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2. Les diodes
Silvio Orsi (Silvio.Orsi@unige.ch)
Antonello Miucci (antonio.Miucci@cern.ch)
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Les Semi-conducteurs
• Des matériaux avec caractéristiques électriques entre les conducteurs et les
isolants
• Quand un électron passe de la bande de valence à la bande de conduction il
laisse un “trou”, c’est-à-dire une charge positive, dans la bande de valence.
Ces 2 types de porteurs de charge bougent et créent un courant électrique.
• Les semi-conducteurs peuvent être intrinsèques ou extrinsèques
6 eV 1 eV 0 eV
isolateur semi-conducteur conducteur
bande de conduction
bande de valence
2
“band gap”
(bande
interdite)
Semi-conducteurs intrinsèques
• Un semi-conducteur intrinsèque est un materiel pur, sans l'adjonction d'impuretés
• La conductivité électrique d’un semi-conducteur intrinsèque:
• est intégralement déterminée par la structure du matériau
• dépend seulement de la température: augmente par génération thermique
• est nulle au zéro absolu, et augment avec la température
• Le nombre de porteurs de charge électrique négatives (électrons dans la bande de
conduction) et positives (“trous” dans la bande de valence) est égal
• Un semi-conducteur réel n'est jamais parfaitement intrinsèque, mais certains matériaux
peuvent se rapprocher de ce comportement idéal, comme le silicium mono-cristallin
pur. Semi-conducteurs typiques sont: Silicium, Germanium, Arséniure de gallium…
http://fr.wikipedia.org/wiki/Semi-conducteur_intrinsèque
Semi-conducteurs extrinsèques et dopage
• Un semi-conducteur extrinsèque est un semi-conducteur auquel des
impuretés sont ajoutées avec le procès de dopage
• La formation des bandes interdites étant due à la régularité de la structure
cristalline, toute perturbation de celle-ci tend à créer des états accessibles à
l'intérieur de ces bandes interdites, rendant le gap plus « perméable ». Le
dopage consiste à implanter des atomes correctement sélectionnés (nommés
« impuretés ») à l'intérieur d'un semi-conducteur intrinsèque afin d'en
contrôler les propriétés électriques.
• Le dopage augmente la densité des porteurs de charge (électron ou trous) à
l'intérieur du matériau semi-conducteur
http://fr.wikipedia.org/wiki/Semi-conducteur
Dopage de semi-conducteurs
• Type N : Dopage avec phosphore (5 électrons) – le nombre d’électrons
augmente. Si les électrons vont dans la bande de valence, la région devient
chargée positivement.
• Type P : Dopage avec du bore (3 électrons) – le nombre de trous augmente.
Si un trou disparaît (il est occupé par un électron), la région devient chargée
négativement.
Si# Si# Si#
Si# Si# Si#
Si# Si# Si#
Si# Si# Si#
Si# B# Si#
Si# Si# Si#
Si# Si# Si#
Si# P# Si#
Si# Si# Si#
Silicium'pure' Type'N' Type'P'
5
Les Diodes
• Une des plus simples composantes non linéaires (courant non-proportionnel
au tension).
• Conduit le courant dans un sens, mais pas dans l’autre.
• Une jonction entre deux semi-conducteurs de types N et P. Des électrons
libres se combinent avec des trous et créent une barrière potentielle.
6
Diodes
• Des semi-conducteurs P ont une haute
densité de trous, le semi-conducteurs N
ont une haute densité d’électrons.
• Lorsqu'ils sont attachés ensemble, il y a
un échange d'électrons-trous dans la
zone près de la jonction.
• Lorsque l'équilibre est atteint, les semi-
conducteurs se retrouvent avec des
charges “découvertes” qui forment une
région de déplétion. Des électrons libres
se combinent avec des trous et créent
une barrière de tension.
N
+
+
+
P
-
-
-
P N
P N
1)
2)
3)
E
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Polarisation
!
!
!
• Une diode peux avoir une polarisation directe ou inverse:
• directe (V > Vd) : injection du porteurs minoritaires, trous en N, électrons en
P. Les électrons se déplacent de trou en trou.
• inverse: Les trous sont attirés par la borne positive, les électrons à la borne
négative. La région de déplétion s’agrandi.
P N
E
+
+
+
-
-
-
symbole
+ -
composant
V V
Vd
équilibre
zone de déplétion
directe inverse
8
I-V courbe caractéristique
Polarisation directe
Polarisation inverse
Normalement, Vd est petit
(~0.5 V)
Courant de
saturation, I0, très
petit ~ nA
I0
• Une diode a une résistance dynamique:
!
!
- directe: Si V > Vd résistance petite (r <<)
- inverse: Si |V| < |Vbr| résistance grande (r >>), si |V| > |Vbr| résistance petite (r<<)
!
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I-V courbe caractéristique
• Une diode a une résistance dynamique:
!
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- directe: Si V < Vd résistance grande, si V > Vd résistance petite
- inverse: Si |V| < |Vbr| résistance grande, si |V| > |Vbr| résistance petite
!
Polarisation directe
Polarisation inverse
I0
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Normalement, Vd est petite
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petit ~ nA
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• Décrivez le comportement du circuit!
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• Cycle positif: Lorsque V1 <= V2, pas courant et Vout = V1, lorsque V1 >= V2,
la diode est polarisée et Vout = V2 (minus Vd)
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• Cycle positif: Lorsque V1 < V2, pas courant et Vout = V1, lorsque V1 ≥ V2,
diode est directement polarisé et Vout = V2 - Vd
• Cycle negatif: Lorsque |V1| < V3, pas courant et Vout = V1, lorsque |V1| ≥ |
V3|, diode est directement polarisé et |Vout| = |V3| - |Vd|
17
Diodes électroluminescentes (LED)
• Les LED sont actives lorsqu'elles sont placées dans le sens du courant
(polarisation directe), qui contrôle l'intensité de la lumière émise.
symbole
18
Les diodes Zener
• Si la jonction P-N d'une diode est fortement
dopée, la zone de charge d'espace est très
mince et des électrons peuvent traverser la
jonction dans la bande d'énergie commune
par l'effet tunnel.
• Ainsi, la diode soumise à une tension inverse
peut conduire un courant par l'effet tunnel.
• La tension d'apparition de l'effet tunnel est
très faible si le dopage est très grand. Cette
tension (VZ) dépend du niveau de dopage et
de la tension inverse.
• Les diodes Zener travaillent en polarization
inverse et stabilisent la tension.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Diode_Zener
symbole
Les diodes Zener
• Décrivez le comportement du circuit!
• Donné la tension d’entrée VIN, faites un
plot de la tension de sortie VOUT en
fonction du temps.
• Pour cet exemple: VZ1 = 2V et VZ2 = 6V.
temps
Logique digitale
• Électronique numérique: les tensions VA et VB ont 2 valeurs possibles: +Vcc
(état logique “1”) et 0V (état “0”)
• Portes logiques “ou” et “et”:
• Remplissez la table de vérité: valeurs logique Q, et courant dans R (oui/non)
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B Q
A Q
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A B I Q
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A B I Q
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  • 1. TP3 électronique: 2. Les diodes Silvio Orsi (Silvio.Orsi@unige.ch) Antonello Miucci (antonio.Miucci@cern.ch) ! !
  • 2. Les Semi-conducteurs • Des matériaux avec caractéristiques électriques entre les conducteurs et les isolants • Quand un électron passe de la bande de valence à la bande de conduction il laisse un “trou”, c’est-à-dire une charge positive, dans la bande de valence. Ces 2 types de porteurs de charge bougent et créent un courant électrique. • Les semi-conducteurs peuvent être intrinsèques ou extrinsèques 6 eV 1 eV 0 eV isolateur semi-conducteur conducteur bande de conduction bande de valence 2 “band gap” (bande interdite)
  • 3. Semi-conducteurs intrinsèques • Un semi-conducteur intrinsèque est un materiel pur, sans l'adjonction d'impuretés • La conductivité électrique d’un semi-conducteur intrinsèque: • est intégralement déterminée par la structure du matériau • dépend seulement de la température: augmente par génération thermique • est nulle au zéro absolu, et augment avec la température • Le nombre de porteurs de charge électrique négatives (électrons dans la bande de conduction) et positives (“trous” dans la bande de valence) est égal • Un semi-conducteur réel n'est jamais parfaitement intrinsèque, mais certains matériaux peuvent se rapprocher de ce comportement idéal, comme le silicium mono-cristallin pur. Semi-conducteurs typiques sont: Silicium, Germanium, Arséniure de gallium… http://fr.wikipedia.org/wiki/Semi-conducteur_intrinsèque
  • 4. Semi-conducteurs extrinsèques et dopage • Un semi-conducteur extrinsèque est un semi-conducteur auquel des impuretés sont ajoutées avec le procès de dopage • La formation des bandes interdites étant due à la régularité de la structure cristalline, toute perturbation de celle-ci tend à créer des états accessibles à l'intérieur de ces bandes interdites, rendant le gap plus « perméable ». Le dopage consiste à implanter des atomes correctement sélectionnés (nommés « impuretés ») à l'intérieur d'un semi-conducteur intrinsèque afin d'en contrôler les propriétés électriques. • Le dopage augmente la densité des porteurs de charge (électron ou trous) à l'intérieur du matériau semi-conducteur http://fr.wikipedia.org/wiki/Semi-conducteur
  • 5. Dopage de semi-conducteurs • Type N : Dopage avec phosphore (5 électrons) – le nombre d’électrons augmente. Si les électrons vont dans la bande de valence, la région devient chargée positivement. • Type P : Dopage avec du bore (3 électrons) – le nombre de trous augmente. Si un trou disparaît (il est occupé par un électron), la région devient chargée négativement. Si# Si# Si# Si# Si# Si# Si# Si# Si# Si# Si# Si# Si# B# Si# Si# Si# Si# Si# Si# Si# Si# P# Si# Si# Si# Si# Silicium'pure' Type'N' Type'P' 5
  • 6. Les Diodes • Une des plus simples composantes non linéaires (courant non-proportionnel au tension). • Conduit le courant dans un sens, mais pas dans l’autre. • Une jonction entre deux semi-conducteurs de types N et P. Des électrons libres se combinent avec des trous et créent une barrière potentielle. 6
  • 7. Diodes • Des semi-conducteurs P ont une haute densité de trous, le semi-conducteurs N ont une haute densité d’électrons. • Lorsqu'ils sont attachés ensemble, il y a un échange d'électrons-trous dans la zone près de la jonction. • Lorsque l'équilibre est atteint, les semi- conducteurs se retrouvent avec des charges “découvertes” qui forment une région de déplétion. Des électrons libres se combinent avec des trous et créent une barrière de tension. N + + + P - - - P N P N 1) 2) 3) E 7
  • 8. Polarisation ! ! ! • Une diode peux avoir une polarisation directe ou inverse: • directe (V > Vd) : injection du porteurs minoritaires, trous en N, électrons en P. Les électrons se déplacent de trou en trou. • inverse: Les trous sont attirés par la borne positive, les électrons à la borne négative. La région de déplétion s’agrandi. P N E + + + - - - symbole + - composant V V Vd équilibre zone de déplétion directe inverse 8
  • 9. I-V courbe caractéristique Polarisation directe Polarisation inverse Normalement, Vd est petit (~0.5 V) Courant de saturation, I0, très petit ~ nA I0 • Une diode a une résistance dynamique: ! ! - directe: Si V > Vd résistance petite (r <<) - inverse: Si |V| < |Vbr| résistance grande (r >>), si |V| > |Vbr| résistance petite (r<<) ! 9
  • 10. I-V courbe caractéristique • Une diode a une résistance dynamique: ! ! - directe: Si V < Vd résistance grande, si V > Vd résistance petite - inverse: Si |V| < |Vbr| résistance grande, si |V| > |Vbr| résistance petite ! Polarisation directe Polarisation inverse I0 10 Normalement, Vd est petite (0.3 - 0.7 V) Courant de saturation, I0, très petit ~ nA
  • 11. Application 1: onde pleine • Décrivez le comportement du circuit!
  • 15. Exemples: www.circuitlab.com • circuit écrêteur ! ! ! • Cycle positif: Lorsque V1 <= V2, pas courant et Vout = V1, lorsque V1 >= V2, la diode est polarisée et Vout = V2 (minus Vd) 16
  • 16. Exemples: www.circuitlab.com • circuit écrêteur ! ! ! • Cycle positif: Lorsque V1 < V2, pas courant et Vout = V1, lorsque V1 ≥ V2, diode est directement polarisé et Vout = V2 - Vd • Cycle negatif: Lorsque |V1| < V3, pas courant et Vout = V1, lorsque |V1| ≥ | V3|, diode est directement polarisé et |Vout| = |V3| - |Vd| 17
  • 17. Diodes électroluminescentes (LED) • Les LED sont actives lorsqu'elles sont placées dans le sens du courant (polarisation directe), qui contrôle l'intensité de la lumière émise. symbole 18
  • 18. Les diodes Zener • Si la jonction P-N d'une diode est fortement dopée, la zone de charge d'espace est très mince et des électrons peuvent traverser la jonction dans la bande d'énergie commune par l'effet tunnel. • Ainsi, la diode soumise à une tension inverse peut conduire un courant par l'effet tunnel. • La tension d'apparition de l'effet tunnel est très faible si le dopage est très grand. Cette tension (VZ) dépend du niveau de dopage et de la tension inverse. • Les diodes Zener travaillent en polarization inverse et stabilisent la tension. http://fr.wikipedia.org/wiki/Diode_Zener symbole
  • 19. Les diodes Zener • Décrivez le comportement du circuit! • Donné la tension d’entrée VIN, faites un plot de la tension de sortie VOUT en fonction du temps. • Pour cet exemple: VZ1 = 2V et VZ2 = 6V. temps
  • 20. Logique digitale • Électronique numérique: les tensions VA et VB ont 2 valeurs possibles: +Vcc (état logique “1”) et 0V (état “0”) • Portes logiques “ou” et “et”: • Remplissez la table de vérité: valeurs logique Q, et courant dans R (oui/non) A B Q A Q B A B I Q 0 0 0 1 1 0 1 1 A B I Q 0 0 0 1 1 0 1 1 +Vcc 21