Cours diodes

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  • APPROCHE THEORIQUE INTRODUCTION A L'ELECTRONIQUE A4 THEORIE DES SEMI-CONDUCTEURS

    EPSIC.ch / Site Technique Electronique / Fichiers *.pdf - Version aot 2000 - Date conversion : 20/09/01 PAGE 1 / 11

    SOMMAIRE

    A4.1 Thorie des atomes

    A4.2 Semi-conducteur pur

    A4.3 Dopage d'un semi-conducteur

    A4.4 Effet diode, la jonction P - N

    A4.5 Mcanisme de conduction d'une diode

    A4.5.1 Le plus la zone P

    A4.5.2 Le plus la zone N

    A4.6 Effet Zener, une jonction fortement dope

    A4.7 Effet transistor, du microscope l'ohmmtre

    A4.8 Effet transistor, du microscope l'ampremtre

    A4.9 Effet transistor, du microscope l'effet transistor

    A4.10 Effet de champ

    A4.11 Bibliographie(Les renvois entre crochets [*] y font rfrence)

    A4.1 Thorie des atomes

    Pour comprendre quelque peu le fonctionnement des composants lectroniques raliss l'aide des matriaux oualliages semi-conducteurs, il nous faut avoir en tte la thorie des atomes. L'explication actuelle que nous donneles physiciens sur la matire met en jeux la composition de celle-ci.

    La matire serait compose d'atomes d'un diamtre d'environ 1 10-10 1 10-12 mtre de diamtre, distinctsentre eux par leur nombre de particules dont ils sont eux-mmes composs. Ces atomes sont classs prcismentpar l'volution du nombre de ces particules, le premier atome n'en contenant que deux jusqu'aux derniers qui encontiennent plus de cent. C'est le tableau priodique des lments cr par Dmitri Mendeleev (1834 - 1907).

    Il est admis que les particules qui composent l'atome sont organises avec un noyau, dont le diamtre estd'environ 1 10-14 mtre, qui contient des protons et des neutrons accompagn autour d'un nuage de petitslectrons qui gravitent au loin, des distances bien dfinies appeles couches lectroniques. Chaque proton ouneutron, appels tous deux nuclons, est d'un diamtre etd'une masse environ 2000x suprieure un lectron.

    Les forces qui interagissent entre toutes ces particulesainsi que celles qui interviennent entre les diffrentsatomes d'un objet vont fortement influencer lecomportement d'un matriau en fonction des contraintesqu'il subit.

    En ce qui concerne l'lectricit et ces effets, ce sontessentiellement les lectrons qui gravitent sur la dernirecouche lectronique qui sont impliqus.

    La nature fabriqu des atomes ne possdant jamais plusde 8 lectrons priphriques (pour un tat stable). Letableau priodique des lments nous le confirme.

    La reprsentation la plus usuelle d'un atome est cellepropose par le physicien Niels Bohr (1885-1962) qui estune reprsentation trs pratique pour un lectronicien quiva encore le simplifier. IMAGE A4.1, J.KANE, PHYSIQUE, 1994, INTEREDITIONS, PARIS

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    EPSIC.ch / Site Technique Electronique / Fichiers *.pdf - Version aot 2000 - Da

    A4.2 Semi-conducteur pur

    Il est facile de simplifier au maximum la reprsentation de Niels Bohr en ne laissant apparatre que le noyauavec les couches lectronique interne et la dernire couche lectronique, appele couche priphrique ou couchede valence.

    Un matriaux semi-conducteur la particularit depossder 4 lectrons priphriques, soit exactement lamoiti d'une couche compltement sature.

    Cette particularit va lui donner un comportementparticulier en ce qui concerne les phnomneslectriques, entre autres.

    Le matriaux semi-conducteur actuellement le plus utilis es

    Toutefois, pour utiliser du silicium en lectronique, il faut obpuret est de l'ordre de un atome impur pour un million d'atotemprature est trs basse.

    Pour illustrer non seulement un seul atome de silicium reprsentation en ne faisant apparatre que les noyaux aveccomme ci-dessus et avec des traits doubles pour illustrer les

    De plus, les atomes du silicium purifi s'organisent entre esubis, ce qui nous amne parler d'un cristal semi-conducteorganisation atomique donne des proprits lectriques partic

    Grce l'organisation cristalline, chaque atome est entoensemble leurs lectrons de valence de fait que chaque atomCe qui donne la proprit d'un isolant parfait:

    A TRES BASSE TEMPERATURE, AU VOISINAGE DU EST UN ISOLANT PARFAIT.

    Si Si

    Si

    Si

    SiSi Si

    Si

    Si

    Si

    Si Si Si

    Si Si Si

    liaisons Si

    plaquette de Si pur

    couche priphriquenoyau + couches internes

    SiSiIMAGE A4.2te conversion : 20/09/01

    t le SILICIUM.

    tenir des plaquettes d'une puret extraordinaire. Lames de silicium. Le tout reste totalement stable si la

    mais une plaquette entire, nous simplifions la les couches atomiques intrieures par les cercleslectrons priphriques entre chaque atomes.

    ux de manire trs rguliur, ou d'une structure criulires au silicium lectro

    ur de quatre atomes voe se trouve entourer de hu

    ZERO ABSOLU (0 KELV

    Si

    Si Si

    Si

    SiSi

    Si

    Si Si

    SiSiSiIMAGE A4.3PAGE 2 / 11

    re, suite aux traitementsstalline du silicium. Cettenique.

    isins qui vont combinerit lectrons priphriques.

    IN) LE SILICIUM PUR

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    EPSIC.ch / Site Technique Electronique / Fichiers

    Ds que la temprature augmente, l'agitation des atomes entre eux va va bousculer cet ordre tabli et deslectrons priphriques peuvent se retrouver arrachs la liaison cristalline des atomes. Ces lectrons seretrouvent une distance des noyaux qui leur permet de se dplaer dans la plaquette de silicium.

    Les lectrons ainsi librs ont chacun rompuune liaison cristalline du silicium. Ils ont donclaiss derrire eux un emplacement vide, nousparlons d'un "trou".

    Ces lectrons vont se dplacer librement dansla plaquette jusqu'au moment o ils rencontreun "trou" et se fixer nouveau dans le rseau.

    Ce dplacement alatoire d'lectrons (dansn'importe quel sens) correspond un courantlectrique alatoire qui reprsente ce que nousappelons du souffle lectronique.

    Toutefois, ce courant est trs, trsintrinsque est pratiquement non mindsirables, sont de l'ordre du nanoa

    Mme non mesurable, ces courants dn'est pas contrle.

    UN SEMI-CONDUCTEUR EST DOMOYENS EXTERNES DE STAENTRANE TRES VITE LA DESTR

    A4.3 Dopage d'un semi-conduct

    Afin d'amliorer la conduction d'uconductrice des matriaux trangersinfrieur ou juste suprieur aux 4 lec

    Le dopage N consiste ajouter au seces lectrons vont participer la stpouvoir se dplacer dans le cristal. N

    lectrons librspar agitationthermique

    Si Si

    Si

    Si

    Si

    Si Si

    SiSi

    Si

    Si SiSi

    SiSi

    Si Si

    -

    -

    -Si

    SiSiSi

    Si Si Si

    Si Si Si Si

    liaisons Si

    plaquette de Si pur

    -

    + + + + + +

    +

    +

    +

    +

    +

    +

    +

    +

    +

    ++

    +

    - -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    --

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    plaquette de Si dop N

    "trou" laiss parun lectronIMAGE A4.4*.pdf - Version aot 2000 - Date conversion : 20/09/01 PA

    faible et nous parlons de conduction intrinsque. Cette conductionesurable pour un technicien de maintenance. Ces courants, souvent

    mpre et appels courants de fuites.

    e fuites existent nanmoins et deviennent trop important si la temprature

    NC TRES SENSIBLE A LA TEMPERATURE ET NECESSITERA DESBILISATION. SANS QUOI UN EMBALLEMENT THERMIQUEUCTION DU SEMI-CONDUCTEUR.

    eur

    n semi-conducteur, les fabricants injectent dans une plaquette semi-, ou impurets, qui possdent un nombre d'lectrons priphriques justetrons du semi-conducteur.

    mi-conducteur des atomes possdants 5 lectrons priphriques.ructure cristalline, et un lectron supplmentaire va se retrouvous parlons de porteurs de charges mobiles.

    Les ions + sont fixes car ils font partie de laatomique cristalline de la plaquette de silicium.

    Rappelons que les ions comprennent le noyau det qu'ils sont gros, lourds et solides par rapporteurs de charges mobiles. Un lectron es2000x plus petit qu'un seul proton.

    ions +immobiles

    lectronsmobilesIMAGE A4.5 Quatre deer libre et

    structure

    es atomesports auxt environIMAGE A4.6GE 3 / 11

  • APPROCHE THEORIQUE INTRODUCTION A L'ELECTRONIQUE A4 THEORIE DES SEMI-CONDUCTEURS

    E

    Le dopage P consiste ajouter au semi-conducteur des atomes possdants 3 lectrons priphriques. Ces troislectrons participent la structure cristalline, mais un "trou" est cr par chaque atome tranger puisqu'il luimanque un lectron priphrique.

    Les "porteurs de charges lectriques" mobiles sontresponsables de la conduction d'une plaquette de siliciumdope.

    Si la proportion de dopage est de l'ordre de dix atomes dedopant P pour 100 atomes de silicium, la conductibilitdu semi-conducteur est amliore dans la mmeproportion, soit de 10%.

    Ilr

    A

    Ipu

    Eqz

    Cc

    L

    -

    + +

    +

    + +

    ++

    + ++

    +

    +

    +

    +

    +

    +

    +

    +

    -

    --

    -

    -

    --

    - -

    -

    -

    - -

    -

    -

    -

    -

    plaquette de Si dop P

    ions -immobiles

    "trous" +mobilesIMAGE A4.7PSIC.ch / Site Technique Electronique / Fichiers *.pdf - Version aot 2000 - Date conversion : 20/09/01

    l est donc possible de "rgler" la conduction d'un semi-conducteur en choisissant la quantit de dopage. A'intrieur d'un circuit intgr, il est ais d'imaginer des zones plus ou moins dopes de manire obtenir dessistances lectriques.

    4.4 Effet diode, la jonction P - N

    l est ais de s'imaginer ce qui se p