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Diodes Zener ou diodes avalanche

Figure 1 : Symbole de la diode Zener dans un circuit électrique.

Symbole de la diode Zener dans un circuit électrique.

Figure 1 : Symbole de la diode Zener dans un circuit électrique.

Dans la figure 1 se retrouve le symbole d’une diode Zener. Dans ce cas, la direction du flux dans la diode est dans le sens de la flèche (triangle), soit l’inverse d’une diode ordinaire de type jonction pn. Ceci indique que ce type de diode est utilisé en polarisation inverse et donc qu’elle utilise le courant des charges minoritaires. Une diode Zener est ainsi une diode à semi-conducteurs qui présente pour de faibles tensions inverses (en général de -5 V à -20 V) un phénomène de claquage par avalanche qui n'est pas destructif.

zone
désertée
Barrière
originale
Courant
depletion
désertée
original
barrier

Figure 2 : Les effets de la polarisation sur la zone désertée de la jonction PN.

zone
désertée
Barrière
originale
Courant
zone
désertée
Barrière
originale

Figure 2 : Les effets de la polarisation sur la zone désertée de la jonction PN.

Lorsqu’une diode pn est en polarisation inverse, les porteurs majoritaires (les trous dans le type p et les électrons dans le type n) s’éloignent de la jonction. La zone désertée, ou barrière, s’élargie comme dans la figure 2 et le courant direct à travers la barrière est rendu très difficile, sinon impossible. Cependant, les porteurs minoritaires permettent un très faible courant presque constant jusqu’à ce que la tension de claquage soit atteinte. Lorsque cela se produit, le courant inverse augmente rapidement, même avec une faible augmentation de polarisation inverse.

Toutes les diodes ont une tension de claquage mais seules certaines peuvent le faire sans être endommagées et la diode Zener est spécialement conçue pour utiliser ce phénomène. Les diodes de Zener existent en plusieurs configurations, selon l’usage prévu, mais la plus populaire est celle pour les régulateurs de tension. Une fois la tension de claquage est atteinte, le voltage à travers la diode est constant quelque soit la tension externe. Elles gardent donc une tension constante dans la résistance de charge ce qui les rend idéales comme régulatrices de tension. Elles se retrouvent dans presque tous les circuits à semi-conducteurs de performance.

Principe
bande de conduction
matériau de type p
bande de conduction
matériau de type n
bande
interdite
bande de
valence
bande de
valence

Figure 3 : Diagramme montrant les bandes d’énergie dans une diode Zener.

bande de conduction
matériau de type p
bande de conduction
matériau de type n
bande
interdite
bande de
valence
bande de
valence

Figure 3 : Diagramme montrant les bandes d’énergie dans une diode Zener.

Il y a deux explications distinctes pour le comportement de la jonction PN durant le claquage: l’effet Zener et l’effet d’avalanche. Bien que les deux soient totalement différentes, et que l’effet d’avalanche soit prévalent, le nom consacré de ces diodes est le plus souvent diode Zener.

L’effet Zener, proposé par le docteur Carl Zener en 1984, est un effet de tunnel quantique qui permet aux porteurs de franchir la barrière de potentiel même si leur énergie est inférieure à l'énergie minimale requise pour franchir celle-ci. Il peut être dû au recoupement des bandes d’énergies de conduction et de valence dans le semi-conducteur.

La figure 3 montre ces bandes qui sont naturellement à différentes énergies dans les semi-conducteurs de type p et n. Cependant, la polarisation inverse de la bande de valence dans le matériau p permet un recoupement d’énergie avec la bande de conduction dans le matériau n. Ainsi un électron de valence du type p peut passer directement dans la bande de conduction du type n à la jonction, sans ajout d’énergie, par la très mince bande d’énergie commune : c’est l’effet tunnel. Lorsque le seuil de claquage est atteint à la jonction pn, un grand nombre de porteurs minoritaires traversent alors celle-ci en passant par le « tunnel ». Ce phénomène ne se produit que si la diode est très fortement dopée et pour des tensions de claquage de moins de 5 volts.

zone
désertée
Barrière
originale

Figure 4 : Multiplication par avalanche.

zone
désertée
Barrière
originale

Figure 4 : Multiplication par avalanche.

L’effet d’avalanche se produit lui pour une polarisation inverse en général de plus de 5 volts. Le type de diode qui fonctionne à ces seuils comporte une zone désertée délibérément plus mince qu’une jonction pn normale mais plus épaisse que dans le cas d’une diode à effet Zener, l’augmentation de l’épaisseur étant obtenue en diminuant le dopage. La tension de claquage est alors plus grande à cause de la résistivité accrue du matériau. En contrôlant le dopage, il est possible de produire des diodes à avalanche qui auront un seuil variant de 2 à 200 volts.

Diagram of a Zener diode

Figure 5 : Diagramme polarisation versus courant dans une diode Zener

Dans ce type de diode, dans la zone désertée de la jonction PN tout apport de chaleur crée des paires électrons-trous. Le courant de fuite qui s’en suit est dû aux électrons porteurs minoritaires qui accélèrent sous le potentiel électrique de la barrière. En augmentant la polarisation inverse, la tension atteint un niveau critique au-delà duquel un claquage se produit. L’énergie thermique acquise par les électrons minoritaires est alors suffisante pour briser les liens de covalence dans les atomes de la matrice du cristal qu’ils rencontrent. Les électrons éjectés sont accélérés par le champ électrostatique et frappent d’autres atomes, relâchant une nouvelle vague d’électrons. Cet effet multiplicatif, illustré dans la figure 4, est appelé un effet d’avalanche.

Pour une polarisation inverse supérieure au seuil de claquage UD, l’avalanche relâche un nombre presque illimité de porteurs et la diode devient un court-circuit. Le courant dans la zone désertée n’est limité alors que par une série de résistances externes mises en série. Utiliser une telle diode au-delà de son seuil de claquage ne l’endommage pas en autant que le taux de dissipation de chaleur (puissance) ne dépasse pas les caractéristiques de la diode. En coupant la polarisation inverse, les porteurs retournent à leur niveau normal énergétique et à leur vitesse initiale.