Jonctions PN et Diodes

Semi-conducteur et Dopage

Un semi-conducteur est une matière spécifique dont la conductivité est conditionnée et c’est entre un isolant et un conducteur. Généralement, les semi-conducteurs sont généralement constitués de silicium Si. Ce dernier est un atome tétravalent, c’est-à-dire qu’il possède 4 (tétra) électrons mobiles  (de valence). Dans l’état intrinsèque, les quatre électrons peuvent se déplacer sans problèmes, mais dans des directions aléatoires gardant ainsi le semi-conducteur globalement neutre. Dans l’industrie des composants électroniques, ce mouvement aléatoire d’électrons n’est pas exploitable. Pour pouvoir l’exploiter, les industriels ajoutent des impuretés particulières au silicium d’une manière contrôlée.

Si les impuretés ont un électron de valence en plus (pentavalents), elles vont utiliser quatre électrons pour se lier au silicium et l’électron en plus restera libre. L’électron étant de charge négative, nous parlons d’un dopage négatif dit type N. Ceci dit la charge globale du silicium reste neutre.

Si les impuretés ont un électron de valence en moins (trivalents), elles vont utiliser tous les électrons qu’ils ont pour se lier au silicium, gardant un vide dit trou dans l’une des liaisons du silicium. Ce manque d’électrons peut être modélisé par une charge mobile positive. Nous parlons d’un dopage positif  dit type P. Ceci dit la charge globale du silicium reste neutre.

Diode et jonction PN

Une jonction PN est un composant qui joint (d’où le mot jonction) un semi-conducteur P et un semi-conducteur N.  Ces deux dopages sont de charge opposée, un équilibre entre les trous et les électrons s’établie dans la zone proche de la jonction. Le mouvement des charges, étant organisée, crée une tension électrique dite la tension seuil. Généralement pour une diode de Silicium, la tension seuil est de 0.6 V et elle est dirigée de la cathode vers l’anode. Ce nouveau composant est nommé Diode, il n’est pas linéaire et c’est un dipôle polarisé possédant une cathode (le dopage P) et une anode (le dopage N).

Montage en directe

Jonction  PN  en directe

Considérons maintenant le montage de l'image si haut.  Le pôle + de la batterie est connecté au pôle - de la diode, et le pôle + de la diode est connecté au pôle - de la batterie. Le courant électrique peut traverser la diode sans aucun problème à condition que  $E-U_d  >0 $. La diode est donc passante !

Montage en inverse

Jonction  PN  en indirecte

Considérons maintenant le montage de l'image si haut.  Le pôle + de la batterie est connecté au pôle + de la diode ,et le pôle - de la diode est connecté au pôle - de la batterie. Le courant électrique ne traverse pas la diode. La diode est donc bloquante ! Il faut savoir qu'une polarisons inverse, avec une tension importante, risque de détruire  la diode.

Symbole

Le symbole de la diode est constitué d'une flèche indiquant le sens ou le courant passant, c'est-à-dire l'anode, et d'un symbole d'arrêt qui est la cathode.

Le  symbole d'une diode

Caractéristique d'une diode

Nous  maintenant  nous intéresser  à la caractéristique I=f(v) de la diode  tracée dans  la courbe ci-haut. On distingue  cinq  zones  différentes dans cette courbes:

  1. Zone P1P2: Cette zone est  dite  la zone directe linéaire et pour cause! Le courant et la tension de  la diode sont proportionnelles. et  la diode  est  passante et agit comme une résistance simple qu'on note  $R_d$. En effet cette résistance est  l'inverse  de la pente  de cette  zone. L'intersection de l'extension de cette zone avec l'axe horizontale des  tension  donne  la tension  seuil  $V_{D_{seuil}}$.
  2. Zone P2P3: Cette zone est dite la zone coude, la diode est passante mais le courant et la tension de la diode ne sont pas  linéaires.
  3. Zone P3P4: La diode est soumise à une tension inférieur à sa tension seuil donc elle est encore  bloquée.
  4. Zone P4P5:La diode est polarisée en indirecte ou en inverse. Elle est bloquée et la majorité de la puissance absorbée est  transformée en chaleur et sa résistance interne est considérée comme infinie.
  5. Zone P5P6: Si la polarisation  inverse  dépasse une certaine tension  la diode est détruite  sa résistance est presque  nulle, elle surchauffe et est détruite.

La partie de $P_4$ à $P_1$ est régie par l'équation suivante: $I_d=I_s\exp\bigl((\frac{U_d}{U_{Seuil}})-1\bigr)$.

Modèle Diode Idéal

Modèle Diode Idéale

La diode  est considérée ici comme  un  interrupteur  dont  l'état  est  lié  au signe  de  la  tension parcourant  celle-ci. La résistance  interne est égale à $R_D=0\Omega$ et  la tension seuil  de la  diode est nulle $U_{D_{Seuil}}=0 V$. Si  la tension parcourant  la diode est  positive, alors l'interrupteur est  fermé et la diode  est équivalente  à un fil. Dans  le cas où cette tension est négative  alors l'interrupteur  est  ouvert  et la diode est équivalente  à un coupe-circuit.

Modèle Diode Parfaite

Modèle Diode Parfaite

La diode  est considérée ici comme  une source de  tension  parfaite. Uniquement la résistance  interne est égale à $R_D=0\Omega$. La tension seuil  de la  diode est nulle $U_{D_{Seuil}}=0.7 mV$. Si  la tension parcourant  la diode est  positive, la diode n'est  passante que si  cette tension est supérieure à $U_{D_{Seuil}}=0.7 mV$. Dans  le cas où cette tension est négative ou inférieure à $0.7 mV$, la diode est équivalente  à un coupe-circuit.

Modèle Diode Réelle

Modèle Diode Réelle

La diode  est considérée ici comme  une source de  tension  parfaite égale à sa tension seuil $U_{D_{Seuil}}=0.7 mV$ en série avec une résistance  égale à la résistance  interne de la  diode $R_D$. Si la tension parcourant  la diode est  positive, la diode n'est  passante que si  cette tension est supérieure à $U_{D_{Seuil}}=0.7 mV$. Le courant  parcourant la diode obéie à la loi d'Ohm . Dans  le cas où cette tension est négative ou inférieure à $0.7 mV$, la diode est équivalente  à un coupe-circuit.