Électronique analogique : Chapitre i la jonction pn cours
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La jonction PN
1Semiconducteur
Lescorps solides sont divisés en troiscatégories selonleurs conductibilitésélectriques:
conducteur, isolant et semiconducteur.
Ex:Conducteur: lesmétauxcomme le Ag, Al.
Isolant: bois, plastique.
Semiconducteur: silicium,germanium.
1.1Définition
Au zéro absolu(0 K°), un semiconducteur est un isolant parfait. A la température ordinaire,
un semiconducteur estlégèrementconducteur. Ou encore, un semiconducteur est tout isolant
qui devient conducteurpar agitation thermique.
1.2Notion de bande d’énergie
Dans un atome, les électrons gravitentautour du noyau sur des orbites permises
(niveauxd’énergiespermis) leur énergie est orbitale. Si cet atome est isolé de ses voisins; il
est dans son état fondamental (chaque électron ypossèdeune énergie minimale, il occupe le
niveau d’énergie le plus bas).
Dans le cas de n atomes d’un cristal, chaque niveau d’énergie d’un électron dans l’atome isolé
donne par interaction plusieurs niveaux distincts mais très voisins formant ainsi une bande
d’énergie. On distingue 3 bandes d’énergie:
-la bande de valence
-la bande de conduction
-la bande interdite(gap)2 -bande de valence:elle contientles électrons de valence, les électrons de cette bande
peuvent quitter la bande d’énergie plus au moins facilement suivant la nature des corps.
-bande deconduction: formée par des états énergétiques vides que les électrons pourront
occuper.
-bande interdite: la bande d’énergie comprise entre le plus bas niveau de la bande de
conduction et le plus
haut niveau de la bande de valence est dite zone interdite. Dans cette
zone les électrons ne peuvent occuper aucun niveau d’énergie. La largeurde cette bande est
donnée par: EG = EC -EV .
Remarque:connaissant le modèle de bande d’énergie, on peut redéfinir les trois types de
solides.
1.3Conductivité des semiconducteurs
L’agitation thermique d’un semiconducteurcrée par rupture d’une liaison covalente
des paires électron-trou (trou: le vide que laisse un électron qui a rompu sa liaison pour se
trouver dans la bande de conduction.On l’appelle aussi lacune).
Ces pairesélectrons-trou sous l’action d’un champ électrique se déplacent: électrons dans le
sens inverse de E et trous dans le même sens que le champ E. on définit ainsi la mobilité des
électronset des trous comme étant:=m2 /volts.s
V: vitesse descharges
E: champ électriqueE CE VB.V B.CE GIsolant EC EV B.VB.C EG SemiconducteurE CB.C Conducteur
Zone interdite très large
Zone interdite très étroite
Pas de zone interditeE +- EC EV trou
électron
électron3 La conductivité est alors définie par: Γ=q+
Avec n: concentration en électron
p:concentrationen trou
Larésistivité d’un semiconducteur est définit comme étant l’inversede la conductivité:=. 1.4Semiconducteursintrinsèque-extrinsèque
Un semiconducteur estintrinsèquelorsqu’il estparfaitementpur. Le cristal est formé
d’un seul type d’atome.Le semiconducteur estextrinsèqueou dopé lorsqu’il présentedes
impuretésmêmeàtrèsfaibledose.
L’introduction en quantité très faible de certaines impuretés dans un cristal semiconducteur
intrinsèquemodifie considérablement la conductivité: le cristal est ditextrinsèqueou dopé.
Doper un cristal semiconducteur c’est donc d’implanter dans ce cristal des atomes
d’impuretés (atomes de nature différentes).
a-Semiconducteur de type n
Sion introduit dans un semiconducteur de (Si) une impureté pentavalente(5 liaisons), les
atomes d’impuretésétablirontdes liaisons covalentes(4 liaisons)avec les atomes du (Si)
voisin. Mais le 5éme électron reste non lié car il n’y a plus de voisin et sera facilementexpulsé.
L’agitation thermique va permettre la libération d’un électron par atome d’impureté.Pour
cela, on appel ce type d’atomes:atomes donneurs.Il en résulte un accroissement de la
concentration en porteurs négatifs (électrons) par rapport au semiconducteurintrinsèque.
Introduction d’impureté(atome P),
le semiconducteurdevient de type n
Semiconducteur pur intrinsèque4 La concentration en porteurs négatifs étant très importante devant celle en porteurs positifs:
on dit que les électrons sont les porteurs majoritaires etles trous sont minoritaires etla
conductivité est de type n.
Lesatomes pentavalents sont appelésatomes donneurspour avoir fournit un électron. Ils
deviennent des ions positifs qui restent fixes dans le réseau cristallin.Puisque la conduction se
fait essentiellement par les électrons, on dit que le semiconducteur est de type n.
b-Semiconducteur de typep
Dans ce cas,on introduit dans le réseaucristallindes atomes contenant moins de 4électrons
de valence, ils sont appelésdes atomes accepteurs. L’atome d’impureté n’apas assez
d’électrons périphériques pourassurer les 4 liaisons avec les 4 voisins.
Si on introduit dans un cristal de (Si) une impureté trivalente(3 liaisons),les atomes
d’impuretés ne peuvent établir que 3 liaisons covalentes avec les atomes du (Si) voisin. On dit
que l’impureté fournit un trou. Une très faible quantité d’énergie est nécessaire pour qu’un
électron d’une liaison voisine vienne combler ce trou, avec apparition d’un nouveau trou,etc..; Chaque atome d’impureté va permettre la libération d’un trou d’où un accroissement
considérable de la concentration en porteurs positifs par rapport au semiconducteur
intrinsèque. Les trous deviennent des porteursmajoritaires etles électrons des porteurs
minoritaires et la conductivité est de type p.
Les atomes trivalents sont appelésatomes accepteurspour avoircaptéun électron, ils
deviennent des ions négatifs qui restent fixes dans le réseau cristallin.Dans ce type de
matériau, la conductivité est assurée essentiellement par les trous et le semiconducteur est de
type p.
Semiconducteur pur intrinsèque
Introduction d’impureté (atome B) ,
le semiconducteurdevient de type p5 Conclusion:
L’introduction des impuretés (donneur ou accepteur) dans un semiconducteurintrinsèque
revient à modifier l’équilibre électrons-trous.
Type n:injection des électronsélectrons majoritaires.
Type p:injection des troustrousmajoritaires.
2La jonction PN
2.1Définition
Si un semiconducteur de type p et un semiconducteur de type n sont réalisés dans un
cristal unique (sans discontinuité dematière) la région située sur la frontière à la limite du
semiconducteur p et du semiconducteur n est appelée jonction p-n.
2.2Principe de fonctionnement d’une jonction p-n
Sous l’effet de l’agitation thermique, lesélectrons libres de la zone n vont diffuser vers
la zone p. une fois dans cette zone, ils vont se recombiner avec les trous excédentaires en zone
p. lorsqu’ils sont recombinés, il y’a fixation de ces électrons en zone p. une charge négative
apparait et elle est fixe.
Dans la zone n, le départ des électrons a crée des charges positives en nombre égal aux trous
qui ont été comblés par les électrons de la zone n. il y’adonc création de chargespositives
dans la zone n et dechargesnégativesdans la zone p.
Jonction P-N6 Cescharges sont fixes et on les appelle leschargesd’espace.Les charges d’espace créent
entre elles, un champ électrique interneE i
dirigé de la zone n vers la zone p. ce champ
repousse les électrons vers la zone n et les trous vers la zone p. au bout d’un certain temps, un
équilibre s’établit et il y’a formation d’une zone de déplétion appelée aussi zone de charge
d’espace (zone videde charge libres). Cette zone a pour effet de s’opposer à la diffusion des
charges (équilibre stable).
Il apparait donc une d.d.p.électrostatique entre la zone p et la zone n appelé aussi potentiel
de diffusion duàla fixation de charges dans les zones dedéplétion.
2.3Courant de diffusion-courant desaturation
Le champ électrique Ei s’oppose au mouvement des porteurs majoritaires, seuls
quelques porteurs dotés d’une énergie cinétique suffisante pourront franchir labarrière
constituée parEi . Ce déplacement de porteurs majoritaires constitue le courant de diffusion Id .
Par contre ce champ va favoriser le passage des porteurs minoritaires qui va constituer le
courant dit de saturation noté Is . Ce courant est en sens inverse du courant de diffusion.
Remarque:lorsque la jonction est en circuit ouvert, un état d’équilibre s’établit dans lequel
l’intensité des courants de diffusion = l’intensité des courants de saturationZ.C.E 7
2.4Jonction p-n polarisée
Lorsqu’on applique unetension V(V = Vp–Vn) auxextrémitésd’une jonction p-n,
on modifie l’équilibre qui s’étaitinstallé. Deux cas sont à envisager:
-polarisation en sens direct Vp > Vn
-polarisation en sens inverse Vp < Vn
a-Polarisation directe
En appliquant une tensionextérieure (Vp > Vn),on crée un champ électrique qui s’oppose au
champ interne Ei . Ce champ électrique va diminuer la hauteur de la barrière de potentiel. Les
électrons de la zonenvont pouvoir traverser la zone de déplétion et diffuser dans la zonep.Il
y’aura conduction libre dans la jonction d’où un courant total dans la jonction donné par la
somme du courant de trous et du courant des électrons. Ce courant est essentiellement celui
des porteurs majoritaires appelé courant direct ou courant de diffusion.
b-Polarisation inverse
En appliquant une tension extérieure (Vp< Vn), on crée un champ électrique dumêmesens
que le champ interne Ei . Ce champ va augmenter la hauteur de labarrièrede potentiel et
bloque le passage des porteurs majoritaires à travers la jonction, mais favorise le passage des
porteurs minoritairesdans les deux zones.Les trous denP et les électrons depn. le courant
résultant est appelé courant inverse ou courantde saturation.
c-Caractéristique courant-tension
En direct=−avec V > 0
Si V augmente, le terme constant est très vite négligeable=
Eninverse=−
Si V augmente,l’exponentieldevient
très vite négligeable devant I.I s