Qu'est-ce qu'une diode à jonction PN

Qu'est-ce qu'une diode à jonction PN?

Diode à jonction PN

Une diode à jonction PN est un composant de base en électronique. Dans ce type de diode, un côté du semi-conducteur est dopé avec des impuretés accepteuses (type P) et l'autre côté avec des impuretés donneuses (type N). Cette diode peut être classée comme étant soit une jonction 'graduée par étapes' (step graded), soit une jonction 'graduée linéairement' (linearly graded).

Dans une diode à jonction PN graduée par étapes, la concentration de dopants est uniforme sur les deux côtés jusqu'à la jonction. Dans une jonction graduée linéairement, la concentration de dopage varie presque linéairement avec la distance depuis la jonction. Sans application de tension, les électrons libres se déplacent vers le côté P et les trous se déplacent vers le côté N, où ils se recombinent.

Les atomes accepteurs près de la jonction du côté P deviennent des ions négatifs, et les atomes donneurs près de la jonction du côté N deviennent des ions positifs. Cela crée un champ électrique qui s'oppose à la diffusion ultérieure des électrons et des trous. Cette région avec des ions non couverts est appelée la région de déplétion.

Si nous appliquons une tension de polarisation directe à la diode à jonction PN. Cela signifie que si le côté positif de la batterie est connecté au côté P, alors la largeur de la région de déplétion diminue et les porteurs (trous et électrons libres) s'écoulent à travers la jonction. Si nous appliquons une tension de polarisation inverse à la diode, la largeur de déplétion augmente et aucun charge ne peut s'écouler à travers la jonction.

Caractéristiques de la diode à jonction PN

Considérons une jonction PN avec une concentration de donneurs ND et une concentration d'accepteurs NA. Supposons également que tous les atomes donneurs ont donné des électrons libres et sont devenus des ions donneurs positifs, et que tous les atomes accepteurs ont accepté des électrons et créé des trous correspondants, devenant ainsi des ions accepteurs négatifs. Nous pouvons donc dire que la concentration d'électrons libres (n) et d'ions donneurs ND sont les mêmes, et de même, la concentration de trous (p) et d'ions accepteurs (NA) sont les mêmes. Ici, nous avons ignoré les trous et les électrons libres créés dans les semi-conducteurs en raison d'impuretés et de défauts involontaires.

À travers la jonction PN, les électrons libres donnés par les atomes donneurs du côté N diffusent vers le côté P et se recombinent avec les trous. De même, les trous créés par les atomes accepteurs du côté P diffusent vers le côté N et se recombinent avec les électrons libres. Après ce processus de recombinaison, il y a un manque ou une déplétion de porteurs de charge (électrons libres et trous) à travers la jonction. La région à travers la jonction où les porteurs de charge libres sont déplétés est appelée la région de déplétion.

En raison de l'absence de porteurs de charge libres (électrons libres et trous), les ions donneurs du côté N et les ions accepteurs du côté P à travers la jonction deviennent découverts. Ces ions donneurs découverts positifs vers le côté N adjacent à la jonction et les ions accepteurs découverts négatifs vers le côté P adjacent à la jonction créent une charge d'espace à travers la jonction PN. Le potentiel développé à travers la jonction en raison de cette charge d'espace est appelé la tension de diffusion. La tension de diffusion à travers une diode à jonction PN peut être exprimée par La tension de diffusion crée une barrière de potentiel pour la migration ultérieure des électrons libres du côté N vers le côté P et des trous du côté P vers le côté N. Cela signifie que la tension de diffusion empêche les porteurs de charge de franchir la jonction.

Cette région est très résistive en raison de la déplétion des porteurs de charge libres dans cette région. La largeur de la région de déplétion dépend de la tension de polarisation appliquée. La relation entre la largeur de la région de déplétion et la tension de polarisation peut être représentée par une équation appelée Équation de Poisson. Ici, ε est la permittivité du semi-conducteur et V est la tension de polarisation. Ainsi, sur l'application d'une tension de polarisation directe, la largeur de la région de déplétion, c'est-à-dire la barrière de jonction PN, diminue et finit par disparaître.

Ainsi, en l'absence de barrière de potentiel à travers la jonction dans la condition de polarisation directe, les électrons libres entrent dans la région P et les trous entrent dans la région N, où ils se recombinent et libèrent un photon à chaque recombinaison. En conséquence, il y aura un courant direct s'écoulant à travers la diode. Le courant à travers la jonction PN est exprimé par Ici, la tension V est appliquée à travers la jonction PN et le courant total I s'écoule à travers la jonction PN.

I s est le courant de saturation inverse, e = charge de l'électron, k est la constante de Boltzmann et T est la température en degrés Kelvin.

Le graphique ci-dessous montre la caractéristique courant-tension d'une diode à jonction PN. Lorsque V est positif, la jonction est polarisée directement, et lorsque V est négatif, la jonction est polarisée inversément. Lorsque V est négatif et inférieur à VTH, le courant est minimal. Mais lorsque V dépasse VTH, le courant devient soudainement très élevé. La tension VTH est connue sous le nom de tension seuil ou de tension de coupure. Pour une diode en silicium, VTH = 0,6 V. À une tension inverse correspondant au point P, il y a une augmentation abrupte du courant inverse. Cette partie des caractéristiques est connue sous le nom de région de rupture.

Jonction graduée par étapes

Dans une jonction graduée par étapes, la concentration de dopants est uniforme jusqu'à la jonction sur les deux côtés.

Région de déplétion

La région de déplétion se forme à la jonction où les électrons libres et les trous se recombinent, créant une zone sans porteurs de charge libre.

Polarisation directe

L'application d'une polarisation directe diminue la largeur de la région de déplétion, permettant le passage du courant.

Polarisation inverse

L'application d'une polarisation inverse augmente la largeur de la région de déplétion, bloquant le passage du courant jusqu'à ce que la tension de rupture soit atteinte.