime de variation En régime de variation, la diode se comporte comme une résistance, appelée résistance dynamique.
  • 28. www.geii.eu 28 Modélisation en « petits signaux » Comportement en « petits signaux »  calcul de la résistance dynamique de la diode :  c’est la pente de la tangente à la caractéristique de la diode calculer en – polarisation suffisante : – en : 28 La résistance dynamique de la diode est inversement proportionnelle à son courant de polarisation.
  • 29. www.geii.eu 29 Modélisation en « petits signaux » Comportement en « petits signaux » et hautes fréquences  Diode polarisée en inverse  résistance dynamique extrêmement élevée donc négligeable.  la zone de charge d’espace confère à la diode un comportement capacitif modélisable par une capacité notée  Diode polarisée en directe  en direct, les porteurs majoritaires se déplacent (ils diffusent).  leur durée de vie, même faible, implique une distribution de charge expliquant un comportement capacitif. Cette capacité, notée , placée en parallèle de à une incidence en HF. 29 Extrait de la documentation d’une diode de signal 1N4148 HF = Hautes Fréquences