Fiche explicative de la leçon: Diodes Semi-conductrices Physique • Troisième année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à représenter une diode semi-conductrice en tant que jonction entre des semi-conducteurs dopés de type n et de type p.

Les diodes sont des composants de circuits électriques qui permettent au courant de circuler dans un sens mais pas dans l’autre. Dans cette fiche explicative, nous discuterons de leur fonctionnement au niveau subatomique.

Les diodes sont constituées de semi-conducteurs. Le semi-conducteur utilisé le plus souvent est basé sur un réseau d’atomes de silicium. Un atome de silicium a quatre électrons dans sa couche externe ou de valence, qui sont disponibles pour former des liaisons avec les atomes adjacents. Dans un réseau d’atomes de silicium, chaque électron de la couche externe est lié à un atome de silicium adjacent. Ceci est illustré par le schéma suivant.

Lorsque nous dopons ce réseau avec un autre élément comme le phosphore, qui a cinq électrons dans sa couche externe, il y a un électron « de plus » qui n’est pas lié à un atome de silicium adjacent. Cet électron (indiqué par une flèche sur le schéma ci-dessous) est alors libre de se déplacer à travers le réseau. Ces électrons libres sont chargés négativement, alors ce type de semi-conducteur dopé est appelé de type n.

Il est important de se rappeler que le matériau dans son ensemble n’a pas de charge électrique : le nombre total de protons et d’électrons est le même. Lorsque nous le qualifions de type n, nous voulons seulement dire que les porteurs de charge qui sont libres de se déplacer - dans ce cas, les électrons - ont une charge négative.

Nous pouvons également doper le silicium avec un atome qui a trois électrons dans sa couche externe, comme le bore. Dans ce cas, il y aura un trou. Un trou en lui-même n’a pas de charge, mais par rapport à un électron, il est chargé positivement. D’autres électrons seront attirés vers ce trou et s’y déplaceront depuis un autre atome pour le remplir. Bien que, dans la pratique, ce soient les électrons qui se déplacent, nous imaginons que c’est le trou qui se déplace autour du réseau lorsque différents électrons le remplissent chacun à leur tour. Cela signifie que le porteur de charge est chargé positivement, alors nous appelons ce type de semi-conducteur dopé de type p. Dans le schéma ci-dessous, nous indiquons le trou par un cercle en pointillés.

Ces semi-conducteurs dopés ont des propriétés intéressantes lorsque nous les joignons ensemble. Sur le schéma ci-dessous, nous avons un semi-conducteur de type p à gauche et un semi-conducteur de type n à droite. Là où ils se rencontrent, nous avons une jonction que nous appelons la jonction PN.

Pour simplifier, nous avons omis les noyaux atomiques et les électrons liés et nous avons montré uniquement les porteurs de charge : les trous chargés positivement à gauche et les électrons chargés négativement à droite. Rappelez-vous cependant que les deux côtés sont globalement électriquement neutres.

Lorsque c’est arrangé comme ceci, nous avons des trous d’un côté qui attirent les électrons et beaucoup d’électrons libres de l’autre côté. Certains des électrons proches de la jonction se diffuseront donc à travers la jonction pour combler les trous du côté p, comme indiqué sur le schéma suivant.

Le côté p précédemment neutre a maintenant acquis un électron et a donc une charge négative. De même, le côté n a perdu un électron, donc il a plus de protons que d’électrons et est maintenant chargé positivement. Dans le schéma suivant, le trou rempli est représenté par une charge négative, et l’absence d’électron sur le côté n est représentée par une charge positive.

Davantage d’électrons près de la jonction la traversent pour remplir les trous du côté p, comme illustré sur le schéma ci-dessous.

On aboutit à une accumulation de charge négative près de la jonction du côté p et de charge positive du côté n de la limite. Ceci est illustré par le schéma suivant.

Cette région où il y a une charge négative d’un côté et une charge positive de l’autre est appelée zone de déplétion, ou zone de charge d’espace. L’accumulation de charge crée un champ électrique, appelé sur le schéma ci-dessous, à travers la zone de déplétion.

L’accumulation de charges négatives près de la jonction côté p agit maintenant comme une barrière, repoussant les autres électrons qui pourraient sauter à travers.

Maintenant, regardons quelques exemples qui se rapportent aux semi-conducteurs dopés et aux propriétés de la jonction PN.

Exemple 1: Comprendre les semi-conducteurs dopés

Le schéma illustre un réseau d’atomes de silicium dans un semi-conducteur. Le côté gauche du réseau a été dopé avec des ions donneurs. C’est ce qu’on appelle le côté n. Le côté droit du réseau a été dopé avec des ions accepteurs. Ce côté du réseau est appelé le côté p. Les régions de chaque côté de la ligne de division sont de taille égale et la concentration en ions est la même des deux côtés. Le semi-conducteur est en équilibre thermique.

1. Quel est le rapport entre les électrons libres du côté n et les trous du côté p ? 
2. Quelle est la différence entre la charge électronique relative nette dans les deux régions ? 

Réponse

Partie 1

Dans cet exemple, nous avons un semi-conducteur dopé dans lequel le côté n est à gauche et le côté p est à droite. Le côté n a été dopé avec du phosphore, qui a cinq électrons dans sa couche externe. Chaque atome fournit donc un électron « libre ». Le côté p à droite est dopé avec du bore, qui a trois électrons dans sa couche externe. Chaque atome de bore contribue donc avec un trou, ou porteur de charge positive. On nous dit que les deux régions sont de taille égale et ont une concentration ionique égale, c’est-à-dire la densité des ions accepteurs ou donneurs. Cela signifie qu’il y aura un nombre égal d’électrons libres du côté n et de trous du côté p. Le rapport entre les électrons libres du côté n et les trous du côté p est donc égal à 1.

Partie 2

Nous devons maintenant considérer la charge électronique nette dans chaque région. Il existe une idée aussi fausse que répandue qui dit que le fait d’avoir des électrons libres veut dire que la région de type n est chargée négativement. En fait, la région est électriquement neutre, car les atomes donneurs ont le même nombre de protons que d’électrons. La même chose est vraie du côté p : les ions accepteurs ont moins d’électrons que les atomes de silicium, mais aussi moins de protons. Globalement, les deux régions sont électriquement neutres. La différence entre la charge électronique nette dans les deux régions est donc nulle.

Exemple 2: Comprendre les jonctions PN

Dans une jonction PN, les électrons libres et les trous peuvent se diffuser à travers la jonction, comme indiqué sur le schéma.

1. Vers quel côté de la jonction est le sens du courant de diffusion net ? 
2. Dans laquelle des régions suivantes la concentration d’électrons libres est-elle la plus grande ? 
   1. le côté p
   2. au milieu de la jonction
   3. le côté n
3. Dans laquelle des régions suivantes la concentration de trous est-elle la plus élevée ? 
   1. le côté n
   2. le côté p
   3. au milieu de la jonction
4. Dans laquelle des régions suivantes la concentration des électrons libres et des trous est-elle la plus faible ? 
   1. au milieu de la jonction
   2. le côté p
   3. le côté n

Réponse

Partie 1

Ici, nous avons un semi-conducteur avec une région n pleine d’électrons libres à gauche et une région p pleine de trous à droite. Des électrons libres de la région n vont diffuser à travers la jonction pour remplir les trous dans la région p. On peut dire de manière équivalente que les trous se diffusent de la région p vers la région n. Lorsqu’on discute des courants électriques, la convention est que leur direction est celle qui suit le déplacement des charges positives. La direction du courant de diffusion net est donc vers la région n.

Partie 2

Des électrons libres sont distribués dans cette jonction PN. Ils ont une plus grande concentration à gauche, dans la région n : on peut le voir sur le schéma ou rappeler qu’une région n est nommée ainsi parce qu’elle est dopée de sorte qu’elle a des électrons libres. La réponse est donc C, le côté n.

Partie 3

Nous avons des trous partout dans la jonction PN, mais leur concentration est la plus élevée dans la région p. La réponse est donc B, le côté p.

Partie 4

Étant donné une forte concentration d’électrons libres du côté n et une forte concentration de trous sur le côté p, les électrons auront tendance à se diffuser à travers la jonction et à se combiner avec les trous du côté p. À ce stade, les électrons ne sont plus « libres ». De même, une fois qu’ils ont remplis les trous, ceux-ci ne sont plus vides. La concentration des électrons libres et des trous sera donc plus petite au milieu où cela se produit, alors la réponse est A, au milieu de la jonction.

Connectons maintenant la jonction PN à une source d’alimentation dans un circuit électrique. Un schéma électrique est illustré ci-dessous.

Rappelez-vous que la direction du courant conventionnel va de la borne positive à la borne négative, de sorte que le courant circulera dans le sens antihoraire dans ce circuit.

Considérons la réaction de porteurs de charge positives et négatives dans une jonction PN à travers laquelle on applique une différence de potentiel.

Les trous chargés positivement du côté p de la jonction sont attirés par sa borne négative, et donc loin de la zone de déplétion. Cela permet à plus d’électrons libres du côté n d’être présents dans le côté p de la zone de déplétion.

De même, les électrons libres chargés négativement du côté n de la jonction sont attirés vers sa borne positive, et donc loin de la zone de déplétion. Cela permet à plus de trous du côté p d’être présents dans le côté n de la zone de déplétion.

On voit alors que la zone de déplétion se dilate à la suite de la différence de potentiel appliquée. Ceci est illustré dans le schéma ci-dessous.

La zone de déplétion élargie agit comme une barrière encore plus forte, empêchant les électrons de traverser la jonction. Il n’y aura donc pas de courant dans ce circuit. Une jonction PN dans cette configuration est appelée « en polarisation inverse ».

Inversons maintenant la polarité de la source d’alimentation du circuit, comme indiqué sur le schéma suivant.

Dans ce cas, nous avons le côté p connecté à la borne positive et le côté n connecté à la borne négative.

Comme le montre le schéma suivant, les électrons libres du côté n sont repoussés par la borne négative, les poussant vers le milieu de la jonction. Cette « poussée » surmonte la limite à la jonction PN, permettant aux électrons de traverser de l’autre côté et de remplir les trous.

Comme les électrons sont maintenant en mesure de traverser la limite, il y aura du courant à travers ce circuit. Nous appelons une jonction PN dans cette orientation « en polarisation directe » .

Ces propriétés d’une jonction PN la rendent utile dans les circuits électriques où nous voulons permettre au courant de circuler dans un sens et non dans l’autre. Elles forment donc la base d’un composant appelé diode. Une diode agit comme une soupape dans un circuit : lorsqu’elle est en polarisation directe, le courant peut la traverser, mais lorsqu’elle est en polarisation inverse, il ne peut y avoir de courant à travers elle.

Exemple 3: Identifier les jonctions PN en polarisation directe et inverse

Le schéma illustre une jonction PN dans un circuit. Le côté chargé positivement de la zone de déplétion de la jonction est représenté en rouge, et le côté chargé négativement est représenté en bleu. La jonction est-elle en polarisation directe ou inverse ? 

Réponse

Nous avons un circuit composé d’une source d’alimentation et d’une jonction PN. Le côté chargé positivement de la zone de déplétion est à gauche, et le côté chargé négativement est à droite. Rappelons que la région de charge positive se produit parce que des électrons libres de ce côté ont traversé la jonction pour remplir les trous de l’autre côté. La gauche est donc le côté n, ou le côté qui contient des électrons libres.

Rappelons également que le courant conventionnel est le flux de charge positive, dans la direction allant de la borne positive vers la négative, qui est dans le sens des aiguilles d’une montre dans ce circuit. Cela signifie que le flux d’électrons est dans le sens antihoraire. Nous avons donc des électrons entrant dans le côté p à droite, où ils vont se combiner avec les trous et renforcer le côté chargé négativement de la zone de déplétion. Cela agira comme une barrière, repoussant les électrons supplémentaires. L’inverse se produit du côté p, où les trous sont repoussés par la borne chargée positivement, renforçant la barrière de ce côté.

Cette barrière renforcée empêche le courant, de sorte que la jonction est en polarisation inverse.

Si nous considérons un circuit contenant une jonction PN dans lequel la différence de potentiel peut être modifiée, comment le courant changera-t-il ? Nous pouvons le voir sur un graphique courant-tension ou - .

Si la jonction agit comme un commutateur, on peut s’attendre à ce que le graphique ressemble à celui ci-dessous. Il y a zéro courant lorsque la jonction est en polarisation inverse (indiquée par une tension négative) et un fort courant lorsque la tension est positive.

Nous appelons cela une « diode parfaite ». En pratique, les diodes ne fonctionnent pas parfaitement. Un graphique - d’une diode réelle peut ressembler davantage à celui ci-dessous.

Ici, lorsque la tension est négative (ou que la jonction PN est en polarisation inverse), le courant est presque, mais pas exactement, nul. Le petit courant qui existe est négatif, pour indiquer que sa direction est opposée par rapport au cas de polarisation directe. Lorsqu’il y a une tension négative suffisamment grande, la jonction se brise et arrête de bloquer le courant. La tension à laquelle cela se produit est appelée « tension de claquage ».

Lorsque la jonction est en polarisation directe, une diode réelle ne fait pas circuler immédiatement un courant important. Il y a une tension de seuil en dessous de laquelle le courant sera faible, et au-dessus de ce seuil, il y aura un courant important.

Ce dernier exemple sera pratique pour interpréter un graphique courant-tension pour une jonction PN.

Exemple 4: Comprendre les graphiques courant-tension pour les jonctions PN

Le graphique illustre la variation du courant traversant une jonction PN avec la tension externe appliquée aux bornes de la jonction. Le graphique contient une région où le courant est presque nul. Cette région correspond-elle à la jonction PN étant en polarisation directe ou inverse ? 

Réponse

Le graphique montre ce qui arrive au courant à travers une jonction PN lorsque la tension augmente. Lorsque la tension est négative, il y a un petit courant négatif. Lorsque la tension est positive, le courant est aussi positif et augmente rapidement avec la tension.

La question est sur la région où le courant est presque nul. Cela se réfère à la partie où la tension est négative et le courant est aussi négatif mais très proche de zéro. Dans cette région, la jonction PN affiche une très grande résistance de sorte qu’il n’y a presque pas de courant. Lorsque la polarité de la l’alimentation en tension externe est inversée, la jonction PN n’offre pratiquement aucune résistance et le courant est très élevé. Ces conditions correspondent respectivement à la jonction en polarisation inverse et en polarisation directe. Ainsi, lorsque le courant est presque nul, la jonction PN est en polarisation inverse.