L’effet décrit dans le tutoriel précédent est obtenu sans qu’aucune tension externe ne soit appliquée à la jonction PN réelle, ce qui fait que la jonction est dans un état d’équilibre.
Cependant, si nous devions faire des connexions électriques aux extrémités des matériaux de type N et de type P, puis les connecter à une source de batterie, une source d’énergie supplémentaire existe maintenant pour surmonter la barrière de potentiel.
L’effet de l’ajout de cette source d’énergie supplémentaire fait que les électrons libres peuvent traverser la région de déplétion d’un côté à l’autre. Le comportement de la jonction PN par rapport à la largeur de la barrière de potentiel produit un dispositif conducteur asymétrique à deux bornes, mieux connu sous le nom de diode à jonction PN.
Une diode à jonction PN est l’un des dispositifs semi-conducteurs les plus simples qui soient, et qui a pour caractéristique de faire passer le courant dans un seul sens. Cependant, contrairement à une résistance, une diode ne se comporte pas linéairement par rapport à la tension appliquée, car la diode a une relation exponentielle courant-tension ( I-V ) et donc nous ne pouvons pas décrire son fonctionnement en utilisant simplement une équation comme la loi d’Ohm.
Si une tension positive appropriée (polarisation directe) est appliquée entre les deux extrémités de la jonction PN, elle peut fournir aux électrons libres et aux trous l’énergie supplémentaire dont ils ont besoin pour traverser la jonction, car la largeur de la couche d’appauvrissement autour de la jonction PN diminue.
En appliquant une tension négative (polarisation inverse), les charges libres sont éloignées de la jonction, ce qui entraîne une augmentation de la largeur de la couche d’appauvrissement. Cela a pour effet d’augmenter ou de diminuer la résistance effective de la jonction elle-même permettant ou bloquant le flux de courant à travers la jonction pn des diodes.
Puis la couche de déplétion s’élargit avec une augmentation de l’application d’une tension inverse et se rétrécit avec une augmentation de l’application d’une tension directe. Cela est dû aux différences de propriétés électriques des deux côtés de la jonction PN, ce qui entraîne des changements physiques qui ont lieu. L’un des résultats est la rectification, comme le montrent les caractéristiques statiques I-V (courant-tension) des diodes à jonction PN. La rectification est montrée par un flux de courant asymétrique lorsque la polarité de la tension de polarisation est modifiée comme indiqué ci-dessous.
Symbole de la diode à jonction et caractéristiques I-V statiques
Mais avant de pouvoir utiliser la jonction PN comme un dispositif pratique ou comme un dispositif de rectification, nous devons d’abord polariser la jonction, c’est-à-dire connecter un potentiel de tension à travers elle. Sur l’axe de tension ci-dessus, la « polarisation inverse » fait référence à un potentiel de tension externe qui augmente la barrière de potentiel. Une tension externe qui diminue la barrière de potentiel est dite agir dans le sens « Forward Bias ».
Il existe deux régions de fonctionnement et trois conditions de « polarisation » possibles pour la diode à jonction standard et ce sont :
- 1. Biais zéro – Aucun potentiel de tension externe n’est appliqué à la diode à jonction PN.
- 2. Biais inverse – Le potentiel de tension est connecté négativement, (-ve) au matériau de type P et positivement, (+ve) au matériau de type N à travers la diode, ce qui a pour effet d’augmenter la largeur de la diode à jonction PN.
- 3. Biais avant – Le potentiel de tension est connecté positivement, (+ve) au matériau de type P et négativement, (-ve) au matériau de type N à travers la diode qui a pour effet de Diminuer la largeur des diodes à jonction PN.
Diode à jonction à polarisation nulle
Lorsqu’une diode est connectée dans une condition de polarisation nulle, aucune énergie potentielle externe n’est appliquée à la jonction PN. Cependant, si les bornes des diodes sont court-circuitées, quelques trous (porteurs majoritaires) dans le matériau de type P avec suffisamment d’énergie pour surmonter la barrière de potentiel se déplaceront à travers la jonction contre ce potentiel de barrière. Ce phénomène est connu sous le nom de « courant avant » et est référencé comme IF
De même, les trous générés dans le matériau de type N (porteurs minoritaires), trouvent cette situation favorable et traversent la jonction dans la direction opposée. Ce phénomène est connu sous le nom de « courant inverse » et est référencé comme IR. Ce transfert d’électrons et de trous dans les deux sens à travers la jonction PN est connu sous le nom de diffusion, comme indiqué ci-dessous.
Diode à jonction PN à polarisation nulle
La barrière de potentiel qui existe maintenant décourage la diffusion de tout autre porteur majoritaire à travers la jonction. Cependant, la barrière de potentiel aide les porteurs minoritaires (quelques électrons libres dans la région P et quelques trous dans la région N) à dériver à travers la jonction.
Alors un « Equilibre » ou balance sera établi lorsque les porteurs majoritaires sont égaux et se déplacent tous deux dans des directions opposées, de sorte que le résultat net est un courant nul circulant dans le circuit. Lorsque cela se produit, on dit que la jonction est dans un état d' »Equilibre dynamique ».
Les porteurs minoritaires sont constamment générés en raison de l’énergie thermique, donc cet état d’équilibre peut être rompu en augmentant la température de la jonction PN provoquant une augmentation de la génération de porteurs minoritaires, ce qui entraîne une augmentation du courant de fuite, mais un courant électrique ne peut pas circuler car aucun circuit n’a été connecté à la jonction PN.
Diode à jonction PN à polarisation inverse
Lorsqu’une diode est connectée dans un état de polarisation inverse, une tension positive est appliquée au matériau de type N et une tension négative est appliquée au matériau de type P.
La tension positive appliquée au matériau de type N attire les électrons vers l’électrode positive et les éloigne de la jonction, tandis que les trous dans l’extrémité de type P sont également attirés loin de la jonction vers l’électrode négative.
Le résultat net est que la couche d’appauvrissement s’élargit en raison d’un manque d’électrons et de trous et présente un chemin à haute impédance, presque un isolant et une barrière de potentiel élevée est créée à travers la jonction, empêchant ainsi le courant de circuler à travers le matériau semi-conducteur.
Augmentation de la couche de déplétion due à la polarisation inverse
Cette condition représente une valeur de résistance élevée à la jonction PN et pratiquement aucun courant ne circule à travers la diode de jonction avec une augmentation de la tension de polarisation. Cependant, un très petit courant de fuite inverse circule à travers la jonction qui peut normalement être mesuré en micro-ampères, ( μA ).
Un dernier point, si la tension de polarisation inverse Vr appliquée à la diode est augmentée à une valeur suffisamment élevée, elle provoquera une surchauffe et une défaillance de la jonction PN de la diode en raison de l’effet d’avalanche autour de la jonction. Cela peut provoquer un court-circuit de la diode et entraînera le passage d’un courant de circuit maximal, ce qui est illustré par une pente descendante en escalier dans la courbe des caractéristiques statiques inverses ci-dessous.
Courbe de caractéristiques inverses pour une diode à jonction
Parfois, cet effet d’avalanche a des applications pratiques dans les circuits de stabilisation de tension où une résistance de limitation en série est utilisée avec la diode pour limiter ce courant de claquage inverse à une valeur maximale prédéfinie, produisant ainsi une sortie de tension fixe aux bornes de la diode. Ces types de diodes sont communément connus sous le nom de diodes Zener et sont abordés dans un tutoriel ultérieur.
Diode à jonction PN polarisée en sens direct
Lorsqu’une diode est connectée dans une condition de polarisation en sens direct, une tension négative est appliquée au matériau de type N et une tension positive est appliquée au matériau de type P. Si cette tension externe devient supérieure à la valeur de la barrière de potentiel, environ 0,7 volt pour le silicium et 0,3 volt pour le germanium, l’opposition des barrières de potentiel sera surmontée et le courant commencera à circuler.
C’est parce que la tension négative pousse ou repousse les électrons vers la jonction en leur donnant l’énergie pour traverser et se combiner avec les trous poussés dans la direction opposée vers la jonction par la tension positive. Il en résulte une courbe caractéristique de courant nul circulant jusqu’à ce point de tension, appelé le « genou » sur les courbes statiques, puis un courant élevé circulant dans la diode avec une faible augmentation de la tension externe, comme indiqué ci-dessous.
Courbe de caractéristiques avant pour une diode à jonction
L’application d’une tension de polarisation avant sur la diode à jonction a pour conséquence que la couche de déplétion devient très mince et étroite, ce qui représente un chemin de faible impédance à travers la jonction permettant ainsi à des courants élevés de circuler. Le point auquel cette augmentation soudaine du courant a lieu est représenté sur la courbe des caractéristiques I-V statiques ci-dessus comme le point de « genou ».
Réduction de la couche de déplétion due à la polarisation directe
Cette condition représente le chemin de faible résistance à travers la jonction PN permettant à de très grands courants de circuler à travers la diode avec seulement une petite augmentation de la tension de polarisation. La différence de potentiel réelle à travers la jonction ou la diode est maintenue constante par l’action de la couche de déplétion à environ 0,3v pour le germanium et environ 0,7v pour les diodes à jonction en silicium.
Puisque la diode peut conduire un courant « infini » au-dessus de ce point de genou car elle devient effectivement un court-circuit, des résistances sont donc utilisées en série avec la diode pour limiter son flux de courant. Le dépassement de sa spécification maximale de courant direct fait que le dispositif dissipe plus de puissance sous forme de chaleur qu’il n’a été conçu pour, ce qui entraîne une défaillance très rapide du dispositif.
Résumé de la diode à jonction
La région de jonction PN d’une diode à jonction présente les caractéristiques importantes suivantes :
- Les semi-conducteurs contiennent deux types de porteurs de charge mobiles, les « trous » et les « électrons ».
- Les trous sont chargés positivement tandis que les électrons sont chargés négativement.
- Un semi-conducteur peut être dopé avec des impuretés donneuses comme l’Antimoine (dopage de type N), de sorte qu’il contient des charges mobiles qui sont principalement des électrons.
- Un semi-conducteur peut être dopé avec des impuretés acceptrices telles que le Bore (dopage de type P), de sorte qu’il contient des charges mobiles qui sont principalement des trous.
- La région de jonction elle-même n’a pas de porteurs de charge et est connue comme la région d’appauvrissement.
- La région de jonction (déplétion) a une épaisseur physique qui varie avec la tension appliquée.
- Lorsqu’une diode est à polarisation nulle, aucune source d’énergie externe n’est appliquée et une barrière de potentiel naturelle est développée à travers une couche de déplétion qui est approximativement de 0.5 à 0,7 V pour les diodes au silicium et environ 0,3 de volt pour les diodes au germanium.
- Lorsqu’une diode de jonction est polarisée en avant, l’épaisseur de la région de déplétion diminue et la diode agit comme un court-circuit permettant au courant de plein circuit de circuler.
- Lorsqu’une diode de jonction est polarisée en arrière, l’épaisseur de la région de déplétion augmente et la diode agit comme un circuit ouvert bloquant toute circulation de courant, (seul un très petit courant de fuite circulera).
Nous avons également vu ci-dessus que la diode est un dispositif non linéaire à deux bornes dont les caractéristiques I-V dépendent de la polarité car selon la polarité de la tension appliquée, VD, la diode est soit en polarisation directe, VD > 0, soit en polarisation inverse, VD < 0. D’une manière ou d’une autre, nous pouvons modéliser ces caractéristiques courant-tension à la fois pour une diode idéale et pour une diode en silicium réelle, comme indiqué :
Diode à jonction Caractéristiques idéales et réelles
Dans le prochain tutoriel sur les diodes, nous examinerons la diode à petit signal parfois appelée diode de commutation qui est utilisée dans les circuits électroniques généraux. Comme son nom l’indique, la diode de signal est conçue pour des applications de signaux à basse tension ou à haute fréquence, comme dans les circuits de commutation radio ou numériques.
Les diodes de signal, comme la 1N4148, ne laissent passer que de très petits courants électriques, contrairement aux diodes de redressement du secteur à fort courant dans lesquelles les diodes au silicium sont généralement utilisées. Aussi, dans le prochain tutoriel, nous examinerons la courbe et les paramètres des caractéristiques statiques courant-tension de la diode Signal.
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