La jonction p-n possède des propriétés essentielles pour l’électronique moderne. Un semi-conducteur dopé p est relativement conducteur. Il en va de même pour un semi-conducteur dopé n, mais la jonction entre eux peut devenir appauvrie en porteurs de charge, et donc non conductrice, en fonction des tensions relatives des deux régions semi-conductrices. En manipulant cette couche non conductrice, les jonctions p-n sont couramment utilisées comme diodes : des éléments de circuit qui permettent un flux d’électricité dans un sens mais pas dans l’autre (opposé). La polarisation est l’application d’une tension aux bornes d’une jonction p-n ; la polarisation directe est dans le sens d’un flux de courant facile, et la polarisation inverse est dans le sens d’un flux de courant faible ou nul.
Les propriétés de polarisation directe et de polarisation inverse de la jonction p-n impliquent qu’elle peut être utilisée comme une diode. Une diode à jonction p-n permet aux charges électriques de circuler dans un sens, mais pas dans le sens opposé ; les charges négatives (électrons) peuvent facilement circuler à travers la jonction de n à p mais pas de p à n, et l’inverse est vrai pour les trous. Lorsque la jonction p-n est polarisée dans le sens direct, la charge électrique circule librement en raison de la résistance réduite de la jonction p-n. En revanche, lorsque la jonction p-n est polarisée en sens inverse, la barrière de jonction (et donc la résistance) devient plus importante et le flux de charge est minimal.
Equilibre (polarisation nulle)Edit
Dans une jonction p-n, sans tension externe appliquée, une condition d’équilibre est atteinte dans laquelle une différence de potentiel se forme aux bornes de la jonction. Cette différence de potentiel est appelée potentiel incorporé V b i {\displaystyle V_{\rm {bi}}}.
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A la jonction, les électrons libres du type n sont attirés par les trous positifs du type p. Ils diffusent dans le type p, se combinent avec les trous et s’annulent. De la même manière, les trous positifs du type p sont attirés par les électrons libres du type n. Les trous diffusent dans le type n, se combinent avec les trous et s’annulent. Les trous diffusent dans le type n, se combinent avec les électrons libres et s’annulent. Les atomes dopants, donneurs, chargés positivement dans le type n font partie du cristal et ne peuvent pas se déplacer. Ainsi, dans le type n, une région proche de la jonction devient chargée positivement. Les atomes dopants, accepteurs, chargés négativement dans le type p font partie du cristal et ne peuvent pas se déplacer. Ainsi, dans le type p, une région proche de la jonction devient chargée négativement. Le résultat est une région proche de la jonction qui agit pour repousser les charges mobiles loin de la jonction grâce au champ électrique que ces régions chargées créent. Les régions proches de l’interface p-n perdent leur neutralité et la plupart de leurs porteurs mobiles, formant la région de charge d’espace ou couche de déplétion (voir figure A).
Le champ électrique créé par la région de charge d’espace s’oppose au processus de diffusion des électrons et des trous. Il y a deux phénomènes concomitants : le processus de diffusion qui tend à générer plus de charge d’espace, et le champ électrique généré par la charge d’espace qui tend à s’opposer à la diffusion. Le profil de concentration des porteurs à l’équilibre est représenté sur la figure A par des lignes bleues et rouges. Sont également représentés les deux phénomènes compensatoires qui établissent l’équilibre.
La région de charge d’espace est une zone avec une charge nette fournie par les ions fixes (donneurs ou accepteurs) qui ont été laissés non couverts par la diffusion du porteur majoritaire. Lorsque l’équilibre est atteint, la densité de charge est approximée par la fonction échelon affichée. En fait, puisque l’axe des y de la figure A est à l’échelle logarithmique, la région est presque entièrement dépourvue de porteurs majoritaires (laissant une densité de charge égale au niveau de dopage net), et la limite entre la région de charge d’espace et la région neutre est assez nette (voir figure B, graphique Q(x)). La région de charge d’espace a la même magnitude de charge des deux côtés des interfaces p-n, elle s’étend donc plus loin sur le côté le moins dopé dans cet exemple (le côté n dans les figures A et B).
Biais directEdit
En polarisation directe, le type p est connecté à la borne positive et le type n est connecté à la borne négative.
Avec une batterie connectée de cette façon, les trous dans la région de type p et les électrons dans la région de type n sont poussés vers la jonction et commencent à neutraliser la zone de déplétion, réduisant sa largeur. Le potentiel positif appliqué au matériau de type p repousse les trous, tandis que le potentiel négatif appliqué au matériau de type n repousse les électrons. La variation du potentiel entre le côté p et le côté n diminue ou change de signe. Avec l’augmentation de la tension de polarisation directe, la zone de déplétion finit par devenir suffisamment fine pour que le champ électrique de la zone ne puisse pas s’opposer au mouvement des porteurs de charge à travers la jonction p-n, ce qui a pour conséquence de réduire la résistance électrique. Les électrons qui traversent la jonction p-n vers le matériau de type p (ou les trous qui traversent le matériau de type n) se diffusent dans la région neutre voisine. La quantité de diffusion des minorités dans les zones presque neutres détermine la quantité de courant qui peut circuler dans la diode.
Seuls les porteurs majoritaires (électrons dans le matériau de type n ou trous dans le type p) peuvent circuler dans un semi-conducteur sur une longueur macroscopique. En gardant cela à l’esprit, considérons le flux d’électrons à travers la jonction. La polarisation vers l’avant exerce une force sur les électrons en les poussant du côté N vers le côté P. Avec la polarisation directe, la région d’appauvrissement est suffisamment étroite pour que les électrons puissent traverser la jonction et s’injecter dans le matériau de type p. Cependant, ils ne continuent pas à circuler dans la région d’appauvrissement. Cependant, ils ne continuent pas à traverser indéfiniment le matériau de type p, car il est énergétiquement favorable pour eux de se recombiner avec les trous. La longueur moyenne parcourue par un électron dans le matériau de type p avant de se recombiner est appelée longueur de diffusion, et elle est généralement de l’ordre du micromètre.
Bien que les électrons ne pénètrent que sur une courte distance dans le matériau de type p, le courant électrique continue sans interruption, car les trous (les porteurs majoritaires) commencent à circuler dans la direction opposée. Le courant total (la somme des courants d’électrons et de trous) est constant dans l’espace, car toute variation entraînerait une accumulation de charges au fil du temps (c’est la loi du courant de Kirchhoff). Le flux de trous de la région de type p vers la région de type n est exactement analogue au flux d’électrons de N vers P (les électrons et les trous échangent leurs rôles et les signes de tous les courants et tensions sont inversés).
Donc, l’image macroscopique du flux de courant à travers la diode implique des électrons traversant la région de type n vers la jonction, des trous traversant la région de type p dans la direction opposée vers la jonction, et les deux espèces de porteurs se recombinant constamment au voisinage de la jonction. Les électrons et les trous se déplacent dans des directions opposées, mais ils ont également des charges opposées, de sorte que le courant global est dans la même direction des deux côtés de la diode, comme requis.
L’équation de la diode de Shockley modélise les caractéristiques opérationnelles en polarisation directe d’une jonction p-n en dehors de la région d’avalanche (conductrice en polarisation inverse).
Biais inverseEdit
Connecter la région de type p à la borne négative de la batterie et la région de type n à la borne positive correspond à une polarisation inverse. Si une diode est polarisée en inverse, la tension à la cathode est comparativement plus élevée qu’à l’anode. Par conséquent, très peu de courant circule jusqu’à ce que la diode tombe en panne. Les connexions sont illustrées dans le schéma adjacent.
Parce que le matériau de type p est maintenant connecté à la borne négative de l’alimentation, les « trous » du matériau de type p sont éloignés de la jonction, laissant derrière eux des ions chargés et provoquant l’augmentation de la largeur de la région de déplétion. De même, comme la région de type n est connectée à la borne positive, les électrons sont éloignés de la jonction, avec un effet similaire. Cela augmente la barrière de tension, provoquant une résistance élevée au flux de porteurs de charge, permettant ainsi à un courant électrique minimal de traverser la jonction p-n. L’augmentation de la résistance de la jonction p-n fait que la jonction se comporte comme un isolant.
L’intensité du champ électrique de la zone d’appauvrissement augmente lorsque la tension de polarisation inverse augmente. Une fois que l’intensité du champ électrique augmente au-delà d’un niveau critique, la zone de déplétion de la jonction p-n se rompt et le courant commence à circuler, généralement par le processus de rupture de Zener ou d’avalanche. Ces deux processus de claquage ne sont pas destructifs et sont réversibles, tant que la quantité de courant circulant n’atteint pas des niveaux qui provoquent une surchauffe du matériau semi-conducteur et des dommages thermiques.
Cet effet est utilisé avantageusement dans les circuits régulateurs à diodes Zener. Les diodes Zener ont une faible tension de claquage. Une valeur standard pour la tension de claquage est par exemple 5,6 V. Cela signifie que la tension à la cathode ne peut pas être supérieure de plus d’environ 5,6 V à la tension à l’anode (bien qu’il y ait une légère augmentation avec le courant), parce que la diode tombe en panne, et donc conductrice, si la tension devient plus élevée. Ceci, en effet, limite la tension sur la diode.
Une autre application de la polarisation inverse est les diodes Varicap, où la largeur de la zone de déplétion (contrôlée avec la tension de polarisation inverse) change la capacité de la diode.
