Cours d'électronique analogique. Première année GEII de l'IUT de l'Indre. Diodes.

1. 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
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

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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.
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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.
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ID
Er8 8
9
V
9
10
10
11
11
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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)
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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 :
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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 :
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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.
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Extrait de la documentation
d’une diode de signal 1N4148
HF = Hautes Fréquences