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Diode tunnel

Symbole d’une diode tunnel

Figure 1 : Symbole d’une diode tunnel.

Une jonction normale utilise des semi-conducteurs faiblement dopés, un atome d’impureté par 10 millions d’atomes, ce qui donne une assez large région désertée. La conduction dans une diode formée par une telle jonction PN se produit seulement quand la polarisation directe atteint un seuil déterminé permettant de vaincre le potentiel électrostatique de la barrière. En 1958, le physicien japonais Leo Esaki découvrit que la jonction des semi-conducteurs fortement dopés permettra d’éliminer ce seuil et en plus aura une région de résistance négative.

Région de
résistance négative

Figure 2 : Caractéristiques électriques d’une diode tunnel

Région de
résistance négative
Pic
Vallée

Figure 2 : Caractéristiques électriques d’une diode tunnel
(Suivre la ligne rouge pour des informations supplémentaires)

Dans une diode tunnel, les matériaux de la jonction sont dopés à 1 000 impuretés pour 10 millions d’atomes. Ce fort dopage produit une très mince zone désertée très similaire à celle d’une diode Zener. À cause de cela, la diode tunnel a une courbe courant versus tension de polarisation très inhabituelle comme on peut le constater dans la figure 2. Les trois caractéristiques principales de cette courbe sont :

  1. Le courant en polarisation directe augmente à partir d’une tension nulle jusqu’à un pic (IP) pour une tension relativement faible ;
  2. Par la suite, le courant diminue, même si la tension augmente, jusqu’à un minimum relatif appelé vallée (IV) ;
  3. Finalement, le courant recommence à augmenter si la polarisation augmente.

La zone entre IP et IV est appelée région de résistance négative car elle agit comme si la résistance diminuait avec l’augmentation de la tension. Pour expliquer ce phénomène, il faut se référer à l’effet Zener mentionné dans le module précédent.

Bande de conduction
Matériau de type p
Bande de conduction
Matériau de type n
Bande
interdite
Bande
interdite
Band de valence
Band de valence

Figure 3 : Diagramme des niveaux d’énergie dans une diode tunnel non polarisée.

Bande de conduction
Matériau de type p
Bande de conduction
Matériau de type n
Bande
interdite
Bande
interdite
Band de valence
Band de valence

Figure 3 : Diagramme des niveaux d’énergie dans une diode tunnel non polarisée.

Selon la théorie quantique, l’effet tunnel est le passage d’un électron à travers la jonction pn même s’il n’a pas l’énergie nécessaire pour la traverser. Cette contradiction s’explique par le fait que dans un semi-conducteur fortement dopé, la zone désertée est infinitésimale, de l’ordre du nanomètre, ce qui rend les niveaux d’énergie décalés des atomes dans les matériaux de type p et n pratiquement voisins à la barrière.

La figure 3 montre que les niveaux covalents des atomes dans le type p partagent une bande énergétique avec les niveaux de conduction dans le type n. À la jonction, ces deux type sont pratiquement en contact et les électrons peuvent donc passer d’un atome du côté n à un autre du côté p, et vise-et-versa pour les trous. Sans polarisation externe, les échanges de part et d’autre dus à l’excitation thermique arrivent à un équilibre presque instantanément et aucun courant ne s’établit dans le semi-conducteur.

Bande de conduction
Matériau de type p
Bande de conduction
Matériau de type n
Bande
interdite
Bande
interdite
Band de valence
Band de valence

Figure 4 : Même diagramme mais avec une polarisation de 200 millivolts appliquée à la diode tunnel.

Bande de conduction
Matériau de type p
Bande de conduction
Matériau de type n
Bande
interdite
Bande
interdite
Band de valence
Band de valence

Figure 4 : Même diagramme mais avec une polarisation de 200 millivolts appliquée à la diode tunnel.

La figure 4 montre la même diode tunnel mais avec une polarisation directe de 200 millivolts. Dans ce cas, la tension externe force certains électrons à traverser de la bande de conduction du type n à la bande covalence du type p par la zone où les deux types ont un « tunnel » d’énergie égale. La polarisation fait ensuite se déplacer les porteurs dans le semi-conducteur.

Bande de conduction
Matériau de type p
Bande de conduction
Matériau de type n
Bande
interdite
Bande interdite
Band de valence
Band de valence

Figure 5 : Polarisation de 450 millivolts appliquée à une diode tunnel.

Bande de conduction
Matériau de type p
Bande de conduction
Matériau de type n
Bande
interdite
Bande interdite
Band de valence
Band de valence

Figure 5 : Polarisation de 450 millivolts appliquée à une diode tunnel.

À faible augmentation de tension, le courant sera proportionnel à la tension car il y a un réservoir important de « trous » pouvant être comblés pour toute la largeur de la bande énergétique du « tunnel » dans la bande de valence du type p. Ceci donne le courant proportionnel à la tension de la portion A de la figure 2. Cependant, après avoir atteint un pic de courant, les niveaux énergétiques les plus bas de la bande de valence seront remplis, ne laissant que les niveaux plus élevés disponibles. En conséquence, la « hauteur du tunnel » diminuera graduellement ensuite à mesure que la tension augmente.

La portion B de la figure 2 montre la décroissance du courant qui se produit quand la zone de recoupement diminue entre les figures 4 et 5, à mesure que la tension de polarisation augmente. On passe ainsi d’un pic à une vallée dans le diagramme parce que le nombre d’électrons ayant l’énergie correspondant aux dimensions du tunnel diminue au fur et à mesure que la zone de recoupement diminue. Cette zone est appelé la région de « résistance négative ».

Dans la figure 5, la polarisation est rehaussée à 450 millivolts et il n’y a plus de recoupement des bandes de covalence et de conduction à la jonction. En augmentant alors la polarisation directe sur la diode tunnel, on arrive au comportement d’une diode normale à la jonction pn où les électrons doivent vaincre la bande interdite pour atteindre la couche de conduction. Le courant augmente proportionnellement ensuite à la tension de polarisation.

Utilisations

La région de résistance négative est la plus importante caractéristique d’une diode tunnel. En utilisant une polarisation directe entre le pic et la vallée, la diode peut devenir un oscillateur ou un amplificateur dans une grande variété de fréquences et d’applications. L’utilisation à très haute fréquence permet une très faible distorsion du signal car le passage dans le « tunnel » est quasi-instantané. Ces diodes sont donc utilisées très fréquemment dans les circuits interrupteurs à haute vitesse.