les diodes à jonction PN

Chapitre 2 : Les Diodes à Jonction PN
2.1 Définitions
2.1.1. Tension de diffusion
Une diode à jonction PN est obtenue en mettant en contact une zone semiconductrice dopée N
et une zone dopée P. La figure 2.1(a) donne un schéma simplifié d’une jonction PN qui peut
être obtenue par différents procédés technologiques [1],[2]. L’interface entre les deux régions
N et P (x=0) est appelée plan métallurgique.
La figure 2.1 (b) donne les profils de dopage dans les deux régions qui sont le siège d’une
concentration de porteurs majoritaires et d’une concentration de porteurs minoritaires.
L’indice est donné selon le type de la zone.
p
P
N
A
n N
N
D
P
x = 0
N
x
n
P
n
N
2
i
A
x 0
p
N
ni
N
2
D
(a)
(b)
Figure 2.1
La mise en contact de deux zones dopées différemment crée un mouvement des porteurs
majoritaires qui diffusent de la région où ils sont majoritaires vers la région où ils sont
minoritaires. De ce mouvement résulte la création d’une zone vide de porteurs libres appelée
zone de charge d’espace (ZCE) et d’une barrière de potentiel au niveau de la jonction appelée
tension de diffusion V D et dont l’expression est donnée par la formule :
V U Ln N N A
D
D
T
2
(2.1)
n
i
où :
U
T
k
BT
est une unité thermodynamique qui vaut U
T
26 mV à 300K
q
N A et N D sont respectivement les concentrations en dopants des zones P et N, n i la
concentration intrinsèque.
Z.C.E.
Zone neutre
+
+
-
-
Zone neutre
Figure 2.2
+
-
W P x P 0 x P
W N
x

2.2. Caractéristique Courant-tension I(V)
Lorsque la diode est soumise à une polarisation V, elle est parcourue par un courant dont
l’expression est donnée par l’équation :
I
V
I
exp
1
sat
UT
Où I sat appelé courant de saturation, dépend du dopage et fortement de la température selon
l’expression [cours Hobar]:
I
sat
3
T . e
Ce courant ayant une valeur très faible à la température ambiante, double tous les 10°C pour
une diode au silicium.
- Si V>0 et V>>U T alors :
fonction de la tension directe appliquée
- Si V<<0 alors : exp V U
négligeable.
T
EG
KBT
V
I I
sat
exp : variation exponentielle du courant en
U
T
1 I I
: courant inverse très faible qui peut être
Donc lorsque la diode est polarisée avec une tension positive ou directe elle est parcourue par
un courant direct qui varie exponentiellement avec la tension appliquée et lorsqu’elle est
polarisée négativement ou en inverse, le seul courant qui la parcourt est un courant inverse
appelé courant de saturation.
sat
2.2.1. Caractéristique I(V) dans le cas idéal
Nous avons vu que la diode à jonction PN est traversée par un courant qui varie
exponentiellement avec la tension appliquée lorsqu’elle est polarisée en direct et que dans le
cas d’une polarisation inverse elle est parcourue par un courant négligeable. Donc dans le cas
idéal on peut dire qu’une diode se comporte comme un court-circuit sous polarisation
directe et comme un circuit ouvert sous polarisation inverse :c’est un interrupteur
électronique qui est ON sous V>0 et OFF sous V<0.
I
Sous polarisation directe la diode est
identique à un Court Circuit
V
Sous polarisation inverse la
diode se comporte comme
un Circuit Ouvert
Figure 2.3 : caractéristique
I(V) d’une diode idéale.

2.2.2. Caractéristique I(V) d’une diode réelle
Sous polarisation directe le courant traversant une diode varie exponentiellement à la tension
appliquée. Nous avons deux zones de variations :
- Pour 0<V<V D , le courant direct traversant la diode est faible et varie
exponentiellement avec V. La diode a un comportement non linéaire*
- Pour V>V D le courant augmente rapidement et son comportement est
approximativement linéaire. On dit que la diode est passante.
Sous polarisation inverse la diode est traversée par un courant négligeable I sat de l’ordre du
pico Ampère (pA). On dit dans ce cas que la diode est bloquante et équivalente à un circuit
ouvert.
I
Comportement
linéaire
I S
V
V D
Figure 2.4 : caractéristique I(V) réelle
2.3. Effet d’avalanche
L’effet avalanche a lieu lorsque la diode à jonction PN est polarisée avec une tension inverse
négative ayant une valeur relativement élevée.
Lorsque la tension inverse appliquée à la jonction augmente, le champ interne au niveau de la
zone de charge d’espace augmente, ce qui fait augmenter l’énergie cinétique des porteurs
minoritaires. A une certaine valeur du champ appelée champ critique E crit
, les porteurs ont
gagné suffisamment d’énergie pour ioniser par choc des atomes en brisant leur liaisons créant
ainsi des paires électron-trou. Les porteurs créés sont à leurs tours accélérés par le champ
intense dans la Z.C.E., et vont ioniser d’autres atomes et ainsi de suite. Ce phénomène de
multiplication du nombre de porteurs mène à une augmentation brusque du courant : c’est le
phénomène d’avalanche. Il peut mener à la destruction de la diode si elle n’est pas conçue
pour fonctionner dans cette zone.
Le facteur de multiplication M du courant est donné par l’expression :

M
1
V
1 V
R
BV
n
(2.52)
où V BV
est la tension à laquelle se produit l’avalanche (BV : Breakdown Voltage) , et n un
facteur dont la valeur varie de 2 à 6 et qui dépend du matériau utilisé [CASTAGNE-
VAPAILLE] et V R
la valeur absolue de la tension inverse appliquée. Il est égal à 4 pour le Si
de type N et 2 pour le Si de type P.
I
V BV
V
V D
Figure 2.5 : Effet d’avalanche
Effet d’avalanche
2.4. Capacité de jonction
Nous avons vu que la mise en contact de deux zones N et P était responsable de la création
d’une zone de charge d’espace qui est vide de porteurs libres. Dans cette ZCE il existe des
charges fixes positives du côté N et négatives du côté P. Cette région équivalente à un
diélectrique d’épaisseur égale à l’épaisseur de la ZCE, entourée par deux régions
conductrices est équivalente à un condensateur appelée capacité de jonction C j
. Cette capacité
par unité de surface, s’exprime par la relation suivante :
C
j
1
V 2
C
j0
1 oùC j0
est la capacité pour V=0
VD
Si la polarisation est négative on pose V R =-V et on peut mettre la capacité de jonction sous la
forme :

C
j
C
j0 1
V
V
R
D
1
2
La capacité de jonction est inversement proportionnelle à la racine carrée de la tension
appliquée. Donc le tracé de
en fonction de V donne une droite. Cette propriété est
intéressante en électronique dans la mesure où la capacité de diffusion d’une jonction PN peut
constituer un condensateur variable.
La figure 2.6 donne l’allure de la courbe = ( ).
C j
C j0
V D
Figure 2.6 : caractéristique C(V)
V
2.5. Différents types de diodes à jonction PN
Il existe différents types de diodes à jonction PN et qui diffèrent les unes des autres par les
paramètres physiques et technologiques de leurs réalisations. Suivant l’application envisagée,
on choisit le type de diode qui convient. Nous allons citer quelques exemples en faisant une
description succincte de chacune d’entre elles.
2.6.1 Diode redresseuse
Sachant qu’une diode conduit le courant quand elle est polarisée en directe et qu’elle est
bloquée quand elle est polarisée en inverse, cette propriété est exploitée pour le redressement
du courant alternatif. C’est l’utilisation la plus répandue de la diode.
Les diodes redresseuses sont surtout au Si au Ge. Pour les ponts redresseurs de tensions de
faibles valeurs, on utilise des diodes au Ge car leur tension de barrière est faible.
Si l’on désire avoir des diodes de puissance, on peut intégrer dans le même boîtier plusieurs
diodes identiques montées en parallèle.

2.6.2 Diode Tunnel
Dans une jonction surdopée P ++ N ++ (dopage des deux régions >10 18 /cm 3 ), les deux conditions
champ maximum très élevé et zone de charge d’espace très étroite, sont réunies. A cause de la
courbure très accentuée des bandes d’énergie, des états énergétiques de la bande de valence
sont au même niveau que ceux de la bande de conduction. Sous l’effet d’un champ électrique
intense E max
, des électrons de la bande de valence vont acquérir suffisamment d’énergie pour
transpercer la barrière et passer de l’autre côté où ils se retrouvent dans la bande de
conduction sur des niveaux équivalents. Ce phénomène est appelé effet Tunnel car c’est
comme si les porteurs ont creusés un tunnel dans la zone déplétée pour pouvoir la traverser.
Pour une polarisation directe de faible valeur, en plus du courant directe de la diode dû à la
diffusion des porteurs majoritaires, s’ajoute le courant par effet Tunnel. Ceci a lieu pour des
tensions directes dans la fourchette 0 V V p
(V P appelée tension de pic). Le courant
maximum qu’on peut atteindre est nommé courant de pic I p
auquel correspond la tension de
pic V p
. Au fur et à mesure que la tension appliquée augmente, la largeur des bandes permises
qui sont en vis à vis diminue, ce qui fait décroître le courant par effet Tunnel et donc fait
apparaître une région ayant une conductance négative. Ceci a lieu pour V V V où V V
est
appelée tension de vallée.
A partir de la tension V V
, la barrière de potentiel est complètement réduite. Il n’y a plus de
courant par effet Tunnel. Le seul courant qui existe est celui de la diffusion des porteurs. Il y a
donc augmentation brusque du courant. La caractéristique de la diode Tunnel est donnée en
figure 2.7
L’effet Tunnel apparaît pour des tensions négatives car le champ au niveau de la Z.C.E. est
renforcé par l’application d’une tension négative.
p
V
Figure 2.7 : Caractéristique d’une diode Tunnel
La propriété de ce type de diodes de se comporter comme une résistance négative, trouve des
applications dans la réalisation d’oscillateurs. En effet en plaçant une diode Tunnel dans le

circuit de réaction d’un circuit oscillant, la résistance négative compense les pertes du circuit
résonnant. Ce qui permet de générer des oscillations sinusoïdales entretenues.
A cause de la rapidité de l’effet Tunnel, les diodes de ce type sont utilisées dans les circuits de
commutation.
2.6.3 Diodes Zener
Dans les jonctions fortement dopées, le champ maximum est très élevé. Si le dopage est tel
que E 10 6 V cm [Cas], des liaisons de covalence sont rompues, générant ainsi des paires
max
/
électron-trou. Ce qui fait augmenter le courant.
La différence entre l’effet avalanche et l’effet Zener, c’est que le premier permet de créer par
choc des porteurs, qui à leur tour en créent d’autres, par contre dans le cas du second, il y a
création de porteurs par rupture de liaisons.
Les diodes Zener ont une caractéristique semblable à celle d’une diode normale. En
polarisation inverse, elles présentent un effet de rupture très net.
Elles sont utilisées comme source de tension de référence, entre 5 et 10Vcar la tension Zener a
une valeur très stable. La figure 2.8 donne la caractéristique d’une diode zener.
Figure 2.8: Caractéristique I(V) de la diode Zener