La jonction P-N

Si un bloc de semi-conducteur de type P est placé en contact avec un bloc de semi-conducteur de type N sur la figure ci-dessous (a), le résultat est sans valeur. Nous avons deux blocs conducteurs en contact l'un avec l'autre, ne présentant aucune propriété unique. Le problème réside dans deux corps cristallins séparés et distincts. Le nombre d'électrons est équilibré par le nombre de protons dans les deux blocs. Ainsi, aucun bloc n'a de charge nette.

Cependant, un monocristal semi-conducteur fabriqué avec un matériau de type P à une extrémité et un matériau de type N à l'autre dans la figure ci-dessous (b) a des propriétés uniques. Le matériau de type P a des porteurs de charge majoritaires positifs, des trous, qui sont libres de se déplacer sur le réseau cristallin. Le matériau de type N possède des porteurs majoritaires négatifs mobiles, les électrons. Près de la jonction, les électrons du matériau de type N diffusent à travers la jonction, se combinant avec des trous dans le matériau de type P. La région du matériau de type P près de la jonction prend une charge négative nette à cause des électrons attirés. Depuis que les électrons ont quitté la région de type N, il prend une charge positive localisée. La fine couche du réseau cristallin entre ces charges a été appauvrie en porteurs majoritaires, elle est donc connue sous le nom de région d'appauvrissement . Il devient un matériau semi-conducteur intrinsèque non conducteur. En effet, nous avons quasiment un isolant séparant les régions conductrices dopées P et N.

(a) Les blocs de semi-conducteur P et N en contact n'ont pas de propriétés exploitables. (b) Un monocristal dopé avec des impuretés de type P et N développe une barrière potentielle.

Cette séparation de charges à la jonction PN constitue une barrière de potentiel. Cette barrière de potentiel doit être surmontée par une source de tension externe pour rendre la jonction conductrice. La formation de la jonction et de la barrière potentielle se produit pendant le processus de fabrication. L'ampleur de la barrière potentielle est fonction des matériaux utilisés dans la fabrication. Les jonctions silicium PN ont une barrière potentielle plus élevée que les jonctions germanium.

Biais de jonction PN

Dans la figure ci-dessous (a), la batterie est agencée de manière à ce que la borne négative fournisse des électrons au matériau de type N. Ces électrons diffusent vers la jonction. La borne positive retire les électrons du semi-conducteur de type P, créant des trous qui diffusent vers la jonction. Si la tension de la batterie est suffisamment élevée pour surmonter le potentiel de jonction (0,6 V dans Si), les électrons de type N et les trous P se combinent pour s'annihiler. Cela libère de l'espace dans le réseau pour que davantage de porteurs s'écoulent vers la jonction. Ainsi, des courants de porteurs majoritaires de type N et de type P circulent vers la jonction. La recombinaison au niveau de la jonction permet au courant de la batterie de traverser la diode de jonction PN. Une telle jonction est dite forward-biased .

(a) La polarisation directe de la batterie repousse les porteurs vers la jonction, où la recombinaison entraîne le courant de la batterie. (b) La polarisation inversée de la batterie attire les porteurs vers les bornes de la batterie, loin de la jonction. L'épaisseur de la région d'appauvrissement augmente. Aucun courant de batterie soutenu ne circule.

Si la polarité de la batterie est inversée comme dans la figure ci-dessus (b), les porteurs majoritaires sont attirés loin de la jonction vers les bornes de la batterie. La borne positive de la batterie attire les porteurs majoritaires de type N, les électrons, loin de la jonction. La borne négative attire les porteurs majoritaires de type P, les trous, loin de la jonction. Cela augmente l'épaisseur de la région d'appauvrissement non conductrice. Il n'y a pas de recombinaison de porteurs majoritaires; donc pas de conduction. Cet arrangement de polarité de la batterie est appelé biais inverse .

Diode

Le symbole schématique de la diode est illustré sur la figure ci-dessous (b) correspondant à la barre semi-conductrice dopée en (a). La diode est une unidirectionnelle appareil. Le courant ne circule que dans un sens, le long de la flèche, correspondant à la polarisation directe. La cathode, barre, du symbole de la diode, correspond à un semi-conducteur de type N. L'anode, flèche, correspond au semi-conducteur de type P. Pour se souvenir de cette relation, N le pointage ot (barre) sur le symbole correspond à N -type semi-conducteur. P l'onction (flèche) correspond à P -taper.

(a) Jonction PN polarisée en direct, (b) Symbole schématique de la diode correspondante (c) Diode au silicium I vs courbe caractéristique V.

Si une diode est polarisée en direct comme dans la figure ci-dessus (a), le courant augmentera légèrement à mesure que la tension augmente à partir de 0 V. Dans le cas d'une diode au silicium, un courant mesurable circule lorsque la tension approche 0,6 V dans la figure ci-dessus (c ). Lorsque la tension augmente au-delà de 0,6 V, le courant augmente considérablement après le genou. L'augmentation de la tension bien au-delà de 0,7 V peut entraîner un courant suffisamment élevé pour détruire la diode. La tension directe, VF, est une caractéristique du semi-conducteur :0,6 à 0,7 V pour le silicium, 0,2 V pour le germanium, quelques volts pour les diodes électroluminescentes (LED). Le courant direct va de quelques mA pour les diodes à contact ponctuel à 100 mA pour les diodes de petit signal à des dizaines ou des milliers d'ampères pour les diodes de puissance.

Si la diode est polarisée en inverse, seul le courant de fuite du semi-conducteur intrinsèque circule. Ceci est tracé à gauche de l'origine dans la figure ci-dessus (c). Ce courant n'atteint que 1 µA pour les conditions les plus extrêmes pour les diodes silicium à petit signal. Ce courant n'augmente pas de manière appréciable avec l'augmentation de la polarisation inverse jusqu'à ce que la diode tombe en panne. Au claquage, le courant augmente tellement que la diode sera détruite à moins qu'une résistance série élevée ne limite le courant. Nous sélectionnons normalement une diode avec une tension nominale inverse plus élevée que toute tension appliquée pour éviter cela. Les diodes au silicium sont généralement disponibles avec des valeurs nominales de claquage inversé de 50, 100, 200, 400, 800 V et plus. Il est possible de fabriquer des diodes avec un calibre inférieur de quelques volts pour une utilisation comme étalons de tension.

Nous avons mentionné précédemment que le courant de fuite inverse inférieur au µA pour les diodes au silicium était dû à la conduction du semi-conducteur intrinsèque. C'est la fuite qui peut être expliquée par la théorie. L'énergie thermique produit quelques paires électron-trou, qui conduisent le courant de fuite jusqu'à la recombinaison. En pratique, ce courant prévisible n'est qu'une partie du courant de fuite. Une grande partie du courant de fuite est due à la conduction de surface, liée au manque de propreté de la surface du semi-conducteur. Les deux courants de fuite augmentent avec l'augmentation de la température, approchant le µA pour les petites diodes au silicium.

Pour le germanium, le courant de fuite est de plusieurs ordres de grandeur plus élevé. Étant donné que les semi-conducteurs au germanium sont rarement utilisés aujourd'hui, ce n'est pas un problème dans la pratique.

AVIS :

• Les jonctions PN sont fabriquées à partir d'un morceau de semi-conducteur monocristallin avec à la fois une région de type P et de type N à proximité d'une jonction.
• Le transfert d'électrons du côté N de la jonction vers des trous annihilés du côté P de la jonction produit une tension barrière. C'est 0,6 à 0,7 V dans le silicium et varie avec d'autres semi-conducteurs.
• Une jonction PN polarisée en direct conduit un courant une fois que la tension de barrière est surmontée. Le potentiel externe appliqué force les porteurs majoritaires vers la jonction où la recombinaison a lieu, permettant la circulation du courant.
• Une jonction PN polarisée en inverse ne conduit pratiquement aucun courant. La polarisation inverse appliquée attire les porteurs majoritaires loin de la jonction. Cela augmente l'épaisseur de la région d'appauvrissement non conductrice.
• Les jonctions PN polarisées en inverse présentent un courant de fuite inverse dépendant de la température. C'est moins d'un µA dans les petites diodes au silicium.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Feuille de travail Jonctions PN
• Fiche de travail sur la conduction électrique dans les semi-conducteurs