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Vidéo de question : Déterminer l’évolution de la résistance du circuit selon l’état de la zone de déplétion de la jonction PN Physique

La figure représente une jonction PN dans un circuit en série. Dans la zone de déplétion de la jonction PN, le côté chargé positivement est représenté en rouge et le côté chargé négativement en bleu. Lorsque les bornes de la source d’alimentation sont inversées, quelle est l’évolution de la résistance du circuit : elle diminue fortement, augmente fortement ou reste quasiment identique ?

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Transcription de vidéo

La figure représente une jonction PN dans un circuit en série. Dans la zone de déplétion de la jonction PN, le côté chargé positivement est représenté en rouge et le côté chargé négativement en bleu. Lorsque les bornes de la source d’alimentation sont inversées, quelle est l’évolution de la résistance du circuit : elle diminue fortement, augmente fortement ou reste quasiment identique ?

Sur la figure, nous avons deux circuits identiques, sauf que la polarité de la source d’alimentation est inversée. Ces deux circuits contiennent une jonction PN. Et si nous regardons de près la zone de déplétion de ces jonctions PN, représentée en rouge et en bleu, nous voyons qu’elles ne sont pas identiques. La zone de déplétion du circuit correspondant à la polarité initiale de la source d’alimentation est beaucoup plus grande que celle du circuit correspondant à la polarité inversée. Comme nous allons le voir, c’est un signe que la résistance du circuit a changé parce que nous avons inversé les bornes de la source d’alimentation.

Pour mieux comprendre les différences entre ces deux zones de déplétion, faisons un peu de place sur l’écran et faisons un zoom sur une jonction PN non reliée à un circuit externe. Dans ce cas, le côté gauche de la jonction est le côté N. Ce nom vient du fait que les porteurs de charge mobiles de ce côté sont des électrons libres dont la charge est négative, tandis que les porteurs de charge mobiles du côté P sont des trous d’électrons, qui sont chargés positivement.

Même si nous avons représenté un certain nombre de charges négatives du côté N et de charges positives du côté P, chacun des côtés de la jonction est globalement électriquement neutre. En effet, les porteurs de charge mobiles s’associent dans chaque cas avec des ions stationnaires, ce qui annulent les charges. Mais ici, pour que le schéma soit plus clair, nous ne représenterons que les charges qui peuvent se déplacer. Comme les charges électriques de signe opposé s’attirent, les électrons libres et les trous d’électrons situés à la limite entre les deux côtés de la jonction PN ont tendance à s’associer.

Lorsque cela se produit, la zone de déplétion qui se crée, au lieu d’être neutre électriquement, possède en fait une charge électrique nette de chaque côté. Cela est dû aux ions positifs stationnaires du côté N de la zone de déplétion et aux ions négatifs stationnaires du côté P de cette zone. Le côté rouge positif de la zone de déplétion et le côté bleu négatif sont indiqués sur le schéma initial.

Prenons alors cette jonction PN et connectons-la au circuit avec la polarité initiale de la source d’alimentation. Voilà ce que nous obtenons, avec la borne positive de la source d’alimentation vers la gauche et la borne négative vers la droite. De manière générale, les charges positives sortent de la borne positive de la source d’alimentation. Dans ce circuit, les charges se déplacent dans le sens des aiguilles d’une montre, alors que les charges négatives provenant de la borne négative de la source d’alimentation se déplacent dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.

Voyons maintenant ce qui se passe lorsque ces charges positives et négatives s’approchent des extrémités opposées de la jonction PN. Sur la gauche, du côté N, beaucoup de porteurs de charges mobiles négatives vont être attirés vers la gauche vers les charges positives qui arrivent. Cela a pour effet de faire grandir la zone de déplétion de ce côté de la jonction. On peut ainsi dire que les charges mobiles négatives s’éloignent du centre de la jonction, mais un phénomène très similaire se produit de l’autre côté de la jonction, là où les charges positives mobiles sont attirées par les charges négatives qui arrivent. Cela a également pour effet de faire grandir la zone de déplétion.

Nous voyons que la zone de déplétion est maintenant plus grande. Plus cette région est grande, moins il est probable qu’un porteur de charge mobile des deux côtés puisse traverser la zone. Par conséquent, plus la zone de déplétion est grande, plus le courant qui traverse la jonction est faible. Pour le circuit avec la polarité initial de la source d’alimentation, il faut s’attendre à ce que le courant dans le circuit soit très faible, peut-être même négligeable. Disons maintenant qu’il y a un interrupteur dans le circuit et que nous pouvons l’ouvrir. Cela a pour effet d’arrêter la circulation de charges dans le circuit et la zone de déplétion revient à sa taille initiale.

Avec l’interrupteur toujours ouvert, disons maintenant que nous inversons la polarité de la source d’alimentation. La borne positive est maintenant à droite et la borne négative à gauche. Si nous fermons maintenant l’interrupteur pour que le circuit soit fermé, les charges positives vont alors commencer à circuler dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, tandis que les charges négatives vont circuler dans l’autre sens, dans le sens des aiguilles d’une montre. Notons que maintenant nous avons des charges positives dans le courant qui s’approchent des charges mobiles du côté P de la jonction et de même des charges négatives dans le courant qui s’approchent des charges mobiles négatives qui sont à l’intérieur.

Comme ce type de charges électriques se repoussent, les charges positives venant de la droite du circuit vont pousser ces charges mobiles positives vers la zone de déplétion. Et de même, les charges négatives venant de l’autre côté de la jonction PN vont aussi pousser les charges mobiles négatives vers le centre de la jonction. Cela a pour effet de réduire la zone de déplétion. En fait, si la tension fournie par la source d’alimentation est suffisamment élevée, la zone de déplétion pourrait disparaître complètement. La zone où les porteurs de charges mobiles ne peuvent pas circuler est donc maintenant relativement plus petite, si elle existe. Cela signifie qu’il y a maintenant beaucoup moins de résistance à la circulation des porteurs de charges mobiles le long de la jonction. Avec le déplacement d’un grand nombre de charges, le courant dans le circuit sera relativement élevé.

En ajustant la polarité de la source d’alimentation de cette manière par rapport à la jonction PN, nous avons considérablement augmenté le courant dans le circuit. Cela s’est produit car nous avons très fortement diminué la résistance de la jonction PN. Et nous pouvons donc répondre à la question concernant l’effet de l’inversion de la polarité de la source d’alimentation sur la résistance globale du circuit. En faisant cela, nous avons fortement diminué la résistance du circuit. Le courant dans le circuit passe donc d’une valeur très faible à une valeur élevée. Voilà l’effet de l’inversion de la polarité de la source d’alimentation.

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