Polarisation de la jonction Polarisation de la Jonction P. N. :
Nous allons à présent observer le comportement de deux cristaux de semi-conducteur de type N et P quand on lie une de leur extrémité par fusion.
Nous examinerons leurs propriétés et les applications qui en découlent.
1. - LA JONCTION P.N.
Nous savons déjà que les cristaux de type P contiennent des trous comme porteurs majoritaires tandis que les cristaux de type N contiennent des électrons libres comme porteurs majoritaires.
Voyons le comportement des porteurs majoritaires lorsqu'il se forme une jonction entre deux semi-conducteurs de types différents, c'est-à-dire entre un cristal P et un cristal N (figure 1-a).
En pratique, la jonction s'établit en formant par des moyens techniques spéciaux une zone P dans un monocristal N ou inversement, une zone N dans un monocristal P. Par contre, il est impossible d'unir deux cristaux de types différents pour former une jonction P.N.
Toutefois et ceci afin de mieux comprendre ce qui se passe au niveau d'une jonction, nous représenterons cette dernière par l'union de deux plaquettes différentes de germanium.
Lorsque la jonction est effectuée, une partie des électrons libres du cristal N, sous l'effet de l'agitation thermique, commence à se répandre dans le cristal P et en même temps, toujours sous la poussée de l'agitation thermique, une partie des trous du cristal P se propage dans le cristal N.
Dans un premier temps, la diffusion des électrons et des trous s'effectue avec une certaine régularité dans les deux sens. Théoriquement, si l'on maintient ce rythme pendant un temps suffisamment long, on arrive à un état final dans lequel les électrons libres et les trous sont uniformément distribués dans les deux cristaux. En réalité, la diffusion s'arrête, bien avant d'occuper entièrement les deux cristaux et ainsi, il se forme autour de la surface de jonction une seule zone (relativement mince), dans laquelle sont mélangés en quantités égales les électrons libres et les trous.
Dans la phase finale, nous obtenons donc trois zones distinctes :
- Une zone N : constituée par la partie N du cristal, non occupée par les trous provenant du cristal P.
- Une zone P : constituée par la partie du cristal P non occupée par les électrons libres provenant du cristal N.
Nous trouvons enfin sur les bords de la surface de jonction, la nouvelle zone que l'on peut appeler "intrinsèque", en considérant qu'elle contient un nombre égal d'électrons libres et de trous (figure 1-b). Il ne faut toutefois pas considérer cette nouvelle zone comme rigoureusement intrinsèque. En effet, la distribution des charges libres n'est pas uniforme comme dans les semi-conducteurs intrinsèques. Pour qualifier ce phénomène, on utilise l'appellation anglaise déplétion région, que l'on peut traduire par zone d'épuisement, rappelant ainsi que dans la zone en question, la poussée de diffusion des charges libres provenant des deux cristaux réunis, s'épuise.
En examinant les phénomènes qui prennent naissance tout de suite après la formation d'une jonction P.N., nous nous sommes limités jusqu'ici à observer les déplacements des électrons libres et des trous, sans tenir compte des réticules cristallins dans lesquels s'effectue la diffusion des charges. En réalité, les deux réticules cristallins exercent une grande influence sur la diffusion. En effet, c'est à partir des caractéristiques électriques des réticules que naît le plus grand obstacle pour l'achèvement de la diffusion des charges dans les deux cristaux.
Lorsque les électrons qui sortent du cristal N entrent dans le réticule du cristal P et que les trous sortant du cristal P se propagent dans le réticule du cristal N, il se produit aux extrémités des deux réticules en contact, deux nouveaux états électriques. En effet, sur l'extrémité du cristal N, il se forme une accumulation d'électricité positive, due à la perte d'électrons et à l'acquisition de trous, tandis qu'à l'extrémité du cristal P, nous trouvons une accumulation d'électricité négative, due à la perte de trous et à l'acquisition d'électrons.
La séparation des charges de signes opposés produit un champ électrique E, circulant de l'extrémité positive du cristal N à l'extrémité négative du cristal P (figure 1-b et nous reportons le même schéma afin de vous simplifier votre tâche et surtout de bien comprendre le processus).
Ce champ électrique agit de façon à s'opposer à la diffusion des charges à travers la jonction, dans la mesure où il tend à ramener les trous du cristal N au cristal P et les électrons du cristal P au cristal N.
Avec la croissance de l'intensité du champ E et la diffusion des charges qui se poursuit, la force de rappel des charges augmente également. Ainsi, la poussée de la diffusion trouvera de plus en plus d'opposition, jusqu'à ce que l'équilibre entre les forces opposées soit atteint, provoquant alors la cessation de toute diffusion des charges dans les deux cristaux.
Avec l'équilibre établi entre la force du champ électrique et la poussée de diffusion, il se forme aussi une séparation entre une certaine quantité de charges positives et négatives sur les deux bords de la zone d'épuisement. Par conséquent, aux bords de cette dernière, une certaine différence de potentiel (Vo de la figure 1-b) reste constante et pour cette raison on l'appelle couramment mais improprement, potentiel de contact ou encore potentiel de diffusion.
A l'avenir, lorsque nous parlerons de cette différence de potentiel Vo, nous utiliserons la dénomination barrière de potentiel. Ce terme, plus correct que le précédent, rappelle l'obstacle que le potentiel Vo représente, pour la diffusion ultérieure des charges électriques d'un cristal à l'autre.
C'est donc de cette barrière de potentiel Vo qui se forme au niveau de la jonction P.N. que dépendent toutes les propriétés de la diode à cristal.
2. - POLARISATION DE LA JONCTION
Après avoir examiné la formation d'une jonction entre deux semi-conducteurs de types différents, voyons maintenant le comportement de celle-ci lorsqu'elle est polarisée, c'est-à-dire lorsque la tension délivrée par une source d'alimentation continue est appliquée aux deux zones du cristal.
La tension peut être appliquée dans les deux sens c'est-à-dire, en reliant le pôle positif de la pile à la zone N et le pôle négatif à la zone P ou inversement, en reliant le positif à la zone P et le négatif à la zone N.
Dans le premier cas, on dit que la jonction (c'est-à-dire la diode) est polarisée en inverse tandis que dans le second cas, la diode est polarisée en direct.
Que se passe-t-il au niveau de la jonction P.N. lorsque celle-ci est polarisée en inverse ?
La figure 2 montre qu'à l'instant où le circuit est fermé, une partie des électrons libres se détache de la zone N du cristal et se dirige vers le pôle positif de la batterie d'alimentation.
Au même instant, une certaine quantité d'électrons émis par le négatif de la batterie, rejoint la zone P du cristal, où ils feront disparaître une partie des trous.
Si maintenant nous admettons que dans la zone P il n'y a pas d'électrons libres qui puissent rejoindre la zone N pour remplacer ceux qui sont repoussés vers le positif de la pile et que dans la zone N il n'y ait pas de trous qui puissent se propager jusqu'à la zone P afin de remplacer ceux qui ont disparu, nous pourrions conclure à la cessation du mouvement des charges circulant du cristal à la batterie et de la batterie au cristal. En effet, le nombre des électrons libres présents dans la zone N du cristal est incontestablement très grand, mais non illimité ; il en est de même pour les trous présents dans le cristal P.
L'annulation du courant produit par la pile, aussitôt après la fermeture du circuit, est justifiée par le fait que les électrons et les trous sont en nombre limité dans l'une ou l'autre du cristal et par l'impossibilité de les remplacer lorsqu'ils s'éloignent et qu'ils disparaissent.
Dans la réalité, le déplacement des charges et par conséquent, le courant produit par la pile, cesse avant même que la zone N ne se soit libérée de ses électrons et la zone P de ses trous.
Pour expliquer ce phénomène, sachons que la barrière de potentiel se renforce rapidement avec la diminution des électrons libres et des trous dans les zones respectives et son amplitude augmente en passant de Vo à Vo' (comparez à ce sujet les figures 1-b et 2).
La nouvelle différence de potentiel Vo' peut ainsi annuler l'effet de la tension extérieure Vi, avant que tous les électrons de la zone N ne soient repoussés vers le positif de la pile et avant que tous les trous de la zone P n'aient disparu.
La tension Vi appliquée aux bornes de la diode (figure 2) est dite tension inverse. Si l'on tient compte de ce qui a été dit précédemment, le courant circulant dans la diode (aux bornes de laquelle on a appliqué une tension inverse) devrait s'annuler rapidement. En réalité, le courant ne s'annule pas complètement du fait de la présence des porteurs minoritaires, c'est-à-dire de la présence de trous dans la zone N du cristal et d'électrons libres dans la zone P.
Un certain nombre de porteurs minoritaires réussit toujours à traverser la jonction, provoquant ainsi un remplacement partiel des électrons libres dans la zone N et des trous dans la zone P. On constate donc la présence d'un courant très faible, circulant de l'extrémité N à l'extrémité P du cristal. Ce courant est appelé courant inverse (Ii).
Voyons maintenant le phénomène inverse, c'est-à-dire lorsque la jonction P.N. est polarisée en direct (figure 3-a).
Lorsque le circuit est fermé, la force électromotrice de la batterie met en mouvement les électrons libres de la zone N et les trous de la zone P, qui convergent tous deux vers la jonction (figure 3-a), à l'intérieur de laquelle les électrons tombent dans les trous, ce qui entraîne la disparition des uns et des autres. Cependant, les électrons libres qui tombent dans les trous, sont continuellement remplacés par d'autres, provenant du négatif de la source d'alimentation.
Ainsi, tous les trous disparus sont remplacés par d'autres, qui se forment du côté de la zone P, vers le positif de la batterie. Le flux des charges se reproduit donc perpétuellement, formant un courant continu. On le constate d'ailleurs en mesurant la résistance directe de la diode.
Le courant continu Id est dit courant direct, la tension extérieure, Vd qui est à l'origine de la formation du courant Id, est dite tension directe.
La figure 3-b illustre le cas où la tension continue Vd est inférieure à la différence de potentiel Vo (figure 1-b), qui constitue la barrière de potentiel. Ainsi, tant que la tension Vd est inférieure ou égale à Vo, le courant est pratiquement nul. Ce courant n'existe pratiquement que lorsque la tension Vd dépasse la valeur de Vo. Cette valeur est différente selon que la jonction est constituée par un cristal de germanium ou par un cristal de silicium : pour le germanium, cette valeur est normalement de 0,2 à 0,3 V alors que pour le silicium elle est de 0,6 à 0,7 V.
Une jonction P.N. permet le passage d'un courant quand celui-ci parcourt le semi-conducteur dans le sens du cristal dopé P vers celui dopé N. Elle s'oppose à la circulation d'un courant dans le sens inverse.
3. - LA DIODE À JONCTION
La jonction P.N. en germanium ou en silicium peut être utilisée pour réaliser un dispositif appelé diode dont le symbole graphique est représenté figure 4. La conduction de la diode est matérialisée par le sens de la flèche.
L'anode (A) correspond à la zone P de la jonction et la cathode (K) à la zone N ; l'extrémité "A" nécessite une tension positive par rapport à l'autre extrémité "K".
La jonction est obtenue par la pose, sur une pastille de semi-conducteur N, d'une certaine quantité d'aluminium (figure 5-a) ou d'indium ; on chauffe l'ensemble de façon à obtenir la fusion de l'aluminium ou de l'indium, et la fusion partielle du semi-conducteur (figure 5-b). Après refroidissement, ces corps se solidifient formant une zone P pour l'aluminium et la jonction P.N. dans la pastille N (figure 5-c).
Le tout est ensuite introduit dans un tube de verre (figure 5-d) et le conducteur est soudé à l'aluminium ou à l'indium (figure 5-d à droite). On referme le tube de verre pour former le boîtier de la diode (figure 5-e). Il existe également d'autres procédés de fabrication des diodes. Par exemple, pour obtenir la jonction P.N. on peut se reporter à la méthode de la diffusion qui consiste à faire évaporer des impuretés pour qu'ils pénètrent dans la pastille P de façon à former une zone N.
La diffusion est utilisée dans la fabrication des diodes au silicium pouvant supporter de grandes tensions et de forts courants. La figure 6 illustre quelques types de diodes à semi-conducteurs. La cathode des diodes des figures 6-a et 6-e est indiquée par une bague ou un point de couleur sur le boîtier du composant.
Sur les figures 6-c et 6-d, nous avons deux autres types de diode au silicium jouant le rôle de redresseur. Ces diodes de redressement sont sur ces figures en boîtier métallique ou en boîtier plastique.
Malgré leurs dimensions réduites, certaines diodes fournissent des courants élevés (plus de 10 ampères) et arrivent même à fonctionner correctement à une température ambiante très élevée (150°C).
La diode de la figure 6-c, très utilisée dans les alimentations de récepteurs radio et T.V., peut être fixé sur le châssis d'un appareil au moyen d'écrous et de rondelles ainsi que celle de la figure 6-f employée pour les puissances très élevées où un dissipateur thermique est nécessaire.
Les caractéristiques électriques du composant, données par le constructeur, sont valables uniquement pour une température ambiante déterminée car si cette dernière varie, les valeurs de la diode changent sensiblement.
Pour obtenir la courbe caractéristique tension-courant d'une diode, on utilise deux montages électroniques :
- Le premier (figure 7-a) permet d'obtenir la caractéristique directe de la diode. Pour cela, à l'aide d'un potentiomètre que l'on fait varier, on applique une tension directe Vd, mesurée par le voltmètre (V) et on relève les valeurs correspondantes du courant direct Id sur le milliampèremètre (mA).
- Le second (figure 7-b) permet d'obtenir la caractéristique inverse de la diode. Pour cela, le montage reste le même à la seule différence que la pile et les deux appareils de mesures sont branchés en sens inverse. Il est à noter que l'utilisation d'un micro-ampèremètre (µA) facilite les mesures de courants inverses (Ii) faibles.
Chaque couple de valeurs mesurées (tension et courant) peut être reporté sur un graphique ayant deux axes orthogonaux gradués (figure 8), le premier horizontal en volts, le deuxième vertical en milliampères.
En prenant comme exemple le couple de valeurs : Vd = 1,5 V et Id = 5 mA, on obtient sur le graphique un point A correspondant à l'intersection des deux droites en pointillé partant perpendiculairement de l'endroit même où sont portées ces valeurs.
En reportant point par point chaque couple de valeurs obtenues dans les cadrans correspondants sur le graphique (tensions et courants direct dans le cadran "1", tensions et courants inverses dans le cadran "3" et en reliant par un trait tous ces points, on obtient la courbe caractéristique d'un type de diodes (figure 8).
On peut remarquer que la courbe passe par l'origine des axes (point 0) ; une tension nulle entraîne l'absence de courant.
Dans le cadran "1", on observe que le courant et la tension augmentent ou diminuent ensemble.
Pour chaque type de diode, le constructeur fixe une valeur maximale (Idmax) à ne pas dépasser sans risquer de l'endommager. Il indique également le courant de pointe répétitif que la diode peut supporter pendant de courts instant à intervalles de temps déterminés et le courant de pointe non répétitif que la diode reçoit une fois de temps en temps, par exemple lors d'une mise sous tension.
Ces deux dernières valeurs sont plus élevées que celle du courant (Idmax) qui représente 20 à 30 fois moins la valeur d'un courant de pointe non répétitif.
Dans le cadran "3", on note que le courant inverse (Ii) est pratiquement constant et qu'il ne dépend pas de la tension inverse (Vi) quand celle-ci varie sur une certaine plage. La tension inverse d'une diode peut atteindre quelques centaines de volts jusqu'à une valeur limite (Vimax) imposée par le constructeur au-delà de laquelle la diode est détruite.
Tant que cette valeur n'est pas atteinte, le courant inverse de la diode reste faible et par conséquent il ne peut pas se produire un claquage de la jonction de la diode.
En résumé, le constructeur fournit les caractéristiques suivantes :
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- Courant direct maximal (Idmax) noté généralement par IF (littérature anglaise : "forward").
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- Courant de pointe répétitif (IFRM).
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- Courant de pointe de surcharge (non répétitif) IFSM
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- Tension inverse maximale (Vimax) noté généralement par VR (littérature anglaise : "reverse"
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- Tension inverse maximale de crête VRM
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- Courant inverse continu IR (plus ce courant est faible, meilleure est la qualité de la diode).
Une diode de puissance qui fournit un courant Idmax élevé ne peut pas avoir un courant inverse IR aussi faible que celle qui supporte seulement quelques dizaines de milliampères et cependant la qualité n'en est pas pour autant affectée. Il est bon de savoir à quelle température est la jonction de la diode quand on détermine la valeur du courant inverse IR car ce dernier est issu de la concentration des porteurs minoritaires qui sont sensibles aux variations thermiques.
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