Les semi-conducteurs
Les semi-conducteurs sont des corps donc la résistivité est interne entre les conducteurs et les isolants, elle est diminuée avec la température (contrairement aux conducteurs) et fortement influencée par des très faibles quantités d'impureté. Les semi-conducteurs intrinsèques sont des corps purs tels que le germanium (Ge) et le silicium (Si).
Ils ont 4 électrons périphériques. Chaque atome de Germanium ou de Silicium va mettre en commun ses électrons périphériques avec un atome voisin pour donner une configuration externe, stable de 8 électrons. Ce type de liaison est appelé liaison de covalence. Le semi-conducteur intrinsèque est un semi-conducteur absolument pur sur le plan chimique.
Les semi-conducteurs extrinsèques sont des semi-conducteurs intrinsèques dopés par une faible quantité d'impureté (introduction voisine). Il existe généralement deux types de semi-conducteur extrinsèque:
- Les semi-conducteurs de type N: Si l'impureté est un atome donneur d'électron. Cette impureté a une valence supérieure à celle du Germanium et du Silicium. Il possède 5 électrons périphériques, exemple: le phosphore (P). La structure cristalline va présenter un électron en plus qui ne participe pas à la liaison de covalence. Cet électron est faiblement lié à la structure et deviendra un électron libre. Il laissera alors un ion positif. Les électrons sont les porteurs majoritaires.
- Les semi-conducteurs de type P: Si l'impureté est un atome accepteur d'électron, exemple: le bore (B). Cette impureté a une valence inférieure à celle du silicium et du germanium. Il a 3 électrons périphériques. La structure cristalline va présenter un électron en moins et un trou en plus. La structure aura tendance à capter un électron à un voisin pour compléter. Il y'a donc formation d'un ion négatif et le déplacement d'un trou.
La jonction PN
On peut fabriquer un cristal constitué d'un semi-conducteur de type P d'un côté et un semi-conducteur de type N de l'autre. La zone de rencontre des régions des types P et des types N s'appelle la jonction. Un tel cristal s'appelle la diode.
La zone P est constituée:
- Des atomes neutres (non représenté sur la figure).
- Des ions négatifs.
- Des trous en grande quantité.
- Des très rares électrons.
La zone N constituée:
- Des atomes neutres.
- Des ions positifs.
- Des électrons en très grand nombre.
- De très rares trous.
Les jonctions PN sont constituées des ions positifs et négatifs en nombre égal.
La diode à jonction
Définition et symbolisation
La diode est un semi-conducteur unidirectionnel en tension et en courant, il a donc un sens passant et un sens bloqué. Il constitué de 2 semi-conducteurs de type P et N. Elle est symbolisée comme suite:
Fonctionnement d'une droite à jonction
On distingue deux cas:
- VA-VK=VAK<0 : On dit que la diode est polarisée en inverse et dans ce cas elle reste toujours bloquée.
- Si la tension est positive VAK>0 : On dit que la diode est polarisée en direct. Si la tension VAK>0 à un certain potentiel, V0 appelé barrière de potentielle, la diode est dite passante et laisse passer un courant entre l'anode et la cathode.
V0 = 0,6 à 0,7V pour le silicium.
V0 = 0,02 à 0,3V pour le germanium.
Si la tension VAK est inférieure à ce seuil 0<VA-VK<0, la diode reste bloquée et ne laisse passer aucun courant entre l'anode et la cathode.
Caractéristiques d'une diode à jonction
Caractéristiques de choix d'une diode à jonction
Pour le choix d'une diode, on tient compte de VRRM (tension inverse maximale de la diode).
- On tient aussi compte de I(FAV)max=I(Fmoy)max
- IF max: le courant direct maximal.
Les modes équivalents d'une diode
Diode idéale
En direct, elle se comporte comme un court-circuit. En inverse, elle se comporte comme un circuit ouvert.
Deuxième approximation
En inverse, la diode se comporte comme une très grande résistance lorsque VRRm n'est pas atteint et on a F=0.
Troisième approximation
VF = V0 + RDIf
RD est de quelque K
Point de fonctionnement Q
C'est l'intersection entre la caractéristique de la diode et la droite de charge.
La droite de charge
C'est la droite donnant IF en fonction de VF dans un circuit donné.
Pour IF=0 on a VF=E. On dit qu'on est au blocage ou à la coupure.
Pour VF=0 on a IF=E/R. On dit qu'on est à la saturation.
Pour E=3V et R=100
MB(3V, 0) ; MS(0, 30mA)
Les autres diodes
La diode électroluminescente (DEL ou LED)
Les diodes électroluminescentes émettent des photons lorsqu'elles sont polarisées en direct, on distingue la diode IRED (InfraRed Emitive Diode) qui émet dans l'infrarouge. Les LED (Light Emitive Diode) qui émettent dans le visible. Ces diodes sont formées de bâtonnets ou de points servant à réaliser des afficheurs utilisées en instrumentation scientifiques et dans certaines calculatrices.
C'est une diode qui rayonne de la lumière quant elle est traversée par un courant électrique. La chute de tension en fonctionnement entre ses bornes varie entre 1,5V et 2,5V pour courant qui varient entre 10 et 50mA. La chute de tension exacte dépend de la couleur de la diode, de l'intensité du courant, et de l'intensité de la lumière. Sauf indication contraire, on utilise souvent la chute de tension de 2V pour les conceptions. Les constructeurs spécifient les valeurs maximales et minimales du courant ainsi que la plage de la chute de tension.
La photo diode
C'est l'inverse de la diode électroluminescente. Ce sont des jonctions PN silicium polarisées en inverse qui lorsqu'elles sont éclairées par une lumière infrarouge ou visible ont leur courant inverse qui dépend de l'éclairement. Elles sont munies d'une lentille pour focaliser le rayonnement incident.
C'est une diode qui est sensible à la lumière lorsqu'elle est éclairée, elle se débloque et laisse passer un courant, elle est toujours polarisée en inverse est lorsqu'on l'élimine le courant inverse croit rapidement suivant que l'intensité de la lumière est grande.
Diode Schottky
Le symbole:
La diode Schottky a été instaurée à cause des insuffisances de la diode à jonction qui stocke de l'énergie et n'est par conséquent adaptée au redressement haute fréquence (>1MHz). On utilise la diode Schottky dans les calculatrices et les ordinateur, car son temps de commutation est très court, ainsi que pour les redressements haute fréquence.
Les diodes Schottky sont constituées d'une jonction métal semi-conducteur. Leur tension de seuil et leur tension directe sont beaucoup plus faible 0,3V<V0<0,4V. Leur TRR (temps de regroupement inverse), elles sont donc rapide. Elles sont beaucoup plus utilisées dans les circuits numériques.
Diode à courant constant ou régulatrice de courant
Le symbole:
Elle maintient le courant constant dans un circuit pour une tension qui varie. Le constructeur donne la gamme de tension de fonctionnement, exemple: 1N5350 fonctionne de 2 à 100V.
Diode Zener
Le symbole:
(Voir chapitre suivant)
Diode uni-tunnel
Le symbole:
Elle conduit en direct et en inverse. On l'utilise pour faire les redressements des petits signaux donc la crête est comprise entre 0,7V et 0,2V, la tension de seuil très petite (0,054V)
Les diodes varicap
Elles sont utilisées en parallèle sur une capacité fixe pour réaliser un apport électrique (fixe la fréquence de résonance d'un circuit raisonneur), elles sont basées sur le principe qu'une diode polarisée en inverse présente au niveau de la jonction une capacité donc la valeur dépend de la tension inverse appliquée. La loi de la variation est la suivante: C(v')=C0/(1+v'/v0)ß.
C0 est une constante
V0 est la tension de la diode (0,6V silicium, 0,7V Germanium).
ß est compris entre 0,3 et 0,5
v' ne doit pas dépasser 30V
Caractéristique d'une diode
Le comportement de la diode polarisée en direct ou en inverse est décrite par l'équation ie=IS(e|e|Vd/mKT-1) = ie=IS(eVd/mVT-1) avec VT=KT/|e| et K=1,38x10-23J/K=8,62x10-5eV/K
K est la constante de BOLTZMAN
e=-1,6x10-
T : température absolue en Kelvin
m : est un cœfficient empirique d'ajustement de la caractéristique d'une diode avec 1<m<2
Dans la pratique on a généralement VT=26mV lorsque T=300K
Remarque:
La résistance dynamique appelée encore "résistance différentielle" est telle que tg(ß)=1/rd
La résistance statique RD=VD/ID dépend du point de fonctionnement.
Puissance maximale d'une diode
La température maximale Tjmax de la jonction d'une diode est théoriquement celle où le potentiel de contact V0 s'annule et la jonction PN cesse alors d'exister. Dès cet instant la diode perd sa fiabilité, Tjmax varie entre
Tj est la température de la jonction à un instant t.
Ta est la température ambiante.
Rth est la résistance thermique de la jonction.
Cette chaleur est dissipée par effet Joule.
Cette puissance P ne doit jamais dépasser Pmax = (Tmax-Ta)/Rth = (VDo.IDo)max
Les charges dans les diodes
Le claquage dans une diode est l'accroissement brusque et incontrôlable du courant inverse de la diode provoqué par le champ électrique ou par la température.
Le claquage par effet d'avalanche est dû lorsque la tension inverse dépasse la valeur VBR (tension de claquage), pour les diodes fortement dopées avec 5v<VBR<400V.
Le claquage par effet tunnel a lieu lorsque la tension inverse dépasse VBBR pour les diodes faiblement dopées (2V<VBR<5V). Le claquage thermique a lieu lorsque la température de la jonction est supérieure à Tjmax
Probatoire A-ABI 2021 Epreuve de littérature ou de culture générale