Composants passifs à semi

Composants passifs à semi-conducteurs
Résumé
Parmi les applications de base de l’électronique, l’assemblage de deux semi-conducteurs de types
différents permet de créer la diode à jonction PN. Mais en observant les propriétés de ce composant,
passif, on remarque que plusieurs phénomènes peuvent être mis à profit pour constituer des diodes
disposant de fonctions particulières.
L’inventaire commence par la diode à jonction au travers de sa constitution, son symbole et sa
caractéristique statique tension-courant qui met en évidence deux types de fonctionnement :
passante en direct (tension de polarisation positive) et bloquée en inverse (polarisation
négative). Des éléments de physique des semi-conducteurs rappellent que cette caractéristique est
fortement influencée par la température. Pour mettre aisément à profit ce composant, la
caractéristique est progressivement simplifiée pour atteindre son modèle parfait. Une note rapide
évoque le comportement dynamique pour terminer sur les applications essentielles de cet élément.
Parmi les diodes spéciales, on retiendra les diodes contrôlant l’effet d’avalanche en inverse : C’est
la diode Zener. Comme pour la diode à jonction, son symbole et sa caractéristique tension-courant
sont décrits. Vient ensuite la diode rapide ou Schottky, la mise à profit de la variation de la capacité
inverse par la tension de polarisation de la diode varicap et l’utilisation d’un effet quantique, la
diode tunnel. Une rapide description de la diode électroluminescente termine les diodes et la
variation de la résistivité des semi-conducteurs avec la température clôture ce document.
Sommaire
I. Introduction......................................................................................................... 2
II. Diode à jonction PN ........................................................................................... 2
II.1. Constitution – Symbole ..................................................................................................2
II.2. Caractéristique statique tension–courant ........................................................................2
II.3. Influence de la température ...........................................................................................3
II.4. Caractéristiques statiques idéalisées...............................................................................3
II.5. Notes sur le comportement dynamique ..........................................................................3
II.6. Applications des diodes à jonction PN ............................................................................3
III. Diodes spéciales................................................................................................ 4
III.1. Contrôle de l’avalanche en inverse : Diode Zener .........................................................4
III.2. Création d’une jonction rapide : Diode Schottky............................................................4
III.3. Contrôle de la capacité inverse : Diode varicap .............................................................4
III.4. Effet quantique : Diode tunnel ......................................................................................5
III.5. optoélectronique : Diodes électroluminescentes (DEL) ...................................................6
IV. Autres composants ............................................................................................ 6
V. Bibliographie ..................................................................................................... 6
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I. Introduction
De par leurs propriétés électriques, les semi-conducteurs peuvent être assemblés pour constituer
des composants qui entrent dans la réalisation des fonctions électroniques. De manière générale, on
dit qu’ils sont passifs si l’énergie qu’ils absorbent est positive. S’ils en délivrent, on dit qu’ils sont actifs.
Dans cette classification, ce document aborde les composants passifs à semi-conducteurs.
II. Diode à jonction PN
II.1. Constitution – Symbole
Une diode à jonction est un composant constitué d’une jonction PN (Figure 1) rendue accessible
par deux contacts électriques (obtenus par métallisation). Son symbole et les notations sont
représentées à la Figure 2 (pour le retenir, noter que le sens du courant est celui du triangle).
Anode
Métallisations
P
N
Cathode
iD
uD
Figure 1 : Constitution d'une diode à jonction.
Figure 2 : Symbole de la diode.
II.2. Caractéristique statique tension–courant
Le fonctionnement est traduit par le lien entre la
tension et le courant : la caractéristique tension–
courant. Elle est relevée dans les quatre quadrants en
polarisant la diode en suivant le schéma de la Figure 3.
Le résultat est décrit à la Figure 4.
iD
E
variable
Courant direct maximal d’emploi (IFM)
Tension d’avalanche, VA de 100 à 1 000V
uD
R
Attention : ce relevé est obligatoirement attaché
aux notations des sens des tension et courant.
Fonctionnement en inverse
D
Figure 3 : Polarisation de la diode.
iD
Fonctionnement en direct
Conductance dynamique : ∆iD/∆uD
≈1V
uD
Tension de seuil VD0
Courant inverse : qq µA.
Phénomène d’avalanche irréversible :
destruction de la jonction
Tension inverse maximale (VRM)
Figure 4 : Caractéristique tension–courant d'une diode.
L’observation de cette caractéristique permet de distinguer deux régimes de fonctionnement :
• Dans le sens direct (iD et uD positifs), la diode est passante ; la tension uD est faible
(≈1V) et le courant croît très rapidement avec la tension ;
• Dans le sens inverse (iD et uD négatifs), la diode est bloquée ; le courant est faible
quelque soit la tension (courant de saturation).
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II.3. Influence de la température
La loi d’évolution du courant dans la diode est :
ud
id = I s (e
UT
−1) avec UT = kT
q
Le courant de saturation IS traduit l’existence des
porteurs minoritaires et croît avec la température.
iD
T
La conséquence est que le courant direct croît plus
vite : Pour une diode au silicium, il double environ tous
les 10 °C. La tension directe (donc de seuil) diminue :
Pour une diode au silicium, elle décroît linéairement de
2 mV par °C.
uD
En inverse, le courant augmente avec T.
T
La modification résultante de la caractéristique
apparaît à la Figure 5.
Figure 5 : Influence de T.
II.4. Caractéristiques statiques idéalisées
L’usage du modèle complet est rarement nécessaire. On simplifie la caractéristique par étapes
successives comme l’indique le Tableau 1.
Le premier modèle montre la conduction au-delà de la tension de seuil VD0 (source de tension
associée) et linéarise le fonctionnement en conduction par une résistance en série rD. Puis, peu à peu,
chacun des éléments est éliminé. On obtient finalement le modèle « deux segments » de la diode.
iD
iD
iD
Pente 1/rD
uD
1V
1V
VD0
En direct : uD = VD0 + rDiD
VD0
A
rD
En direct : uD = VD0, ∀ iD.
K
iD
En inverse : iD = Is.
A
Is
uD
1V
uD
VD0
A
K
iD
VD0
En inverse : iD = 0, ∀ uD.
K
A
K
En direct : uD = 0, ∀ iD.
A
K
En inverse : iD = 0, ∀ uD.
A
K
ID<0
Tableau 1: Les modèles les plus simples de la diode.
II.5. Notes sur le comportement dynamique
L’étude précédente met l’accent sur le fonctionnement statique, c’est à dire lorsque les grandeurs
tension et courant sont établies. Quand ces grandeurs évoluent dans le temps, la diode peut passer
d'un état à l'autre (par exemple de l’état bloqué, en inverse, à l’état passant, en direct). C’est le
fonctionnement en commutation.
Lors de la mise en conduction, le courant s’établit dans le circuit en apportant des charges qui
sont stockées au niveau de la jonction. Ceci procure une faible chute de tension en conduction. Mais
en contrepartie, leur évacuation ralentit la commutation lors de la phase de blocage. Ceci est
caractérisé par le temps de recouvrement trr.
II.6. Applications des diodes à jonction PN
La première fonction de la diode est le redressement pour rendre une tension unidirectionnelle en
électronique « petits signaux », comme en électronique de puissance dans les convertisseurs
d’énergie.
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III. Diodes spéciales
A côté du principe redresseur des propriétés secondaires sont mises à profit pour donner lieu à
d’autres types de diodes.
III.1. Contrôle de l’avalanche en inverse : Diode Zener
Lorsque la diode est fortement polarisée en inverse, le champ électrique donne aux porteurs
minoritaires une accélération suffisante pour en arracher d’autres aux atomes du semi-conducteur par
une succession de chocs ionisants. Le processus s’emballe et conduit à un phénomène
d’avalanche. Celle-ci est destructive pour la plupart des diodes. Mais l’effet Zener permet le
contrôle des porteurs pour limiter le courant et assurer la réversibilité du processus.
La tension inverse est constante (tension Zener) pour un courant variable (Figure 6).
iD
Dz
VZ
uD
Figure 6 : Caractéristique de la diode Zener.
Figure 7 : Symbole de la diode Zener.
Les diodes Zener s’emploient essentiellement dans les références de tension. On en trouve de 2,4
jusqu’à 270 V.
III.2. Création d’une jonction rapide : Diode Schottky
Plutôt que de réaliser la jonction avec des semi-conducteurs de types différents, on substitue une
couche métallique au semi-conducteur P ou N. La caractéristique de la diode obtenue est similaire à
celle d’une diode de redressement, mais avec une tension directe plus faible (diminution de la tension
de seuil, ≈0,3 V). L’avantage essentiel provient de l’absence de charges stockées durant la
conduction. Le temps de recouvrement est diminué (trr < 500 ns) : la diode est plus rapide.
D
Figure 8 : caractéristiques comparées.
Figure 9 : Symbole de la diode Schottky.
Ces diodes s’emploient dans les redresseurs rapides petits signaux et dans les composants
logiques rapides.
III.3. Contrôle de la capacité inverse : Diode varicap
Quand la jonction de la diode est polarisée en inverse, la barrière de potentiel est renforcée. La
zone de charge d’espace apparaît comme un isolant entre les deux parties semi-conductrices : La
jonction se comporte comme un condensateur dont la capacité est fonction de la tension inverse.
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L’expression qui évalue la capacité de transition CT de la jonction en fonction de la tension vr est
donnée par la relation :
CT =
C0
(1+vr /VD0)γ
avec VD0 la tension de seuil, C0 la capacité de la jonction non polarisée et γ un coefficient qui rend
compte de la transition de la jonction (à partir de 0,33). Le graphe de la Figure 10 montre l’évolution
graphique de cette capacité.
CT
D
C0
D
vr = –vD
V
Figure 10 : Evolution de la capacité de transition.
Figure 11 : Symboles de la diode varicap.
Ce type de diode est employé en haute fréquence dans les circuits oscillants accordés qui
prennent place dans les oscillateurs commandés en tension pour la radio.
III.4. Effet quantique : Diode tunnel
L'effet tunnel est une conséquence de la mécanique quantique. Son principe repose sur la
probabilité non nulle pour un électron en mouvement de franchir une barrière de potentiel d’énergie
supérieure à son énergie cinétique.
Cet effet est obtenu avec une jonction créée avec des semi-conducteurs fortement dopés. La
conséquence s’apparente à un effet d’avalanche en direct. Le courant qui augmente rapidement puis
décroît et reprend sa croissance exponentielle (comme pour une diode classique).
Il en résulte la caractéristique représentée à la Figure 12. La portion où le courant décroît en
fonction de la tension est la partie utile (entre la tension de pic Vp et la tension de vallée Vv). On y
observe une conductance négative, linéarisée autour du point de repos (Vr, Ir). L’utilisation de la zone
autour de ce point nécessite une polarisation particulière qui permet de travailler en variations.
iD
D
Ip
Ir
Iv
uD
Vp Vr Vv
Figure 12 : Caractéristique de la diode tunnel.
Figure 13 : Symbole de la diode tunnel.
Cette résistance (ou conductance) dynamique est mise à profit dans les oscillateurs hautefréquence pour compenser la résistance d’un circuit LC due aux imperfections des éléments.
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III.5. Optoélectronique : Diodes électroluminescentes (DEL)
On utilise souvent l’abréviation LED (Light Emitting
Diode) pour cet élément.
Polarisées en direct, ces diodes ont la propriété
d’émettre un rayonnement visible (ou proche de cette
bande) dont la couleur dépend du matériau semiconducteur utilisé (infra rouge pour l’arséniure de gallium
–GaAs, rouge, verte ou jaune pour le phosphure de
gallium –GaP et bleue pour le nitrure de gallium –GaN.
Figure 14 : LED ou DEL
Si la caractéristique tension-courant reste identique, on observe une tension de seuil plus élevée
(jusqu’à 2 V). Elles ne supportent pas les tensions inverses très élevées (jusqu’à 5 V), ni les courants
directs dépassant 20 mA.
IV. Autres composants
A titre d’information, la variation de la résistivité avec la température ou un rayonnement
électromagnétique permet de mettre au point des capteurs de toutes sortes : pour la température, la
lumière (visible ou non) ou un autre rayonnement.
V. Bibliographie
[1] Boite R. et Neirynck J. Théorie des réseaux de Kirchhoff. Traité d’électricité, d’électronique et
d’électrotechnique. Dunod. 1983.
[2] Philippe Leturcq et Gérard Rey. Physique des composants actifs à semiconducteurs. Dunod.
1978. ISBN 2-04-010385-6.
[3] J.-D. Chatelain. Dispositifs à semi-conducteurs. Traité 3E. Dunod. 1979.
[4] J.-D. Chatelain et R. Dessoulavy. Electronique tome 1. Traité 3E. Dunod. 1979.
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