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Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes 1 Semi-conducteurs et Diodes 1. Descripti

Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes 1 Semi-conducteurs et Diodes 1. Description : semi-conducteur intrinsèque Un cristal de semi-conducteur intrinsèque est un solide dont les noyaux atomiques sont disposés aux nœuds d'un réseau géométrique régulier. La cohésion de cet édifice est assurée par les liens de valence qui résultent de la mise en commun de deux électrons appartenant chacun à deux atomes voisins de la maille cristalline. Les atomes de semi-conducteur sont tétravalents et le cristal peut être représenté par le réseau de la figure 1: Figure 1: Semi-conducteur intrinsèque 2. Définition L'électron qui possède une énergie suffisante peut quitter la liaison de valence pour devenir un électron libre. Il laisse derrière lui un trou qui peut être assimilé à une charge libre positive; en effet, l'électron quittant la liaison de valence à laquelle il appartenait démasque une charge positive du noyau correspondant. Le trou peut être occupé par un autre électron de valence qui laisse, à son tour, un trou derrière lui: tout se passe comme si le trou s'était déplacé, ce qui lui vaut la qualification de charge libre. La création d’un pair électron libre - trou est appelée génération alors qu'on donne le nom de recombinaison au mécanisme inverse. Exemples Le silicium a un nombre volumique d'atomes de 5 1022 par cm3. A 300K (27 C), le nombre volumique des électrons libres et des trous est de 1,5 1010 cm-3, soit une paire électron libre - trou pour 3,3 1012 atomes. Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes 2 Le nombre volumique des atomes dans le germanium est de 4,4 1022 par cm3. A 300K, le nombre volumique des électrons libres et des trous est 2,5 1013 cm-3, soit un pair électron libre - trou pour 1,8 109 atomes. 3. Description: semi-conducteur extrinsèque de type n Un semi-conducteur dans lequel on aurait substitué à quelques atomes tétravalents des atomes pentavalents est dit extrinsèque de type n (Fig. 2) Figure 2 : Semi-conducteur de type n Quatre électrons de la couche périphérique de l'atome pentavalent prennent part aux liens de valence alors que le cinquième, sans attache, est libre de se mouvoir dans le cristal. L'électron libre ainsi créé neutralise la charge positive, solidaire du réseau cristallin, qu'est l'atome pentavalent ionisé. Définitions Le dopage est l'action qui consiste à rendre un semi-conducteur extrinsèque. Par extension, ce terme qualifie également l'existence d'une concentration d'atomes étrangers: on parle de dopage de type n. On donne le nom d'impuretés aux atomes étrangers introduits dans la maille cristalline. Dans le cas d'un semi-conducteur extrinsèque de type n, les impuretés sont appelées donneurs car chacune d'entre elles donne un électron libre. Modèle Les dopages courants sont d'environ 1016 à 1018 atomes par cm3. On peut admettre que le nombre volumique des électrons libres est égal au nombre volumique des impuretés et que le nombre volumique des trous (charges libres positives) est négligeable. Etant données ces considérations, on établit le modèle de semi-conducteur représenté à la figure 3 dans lequel n'apparaissent que les Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes 3 charges essentielles, à savoir: les électrons libres et les donneurs ionisés. Les charges fixes sont entourées d'un cercle. Un semi-conducteur dans lequel on aurait substitué à quelques atomes tétravalents des atomes pentavalents est dit extrinsèque de type n (Fig. 3) Figure 3 : semi-conducteur de type n 4. Description: semi-conducteur extrinsèque de type p: Si l'on introduit des atomes trivalents dans le réseau cristallin du semi-conducteur, les trois électrons de la couche périphérique de l'impureté prennent part aux liens de valence, laissant une place libre. Ce trou peut être occupé par un électron d'un autre lien de valence qui laisse, à son tour, un trou derrière lui. L'atome trivalent est alors ionisé et sa charge négative est neutralisée par le trou (voir fig. 4). Le semi-conducteur est alors extrinsèque de type p. Figure 4 : Semi-conducteur de type p Définition : Les impuretés, dans un semi-conducteur extrinsèque de type p. sont appelées accepteurs au vu de leur propriété d'accepter un électron situé dans un lien de valence. Modèle : Le nombre volumique des trous: il est approximativement égal au nombre volumique des impuretés. Le nombre volumique des électrons libres est alors considéré comme négligeable. Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes 4 Il s'ensuit un modèle, représenté à la figure 5, dans lequel n'apparaissent que les charges prépondérantes: les trous et les accepteurs ionisés. Figure 5 : semi-conducteur de type p Il faut remarquer que le semi-conducteur extrinsèque, type p ou type n, est globalement neutre. On peut le comparer à un réseau géométrique dont certains nœuds sont chargés et dans lequel stagne un gaz de charges mobiles qui neutralise les charges fixes du réseau. On élargit, par la suite, la notion de semi-conducteur de type n à un semi-conducteur dont le nombre volumique des donneurs l'emporte sur celui des accepteurs et celle de semi-conducteur de type p à un semi-conducteur dans lequel le nombre volumique des accepteurs est prépondérant. 5. La diode à jonction 5.1. Introduction Une diode est une association de deux semi-conducteurs, ce n'est en fait qu'une jonction PN, son utilité est diverse : on l'utilise pour le redressement, pour écrêter des signaux (faire en sorte que la valeur ne dépasse pas un certain seuil), pour réguler des tensions (pour éviter des variations brusques de tension qui pourraient endommagées les circuits) et même pour les DELs (diode électroluminescentes) ou LEDs en anglais (figure ci-dessous). Une diode est TOUJOURS polarisée, c’est à dire qu'elle réagit différemment si elle est branchée dans un sens ou dans un autre. La diode à jonction, symbolisée graphiquement par un triangle pointant vers la cathode, se présente matériellement sous forme d'un élément cylindrique marqué d'une bague noire ou (blanche) repérant cette même cathode. Figure 6 : Symbole D’une diode à Jonction A diode PN est la jonction de deux semi conducteurs l’un de type P et l’autre de type N à cause des propriétés des deux semi-conducteurs la circulation du courant ne peut être que dans un seul sens, de P vers N Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes 5 En examinant la relation courant tension d’une jonction PN polarisée on constate que le courant obéit à la loi exponentielle suivante       −         = 1 exp T D S D V V I I Avec mV q KT 25  à T300K (q=1.6 10-19C ,K=1.38 1023j/K ordre de grandeur du courant Is=100nA . Dans le cas où la diode est alimentée par une tension VD supérieure à 100mV, la relation précédente peut être réduite à               = T D S D V V I I exp Figure 7 : Caractéristiques d’une diode à Jonction Lorsque la tension appliquée est positive, la diode est dite polarisée en direct. Dans ce cas la croissance positive du courant est fortement marquée après une tension de seuil VD0 Pour une jonction en silicium VD0 s’établie entre 0.6 et 0.7V on considère donc la diode passante Sus une polarisation inverse (VD<0) le courant circulant de N vers P est extrêmes faible et vaut Is. On considère donc la diode est bloquée 5.2. La résistance Dynamique On considère le point Q caractérisé par le couple (IDQ,VDQ) La relation devient               = T D S D V V I I exp en considérant de très faibles variations autour de VDQ nous pouvant écrire Chapitre 1. Semi-conducteur et Diodes 6 Nous en déduisant la résistance dynamique de la diode autour de son point de polarisation dq T I V rd = Pour un courant de polarisation IDQ de 1mA la résistance dynamique est environ 25. La résistance dynamique d’une diode diminue lorsque le point de fonctionnement s’élève Elle doit être prise en compte lorsque on superpose un signal variable sur la tension de fonctionnement. 5.3. Polarisation d’une diode par une résistance Une diode doit être polarisée par une tension d’environ VD pour qu’elle soit passante L’attaque directe de la diode est délicate et risquée en, effet tout dépassement de la tension à la valeur VD0 engendre la circulation d’un courant élevé pouvant engendrer la destruction du composant, la méthode la plus simple c’est de placer une résistance de limitation du courant en série avec la diode, dans ce cas nous avons R V U I D D − = Le point de polarisation Q et aussi appelé le point de fonctionnement est caractérisé par le couple (IDQ, VDQ). La détermination mathématique des cordonnés de ce point nécessite la recherche de la solution VD qui s’satisfait l’équation         = − T D D V V Is R V U exp cette détermination n’est pas toujours facile et aussi la valeur de IS n’est pas toujours connue avec précision. Donc le recours à un modèle simplifié facilite la tache 5.4. Modelés d’une diode Figure 8 Modèles d’une Diode uploads/Ingenierie_Lourd/ ch1-electronique-pdf.pdf