Chapitre i la jonction pn cours - électronique analogique -

Ce document, destiné aux étudiants universitaires en électronique et en physique des matériaux, propose une introduction fondamentale aux semiconducteurs et aux jonctions P-N.

Il débute par la classification des matériaux selon leur conductivité, approfondit la notion de bandes d'énergie, puis explore les semiconducteurs intrinsèques et dopés (types N et P). Enfin, le texte détaille la formation, le principe de fonctionnement et les caractéristiques des jonctions P-N, éléments essentiels à la compréhension des dispositifs électroniques modernes.

Électronique analogique : Chapitre i la jonction pn cours

Télécharger PDF

Le Semiconducteur

Les corps solides sont divisés en trois catégories principales selon leurs capacités à conduire l'électricité : les conducteurs, les isolants et les semiconducteurs.

Pour mieux comprendre ces catégories, voici quelques exemples :

Conducteurs : Les métaux comme l'argent (Ag) et l'aluminium (Al), qui permettent un passage facile du courant électrique.
Isolants : Des matériaux comme le bois ou le plastique, qui bloquent efficacement le passage du courant.
Semiconducteurs : Des éléments tels que le silicium et le germanium, dont la conductivité se situe entre celle des conducteurs et des isolants.

Définition du Semiconducteur

Au zéro absolu (0 Kelvin ou 0 K), un semiconducteur se comporte comme un isolant parfait. Cependant, à température ambiante, ses propriétés changent et il devient légèrement conducteur. On peut donc définir un semiconducteur comme un isolant qui acquiert la capacité de conduire l'électricité sous l'effet de l'agitation thermique.

Notion de Bande d'Énergie

Dans un atome isolé, les électrons gravitent autour du noyau sur des orbites spécifiques, correspondant à des niveaux d'énergie discrets et permis. On parle d'énergie orbitale. Lorsque l'atome est dans son état fondamental, chaque électron occupe le niveau d'énergie le plus bas disponible, possédant ainsi une énergie minimale.

Dans un cristal, qui est une structure composée de nombreux atomes interagissant entre eux, les niveaux d'énergie discrets des atomes isolés se regroupent et forment des "bandes d'énergie". Ces bandes sont constituées de nombreux niveaux d'énergie très proches les uns des autres. On distingue principalement trois bandes d'énergie :

Bande de valence : Cette bande contient les électrons de valence, qui sont les électrons les plus externes d'un atome et qui participent aux liaisons interatomiques. Pour qu'un électron quitte cette bande, il doit acquérir une certaine énergie.
Bande de conduction : Il s'agit d'une bande d'énergie supérieure, normalement vide d'électrons à 0 K. Les électrons qui atteignent cette bande deviennent des porteurs de charge libres et peuvent circuler, contribuant à la conduction électrique.
Bande interdite (Gap) : C'est la zone d'énergie qui sépare la bande de valence de la bande de conduction. Aucun électron ne peut résider de manière stable dans cette zone. Sa largeur est un indicateur clé de la conductivité d'un matériau. Plus le "gap" est étroit, plus le matériau est conducteur.

Remarque : Le modèle des bandes d'énergie est essentiel pour comprendre les différences de conductivité entre les matériaux. Il permet de redéfinir les trois types de solides :

Conducteurs : La bande de valence et la bande de conduction se chevauchent ou la bande de conduction est déjà partiellement remplie, permettant aux électrons de se déplacer librement avec très peu d'énergie.
Semiconducteurs : Il existe une bande interdite de largeur modérée. Les électrons nécessitent une énergie (thermique ou lumineuse) pour franchir cette bande et atteindre la bande de conduction.
Isolants : La bande interdite est très large, ce qui rend extrêmement difficile pour les électrons de passer de la bande de valence à la bande de conduction, même avec une énergie significative.

Conductivité des Semiconducteurs

Dans un semiconducteur, l'agitation thermique joue un rôle crucial. Elle peut provoquer la rupture de liaisons covalentes, entraînant la création de paires électron-trou. Un "trou" (également appelé lacune) représente l'absence d'un électron à un endroit où il devrait normalement se trouver, suite à son déplacement vers la bande de conduction.

Sous l'action d'un champ électrique, ces paires électron-trou se mettent en mouvement : les électrons se déplacent dans le sens inverse du champ électrique (E), tandis que les trous se déplacent dans le même sens que le champ E. La capacité de ces porteurs de charge à se déplacer est caractérisée par leur mobilité électrique. La conductivité d'un semiconducteur dépend directement de la concentration de ces électrons et de ces trous, ainsi que de leur mobilité.

La résistivité, quant à elle, est l'inverse de la conductivité, et elle mesure la capacité d'un matériau à s'opposer au passage du courant électrique.

Semiconducteurs Intrinsèques et Extrinsèques

Un semiconducteur est dit intrinsèque lorsqu'il est parfaitement pur, c'est-à-dire que son cristal est composé d'un seul type d'atomes (par exemple, le silicium pur). Sa conductivité est alors uniquement due à l'agitation thermique, créant un nombre égal d'électrons et de trous.

En revanche, un semiconducteur est qualifié d'extrinsèque ou dopé lorsqu'il contient des impuretés, même en très faible concentration. Ces impuretés sont volontairement ajoutées pour modifier ses propriétés électriques de manière contrôlée.

L'introduction contrôlée de très faibles quantités de certaines impuretés dans un cristal semiconducteur intrinsèque a pour effet de modifier considérablement sa conductivité. C'est ce processus que l'on appelle le dopage. Doper un semiconducteur consiste à y implanter des atomes d'impuretés, c'est-à-dire des atomes de nature chimique différente de celle du matériau hôte.

Semiconducteur de Type N

Si l'on introduit dans un semiconducteur comme le silicium (Si) une impureté pentavalente (un atome ayant 5 électrons de valence, comme le phosphore P), les atomes d'impuretés forment quatre liaisons covalentes avec les atomes de silicium voisins. Le cinquième électron de l'impureté n'a pas de liaison à former et reste faiblement lié à son atome. Une légère agitation thermique suffit pour libérer cet électron.

Ces atomes d'impuretés sont appelés "atomes donneurs" car ils "donnent" un électron supplémentaire au réseau cristallin. Après avoir libéré un électron, l'atome donneur devient un ion positif qui reste fixe dans le réseau cristallin. Cela entraîne un accroissement significatif de la concentration en porteurs de charge négatifs (les électrons) par rapport au semiconducteur intrinsèque. Dans un semiconducteur de type N, les électrons sont les porteurs majoritaires, tandis que les trous sont les porteurs minoritaires. La conductivité est alors principalement assurée par le déplacement des électrons.

Semiconducteur de Type P

Pour créer un semiconducteur de type P, on introduit dans le réseau cristallin des atomes d'impuretés qui possèdent moins de 4 électrons de valence. Ces impuretés sont appelées "atomes accepteurs". Un atome accepteur n'a pas suffisamment d'électrons périphériques pour former les quatre liaisons covalentes requises avec ses quatre voisins du cristal de silicium, par exemple.

Par exemple, si l'on introduit une impureté trivalente (ayant 3 électrons de valence, comme le bore B) dans un cristal de silicium, cet atome d'impureté ne pourra établir que trois liaisons covalentes avec ses voisins. Il manque alors un électron pour compléter la quatrième liaison, ce qui crée un "trou" (une lacune) dans le réseau cristallin.

Ces atomes d'impuretés sont appelés "atomes accepteurs" car ils sont prêts à "accepter" un électron. Une très faible quantité d'énergie suffit pour qu'un électron d'une liaison covalente voisine vienne combler ce trou, créant ainsi un nouveau trou à l'endroit d'où il est parti. Après avoir capté un électron, l'atome accepteur devient un ion négatif qui reste fixe dans le réseau cristallin. Ce mécanisme conduit à un accroissement considérable de la concentration en porteurs de charge positifs (les trous) par rapport au semiconducteur intrinsèque. Dans un semiconducteur de type P, les trous sont les porteurs majoritaires et les électrons sont les porteurs minoritaires. La conductivité est donc principalement assurée par le mouvement des trous.

Conclusion sur les Semiconducteurs Dopés

En résumé, l'introduction d'impuretés (donneuses ou accepteuses) dans un semiconducteur intrinsèque permet de déséquilibrer volontairement la concentration en électrons et en trous. Cette modification fondamentale de l'équilibre des porteurs de charge est la base de l'électronique des semiconducteurs :

Semiconducteur de type N : Caractérisé par une surabondance d'électrons libres, qui deviennent les porteurs majoritaires, augmentant ainsi la conductivité.
Semiconducteur de type P : Caractérisé par une surabondance de trous, qui deviennent les porteurs majoritaires, augmentant également la conductivité.

La Jonction PN

Définition de la Jonction PN

Une jonction P-N est formée lorsque l'on assemble, au sein d'un même cristal et sans discontinuité matérielle, une région de semiconducteur de type P avec une région de semiconducteur de type N. La jonction P-N désigne spécifiquement la frontière ou l'interface entre ces deux zones.

Principe de Fonctionnement d'une Jonction P-N

Lors de la mise en contact d'un semiconducteur de type P et d'un semiconducteur de type N pour former une jonction P-N, des phénomènes de diffusion se produisent sous l'effet de l'agitation thermique :

Les électrons majoritaires de la zone N diffusent vers la zone P.
Les trous majoritaires de la zone P diffusent vers la zone N.

Lorsque les électrons de la zone N diffusent vers la zone P et s'y recombinent avec des trous, ils laissent derrière eux des atomes donneurs ionisés positivement et immobiles dans la zone N. Simultanément, les trous qui diffusent de la zone P vers la zone N laissent derrière eux des atomes accepteurs ionisés négativement et immobiles dans la zone P. Ces charges ioniques fixes (positives en zone N et négatives en zone P) forment une région appelée "zone de charge d'espace" ou "zone de déplétion", caractérisée par l'absence de porteurs de charge libres.

Ces charges d'espace fixes créent un champ électrique interne (Ei) dirigé de la zone N vers la zone P. Ce champ s'oppose à la poursuite de la diffusion des porteurs majoritaires (il 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 cette zone de déplétion agit comme une barrière qui s'oppose efficacement à la diffusion des charges, maintenant ainsi un équilibre stable.

En conséquence de la formation de cette zone de charge d'espace, il apparaît une différence de potentiel électrostatique entre la zone P et la zone N, que l'on appelle le potentiel de diffusion ou barrière de potentiel. Cette tension interne est due à la séparation des charges fixes dans la zone de déplétion.

Courant de Diffusion et Courant de Saturation

Le champ électrique interne (Ei) présent dans la zone de déplétion s'oppose au mouvement des porteurs majoritaires. Seuls les porteurs majoritaires possédant une énergie cinétique suffisante peuvent franchir cette barrière de potentiel. Le flux de ces porteurs majoritaires constitue le courant de diffusion (Id).

À l'inverse, ce même champ électrique interne (Ei) favorise le passage des porteurs minoritaires à travers la jonction P-N. Ce mouvement des porteurs minoritaires crée le courant de saturation (Is). Il est important de noter que le courant de saturation circule dans le sens opposé au courant de diffusion.

Remarque : Lorsque la jonction P-N est en circuit ouvert, un état d'équilibre est atteint où l'intensité du courant de diffusion est égale à l'intensité du courant de saturation, ce qui résulte en un courant net nul.

Jonction P-N Polarisée

L'application d'une tension externe (V = Vp – Vn) aux bornes d'une jonction P-N modifie l'équilibre naturel établi. Deux cas principaux peuvent être envisagés, chacun ayant un effet distinct sur le fonctionnement de la jonction :

Polarisation directe : La tension appliquée rend la zone P plus positive que la zone N (Vp > Vn).
Polarisation inverse : La tension appliquée rend la zone P plus négative que la zone N (Vp < Vn).

Polarisation Directe

Lors de la polarisation directe, une tension externe est appliquée de manière à rendre le côté P plus positif que le côté N (Vp > Vn). Cette tension externe génère un champ électrique qui s'oppose au champ électrique interne (Ei) de la zone de déplétion. En conséquence, la barrière de potentiel est réduite, ce qui permet aux porteurs majoritaires (électrons de la zone N et trous de la zone P) de franchir plus facilement la zone de déplétion.

Il en résulte une conduction significative à travers la jonction P-N, créant un courant important. Ce courant est principalement dû au déplacement des porteurs majoritaires et est appelé courant direct ou courant de diffusion.

Polarisation Inverse

En polarisation inverse, la tension externe appliquée rend le côté P plus négatif que le côté N (Vp < Vn). Le champ électrique externe ainsi créé s'additionne au champ électrique interne (Ei) de la jonction P-N. Cela a pour effet d'augmenter la hauteur de la barrière de potentiel, rendant le passage des porteurs majoritaires (électrons de N, trous de P) extrêmement difficile, voire bloqué.

Cependant, ce champ renforcé favorise le passage des porteurs minoritaires (trous de la zone N et électrons de la zone P) à travers la jonction P-N. Le faible courant qui en résulte est appelé courant inverse ou courant de saturation. Il est généralement très faible, sauf en cas de claquage de la jonction, où une augmentation brutale du courant peut se produire sous une tension inverse élevée.

Caractéristique Courant-Tension (I-V)

La caractéristique courant-tension (I-V) d'une jonction P-N décrit la relation entre le courant qui traverse la jonction et la tension qui lui est appliquée. Elle illustre clairement la différence de comportement entre la polarisation directe et inverse :

En polarisation directe : Lorsque la tension directe (V > 0) augmente au-delà d'un certain seuil (tension de seuil ou de coude, typiquement 0,7 V pour le silicium), le courant direct croît de manière exponentielle. La jonction se comporte comme un interrupteur fermé, permettant au courant de passer facilement.
En polarisation inverse : Lorsque la tension inverse (V < 0) est appliquée, le courant qui traverse la jonction reste très faible et quasi constant (le courant de saturation Is), jusqu'à l'atteinte d'une tension de claquage où le courant augmente brusquement et de manière incontrôlée. La jonction se comporte alors comme un interrupteur ouvert (idéalement), bloquant la majorité du courant.

Foire Aux Questions (FAQ)

Qu'est-ce qu'un semiconducteur intrinsèque ?
Un semiconducteur intrinsèque est un matériau semiconducteur d'une pureté exceptionnelle, composé uniquement d'un seul type d'atomes (par exemple, le silicium pur). Sa conductivité est naturellement faible et provient uniquement de la création de paires électron-trou par agitation thermique.

Quelle est la différence fondamentale entre un semiconducteur de type N et un de type P ?
La différence réside dans le type d'impuretés ajoutées. Un semiconducteur de type N est dopé avec des impuretés donneuses (pentavalentes) qui libèrent des électrons supplémentaires, faisant des électrons les porteurs de charge majoritaires. Un semiconducteur de type P est dopé avec des impuretés accepteuses (trivalentes) qui créent des trous supplémentaires, faisant des trous les porteurs de charge majoritaires.

À quoi sert une jonction P-N dans l'électronique ?
La jonction P-N est la base de nombreux composants électroniques essentiels, notamment la diode. Sa capacité à ne laisser passer le courant que dans un seul sens (en polarisation directe) et à le bloquer dans l'autre (en polarisation inverse) est utilisée pour la rectification du courant alternatif, la détection de signaux, et la fabrication de transistors et de cellules solaires.