Créée le, 24/05/2005

 Mise à jour le, 27/07/2015

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L'effet Zener et la Capacité de la Jonction :




 

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4. - L'EFFET ZENER

La figure 9 représente la courbe typique caractéristique d'une diode à jonction. En l'examinant attentivement, on remarque que la courbe passe toujours par les axes, c'est-à-dire qu'en l'absence de tension appliquée aux bornes de la diode, le courant ne passe plus.

 V9

La partie gauche de la caractéristique, correspondant à la polarisation inverse de la diode, montre qu'en augmentant la tension négative appliquée, le courant devient très faible, même si l'on arrive à des tensions de plusieurs volts. En effet, la caractéristique reste toujours à la même distance de l'axe horizontal (figure 9).

Compte tenu de ceci, on peut donc penser que la tension inverse peut augmenter sans limitation puisque le courant, ayant atteint la limite de saturation (correspondant à la concentration des porteurs minoritaires) n'augmente plus. En réalité, le courant n'est constant que jusqu'à un point bien défini de la tension, après quoi il commence à augmenter très rapidement, à tel point que la caractéristique inverse passe de la position presque horizontale à la position verticale (figure 10).

 V10

On constate donc une augmentation considérable des porteurs minoritaires et par conséquent, le courant inverse devient beaucoup plus intense.

On appelle ce phénomène effet ZENER, d'après le nom du savant qui le découvrit et réussit à en donner l'explication.

La tension à laquelle le phénomène se manifeste est dite tension de ZENER (Vz de la figure 10).

Pour expliquer l'effet ZENER, il est nécessaire de rappeler que lorsqu'une diode est polarisée en inverse, nous avons un courant inverse, constitué de porteurs minoritaires, dû à la formation de couples électrons-trous, causée par la rupture des liens existant entre les atomes du semi-conducteur.

La rupture des liens est provoquée par la vibration des atomes sous l'effet de la température. Il existe également d'autres causes susceptibles d'engendrer la formation d'un couple électron-trou.

En étudiant la jonction P.N. nous avons vu qu'à proximité de cette jonction, il se forme une zone de charges libres (zone d'épuisement), à laquelle correspond une différence de potentiel, appelée barrière de potentiel.

Étant donné que cette zone est excessivement mince, le fait d'augmenter la tension de polarisation inverse de la diode provoque une augmentation de la différence de potentiel près de la jonction. Cette augmentation atteint une telle proportion (Vz = tension de ZENER), qu'elle engendre une force capable d'éloigner de leur orbite un grand nombre d'électrons périphériques, appartenant aux atomes se trouvant à proximité de la jonction.

Or, pour chaque électron qui s'éloigne de son orbite, il apparaît un couple électron-trou, donc une augmentation considérable des porteurs minoritaires.

Le courant inverse devient alors relativement intense.

Les diodes conçues pour tirer profit de ce phénomène sont appelées diodes ZENER (figure 11). Dans celles-ci, il existe également un autre phénomène appelé l'effet avalanche.

 V11

L'effet avalanche se produit lorsque les porteurs minoritaires présents à proximité de la jonction s'accélèrent à un point tel, qu'ils heurtent les électrons périphériques des atomes, à une vitesse suffisante pour les détacher de leur orbite.

Les charges libres ainsi obtenues sont accélérées et produisent à leur tour (toujours par chocs) de nouvelles charges et ainsi de suite. Ainsi, le nombre de charges libres augmentent très rapidement, d'où le nom d'effet d'avalanche donné à ce phénomène. 

Les charges rendues libres de cette manière font augmenter le courant dû à l'effet ZENER. Cela signifie que selon la tension de ZENER (Vz), le courant inverse passe très rapidement d'une valeur réduite à une valeur remarquablement élevée.

La figure 12 illustre très bien ce phénomène. Elle représente en effet l'allure de la caractéristique inverse d'une diode ZENER.

Comme on peut le constater, le courant inverse est d'abord si petit (quelques micro-ampères) que la caractéristique se trouve presque sur l'axe horizontal, duquel elle se détache ensuite assez brusquement pour passer pratiquement à l'état vertical. En regardant la partie presque verticale de la caractéristique, tendant à démontrer que la tension reste constante bien que le courant varie dans de larges limites, on comprend que l'on puisse utiliser les diodes ZENER comme stabilisateurs de tension.

V12

En effet, après un dopage approprié des semi-conducteurs, il est possible de faire varier dans de larges limites, la tension pour laquelle on vérifie l'effet zener. Avec de tels procédés, il est possible de fabriquer des diodes ZENER, capables de stabiliser des tensions d'ordre différent, allant de quelques volts jusqu'à plusieurs dizaines de volts.

La figure 13 représente quelques types de diodes ZENER couramment utilisées.

V13 

HAUT DE PAGE 5. - CAPACITÉ DE LA JONCTION 

Une jonction P.N. présente une résistance dépendant du type de polarisation qui lui est appliquée :

- En polarité directe, cette résistance a une valeur faible.

- En polarité inverse, elle est très grande (mis à part les diodes ZENER où l'effet d'avalanche a été provoqué).

Un examen attentif d'une jonction montre la similitude avec un condensateur. En effet, si nous considérons une jonction P.N. non polarisée, trois parties se détachent (figure 14) :

  • - Une (A), constituée par le semi-conducteur N

  • - Une autre (C) par le semi-conducteur P

  • - Enfin une troisième (B) qui est la barrière de potentiel.

V14

Un matériau contenant des charges mobiles peut être assimilé à un conducteur alors qu'un autre, privé de ces mêmes charges, se comporte comme un isolant. Ainsi, la jonction apparaît constituée de deux parties en métal (A et C) séparées par une autre isolante (B), analogue à un diélectrique.

On sait que deux plaques métalliques séparées par un isolant (diélectrique) constituent un condensateur et la jonction d'une diode en est un exemple.

Si à présent, on applique à la jonction une polarisation inverse, les plaques A et B sont respectivement rendues négative et positive ; la barrière de potentiel augmente et la capacité s'en trouve modifiée (figure 15-a).

V15

Ainsi, suivant la valeur de la tension inverse appliquée à la diode, la capacité intrinsèque de celle-ci varie dans certaines limites (figure 15-b). Le schéma équivalent de la diode en inverse est donné figure 15-c.

Une capacité variable en parallèle sur une résistance de très grande valeur pour simuler la fuite de courant (quelques micro-ampères) du diélectrique.

La propriété de la jonction en inverse a permis de réaliser des circuits de contrôle automatique de fréquence d'oscillateurs (par exemple, oscillateurs locaux de récepteurs FM ou TV).

La figure 16 représente deux types de diodes à capacité variable (VARICAP) dont certaines au silicium offrent une capacité allant de quelques picofarads à une centaine de picofarads environ suivant la tension inverse appliquée aux bornes.

V16

Les diodes de redressement au silicium, les plus utilisées, peuvent aussi être utilisées en capacité variable ; la résistance parallèle (très grande) ne perturbe pas les circuits oscillants.

En polarisation directe, la capacité de la diode est «masquée» par la résistance qui est faible dans ce cas. La capacité de la diode peut jouer un rôle néfaste dans les montages à très hautes fréquences où elle est utilisée pour ses propriétés de redressement. En effet, sa réactance peut devenir très faible et offrir ainsi un court-circuit à la tension inverse. Son emploi est donc à proscrire dans ces montages.

HAUT DE PAGE 6. - PROPRIÉTÉS DES JONCTION P.N.

Suivant le type de dopage effectué dans une jonction P.N., l'utilisation de la diode est bien spécifique :

  • - Comme redresseur en utilisant la caractéristique directe et inverse sans dépasser, pour cette dernière, la tension de claquage.

  • - Comme stabilisateur de tension en exploitant l'effet ZENER en polarisation inverse.

  • - Comme capacité variable en tirant parti de faibles tensions inverses appliquées aux bornes du composant.

HAUT DE PAGE 7. - LA DIODE A POINTE (OU A CRISTAL)

Conçue avant la diode à jonction, on l'utilise pour la conduction unidirectionnelle en polarisation directe. Elle se compose d'un contact ponctuel, au niveau de la pastille semi-conductrice, par un fil très fin en tungstène. On utilisait, à l'époque, pour déceler les ondes électromagnétiques (ondes radios par exemple), un détecteur à cristal de galène, constitué par un morceau de minerai de sulfure de plomb (galène) sur lequel était posé ce que l'on appelait la «moustache du chat». La figure 17 illustre la fabrication d'une diode à pointe dont la disposition des différents éléments ne change guère de celle déjà vue pour la diode à jonction.

V17

Après fermeture avec le support en verre (figure 17-a et 17-b) on fait passer, durant un bref instant, un courant de très grande valeur à travers la pointe de tungstène et la pastille de germanium ou de silicium dopé N, de façon à créer, par fusion au point de contact de ces deux éléments, une jonction définitive (figure 17-c).

L'allure de la caractéristique de la diode à pointe est donc sensiblement la même que celle de la diode à jonction comme le montre la figure 18.

V18

Cependant, on remarque quelques différences : en polarisation directe (cadran 1, figure 18), pour un même courant dans les deux composants, la tension appliquée aux bornes de la diode à pointe est supérieure à celle de la diode à jonction. En somme, la diode à pointe présente une résistance directe plus élevée que la diode à jonction.

En polarisation inverse (cadran 3, figure 18), le courant (Ii) augmente avec la tension (Vi) et ne présente pas, comme pour la diode à jonction, un palier caractérisé par un courant inverse pratiquement constant quand la tension (Vi) varie jusqu'à une valeur maximale où se produit l'effet de claquage.

L'allure de la courbe en inverse pour la diode à pointe découle de l'échauffement créé dans la micro-jonction (pointe en tungstène, semi-conducteur), entraînant l'augmentation des porteurs minoritaires responsables du courant inverse.

Cette diode, possédant une capacité de micro-jonction très faible, est désignée pour les montages démodulateurs de hautes fréquences.

Il est à noter que dans ce type de diode, l'effet ZENER n'existe pas et la propriété de redresser est meilleure avec un semi-conducteur de type N. C'est pour cela que les diodes à pointe sont faites d'un semi-conducteur dopé N sur lequel est établi la micro-jonction avec la pointe en tungstène.

Après avoir parlé de la diode, nous entamerons, dans la prochaine leçon (semi-conducteur 4), l'examen du transistor où son application dans les montages électroniques est plus

 



 

  




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