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Jonction PN (diode à semi-conducteur)

Figure 1 : Diode à jonction pn.

Diode à jonction pn

Figure 1 : Diode à jonction pn.

Si on joint un semi-conducteur de type n avec un autre de type p, on obtient une jonction pn extrêmement utile dans des composantes électronique comme les diodes rectificatrices. En effet, la jonction permet de déterminer le sens de passage du courant et la diode ne laisse alors passer que la partie positive d’un courant alternatif (CA) pour donner un courant direct (CC). Dans la figure 1, il y a à droite une diode et à gauche sa représentation symbolique dans un circuit électrique. La barre horizontale représente la cathode (matériau de type n) qui est la source des électrons. Le triangle représente l’anode (matériau de type p) qui est la destination des électrons. CR1 est un code alphanumérique pour identifier la diode (Cristal rectifier 1). Le courant à l’extérieure de la diode va dans le sens du triangle mais il est l’inverse dans la diode elle-même.

Barrière à la jonction

Même si le semi-conducteur de type n a un surplus d’électrons de valence, il est quand même neutre car les atomes donneurs deviennent positifs quand leur électron de trop quitte la couche de covalence (il y a un surplus de protons par rapport aux électrons dans l’atome). Par conséquent, pour chaque électron libre dans le matériau de type n, il y a un atome de charge positif pour contrebalancer et la charge totale est donc nulle.

zone de
charge
d’espace

Figure 2 : Jonction pn
a) distribution des porteurs de charge avant la diffusion ;
b) distribution des porteurs de charge après la diffusion ;
c) barrière à la jonction ;
d) distribution des charges à la barrière.

stromloser pn Übergang
zone de
charge
d’espace

Figure 2 : Jonction pn
a) distribution des porteurs de charge avant la diffusion ;
b) distribution des porteurs de charge après la diffusion ;
c) barrière à la jonction ;
d) distribution des charges à la barrière.

De la même façon, le matériau de type p est neutre parce que l’excès des charge positives des trous est compensés par des atomes ionisés négativement. Les électrons et les trous peuvent se mouvoir librement dans le matériau car ils ne sont liés que faiblement mais la charge totale de celui-ci reste nulle.

À première vue, en joignant un cristal de type p avec un autre de type n, tous les trous et les électrons devraient migrer spontanément d’un matériau à l’autre pour s’annuler mais ce n’est pas le cas. Le processus se passe en deux temps :

  1. Les électrons venant du type n diffusent dans le type p près de la jonction, comblant les trous de covalence (du germanium par exemple) mais ce faisant ils deviennent en surplus par rapport aux atomes des impuretés (ex. indium) ce qui donne des ions négatifs. De même, les trous migrent du type p vers le type n où ils équilibrent les liaisons de covalences en trop mais créent des ions positifs aux impuretés. Ce transfert des trous et des électrons d’un matériau à l’autre (jonction de recombinaison) réduit le nombre d’électrons libres jusqu’à une certaine distance de la jonction et cette zone est appelée la région désertée, de déplétion ou de charge d’espace.
  2. Les ions positifs formés dans le matériau de type n et les ions négatifs dans le type p ne peuvent bouger car ils sont pris dans le réseau cristallin. Une région de charges fixes s’établit donc de part et d’autres de la jonction comme montré dans la figure 2. La charge électrostatique à travers la jonction est de sens inverse au courant de recombinaison. La diffusion des électrons du type n et des trous du type p est donc ralentie par ce champ et cesse quand le champ devient égal à l’attraction de recombinaison à travers la barrière. Le champ électrostatique créé par les ions positifs et négatifs est appelé la barrière.

La diffusion et la formation de la barrière se fait presque immédiatement dès que les matériaux p et n sont joints. La zone de barrière est plus ou moins large selon les matériaux mais c’est la seule affectée, le reste des deux matériaux demeure neutre.


Polarisation directe
zone
désertée
barrière
originale
courant

Figure 3 : Polarisation directe.

Durchlasspolung
zone
désertée
barrière
originale
courant

Figure 3 : Polarisation directe.

Une tension électrique externe est appliqué à une jonction pn est appelée polarisation. Par exemple, une pile peut être reliée à une borne de chaque côté de la jonction avec une direction du voltage opposée au champ électrostatique de la barrière. Ce type de tension est appelé polarisation directe.

La borne positive connectée du côté p repousse les trous vers la jonction où ils neutralisent certains ions négatifs. Au même moment, la borne négative du côté n repousse les électrons vers la barrière où ils neutralisent des ions positifs. Comme il y a moins d’atomes ionisés de part et d’autre de la jonction, le champ électrostatique diminue et la largeur de la zone de barrière fait de même ce qui permet à plus de porteurs majoritaires de traverser la jonction.

Le courant électrique passant dans le semi-conducteur avec une polarisation directe de jonction pn est relativement simple ensuite :

  1. Les électrons quitte la borne négative de la pile et se dirigent vers le matériau de type n où ils se mêlent aux porteurs majoritaires qui se dirigent vers la jonction ;
  2. Comme la barrière a été affaiblie, ils passeront dans le matériau de type p, à travers la zone déserte ;
  3. Les électrons perdent une partie de leur énergie en luttant contre la barrière et comblent des trous dans le matériau de type p ;
  4. De manière similaires, des trous sont produits lorsque des électrons du matériau p quittent par la borne positive ;
  5. Ces trous se dirigent vers la jonction où ils se combinent avec des électrons. Ceux-ci laissent des trous dans le matériau de type n qui finalement atteindront la borne négative.

Il est important de se rappeler qu’en augmentant la tension de polarisation, le nombre de porteurs majoritaires fait de même ce qui augmente le courant traversant le semi-conducteur. Lorsque tension atteint un niveau où la barrière devient presque inexistante, le flux devient énorme. Comme la chaleur dégagée est proportionnelle au courant, passé ce seuil, le semi-conducteur subit des dommages.

zone désertée
barrière
originale

Figure 4 : Jonction pn en polarisation inverse.

Jonction pn en polarisation inverse
zone désertée
barrière
originale

Figure 4 : Jonction pn en polarisation inverse.

Polarisation inverse

Si les bornes de la pile sont inversées, cela a l’effet inverse d’augmenter la largeur de la barrière et donc de lutter contre le courant à travers celle-ci. C’est ce qui s’appelle la polarisation inverse.

Si les bornes de la pile sont inversées, cela a l’effet inverse d’augmenter la largeur de la barrière et donc de lutter contre le courant à travers celle-ci. C’est ce qui s’appelle la polarisation inverse.

Figure 5 : Graphique tension versus courant d’une diode au germanium.

Graphique tension versus courant d’une diode au germanium.

Figure 5 : Graphique tension versus courant d’une diode au germanium.

Ce courant est dit minoritaire parce qu’il est généré par le mouvement des porteurs minoritaires. Il ne se forme pas à cause d’ajout d’impuretés aux cristaux mais seulement par l’arrachement d’électrons à leur bande de valence. À température ambiante normale, ce courant très faible et peut être négligé.

En résumé, une diode à jonction pn laisse facilement passer le courant électrique en polarisation directe à partir d’une tension seuil qui rétrécit suffisamment la barrière alors qu’en polarisation inverse, le courant est à toute fin utile bloqué. La figure 5 montre le courant passant dans une diode typique au germanium versus la tension de polarisation.

Vous remarquerez que lorsque la polarisation est directe (à droite) le courant augmente exponentiellement à partir de la tension seuil. Par contre, le courant des porteurs minoritaires avec une polarisation inverse (à gauche) est 1 000 fois plus faible (micro au lieu de milliampères), plafonne rapidement et dépend de la température ambiante.


Production de la jonction

Figure 6 : Différentes méthodes de produire une jonction pn
a) Par ensemencement ;
b) Thermo fixé ;
c) À pointe.

Différentes méthodes de produire une jonction pn

Figure 6 : Différentes méthodes de produire une jonction pn
a) Par ensemencement ;
b) Thermo fixé ;
c) À pointe.

Il existe différentes façons de former une jonction pn. L’une d’elle est d’ajouter des impuretés de type p et de type n à des endroits différents durant la formation du cristal. La région p se développe sur une partie du semi-conducteur et la région n sur une autre. C’est ce qui s’appelle une jonction par ensemencement. Une autre manière est faire fondre un type d’impuretés dans le semi-conducteur qui a déjà des impuretés de l’autre type. Par exemple, une pastille de matériau récepteur sera placé sur une gaufre de germanium dopée de types n et chauffée. En contrôlant la température de fonte, les nouvelles impuretés entre dans la gaufre pour former une zone de type p. Ce type de jonction est appelé jonction d’alliage ou jonction d’alliage thermo fixé. Il s’agit du processus le plus couramment utilisé.

La diode à pointe est produite par le contact d’un mince fil métallique à la surface dans un semi-conducteur de type n. En appliquant momentanément un courant de haute tension entre le fil et le semi-conducteur, il y a échauffement du matériau au point de contact qui transforme ce secteur en matériau de type p par arrachement d’électrons ce qui créent des ions positifs dans le matériau.