Ce tutoriel sur la théorie de la jonction PN montre que lorsque le silicium est dopé avec de petites quantités d’antimoine, un matériau semi-conducteur de type N est formé, et lorsque le même matériau de silicium est dopé avec de petites quantités de bore, un matériau semi-conducteur de type P est formé.

C’est bien beau, mais ces matériaux semi-conducteurs de type N et de type P nouvellement dopés ne font pas grand-chose seuls car ils sont électriquement neutres. Cependant, si nous unissons (ou fusionnons) ces deux matériaux semi-conducteurs ensemble, ils se comportent de manière très différente lorsqu’ils se rejoignent, produisant ce qui est généralement connu sous le nom de « jonction PN », ce qui nous permet d’étudier l’effet de la théorie de la jonction PN.

Lorsque les matériaux semi-conducteurs de type N et de type P sont d’abord réunis, un très grand gradient de densité existe entre les deux côtés de la jonction PN. Le résultat est que certains des électrons libres des atomes d’impuretés donneurs commencent à migrer à travers cette jonction nouvellement formée pour remplir les trous dans le matériau de type P, produisant ainsi des ions négatifs.

Cependant, parce que les électrons ont traversé la jonction PN du silicium de type N au silicium de type P, ils laissent derrière eux des ions donneurs chargés positivement ( N_D ) du côté négatif, et maintenant les trous des impuretés accepteurs migrent dans la direction opposée à travers la jonction dans la région où il y a un grand nombre d’électrons libres.

En conséquence, la densité de charge du type P le long de la jonction est remplie d’ions accepteurs chargés négativement ( N_A ), et la densité de charge du type N le long de la jonction devient positive. Ce transfert de charge d’électrons et de trous à travers la jonction PN est connu sous le nom de diffusion. La largeur de ces couches P et N dépend de la densité de dopage de chaque côté avec la densité d’accepteurs N_A et la densité de donneurs N_D, respectivement.

Ce processus se poursuit de manière répétée jusqu’à ce que le nombre d’électrons ayant traversé la jonction ait une charge électrique suffisamment importante pour repousser ou empêcher d’autres porteurs de charge de traverser la jonction. Finalement, un état d’équilibre (situation électriquement neutre) se produira, produisant une zone de « barrière potentielle » autour de la zone de la jonction, car les atomes donneurs repoussent les trous et les atomes accepteurs repoussent les électrons.

Étant donné qu’aucun porteur de charge libre ne peut rester dans une position où il y a une barrière potentielle, les régions de chaque côté de la jonction deviennent maintenant complètement appauvries de tout porteur libre par rapport aux matériaux de type N et P situés plus loin de la jonction. Cette zone autour de la jonction PN est maintenant appelée couche d’appauvrissement.

La jonction PN

La charge totale de chaque côté d’une jonction PN doit être égale et opposée pour maintenir une condition de charge neutre autour de la jonction. Si la région de la couche d’appauvrissement a une distance D, elle doit donc pénétrer dans le silicium par une distance de Dp pour le côté positif, et d’une distance de Dn pour le côté négatif, donnant une relation entre les deux de :  Dp*N_A = Dn*N_D  afin de maintenir la neutralité de charge également appelée équilibre.

Distance de la couche d’appauvrissement

Comme le matériau de type N a perdu des électrons et que le type P a perdu des trous, le matériau de type N est devenu positif par rapport au type P. Ensuite, la présence d’ions d’impuretés des deux côtés de la jonction provoque l’établissement d’un champ électrique à travers cette région avec le côté N à une tension positive par rapport au côté P. Le problème maintenant est qu’une charge libre nécessite une énergie supplémentaire pour surmonter la barrière qui existe désormais afin de pouvoir traverser la jonction de la région d’appauvrissement.

Ce champ électrique créé par le processus de diffusion a créé une « différence de potentiel intégrée » à travers la jonction avec un potentiel de circuit ouvert (zéro biais) de :

Où : E_o est la tension de jonction à zéro biais, V_T la tension thermique de 26mV à température ambiante, N_D et N_A sont les concentrations d’impuretés et n_i est la concentration intrinsèque.

Une tension positive appropriée (biais direct) appliquée entre les deux extrémités de la jonction PN peut fournir aux électrons libres et aux trous l’énergie supplémentaire. La tension externe nécessaire pour surmonter la barrière potentielle qui existe désormais dépend fortement du type de matériau semi-conducteur utilisé et de sa température réelle.

En général, à température ambiante, la tension à travers la couche d’appauvrissement pour le silicium est d’environ 0,6 à 0,7 volts et pour le germanium d’environ 0,3 à 0,35 volts. Cette barrière potentielle existera toujours même si le dispositif n’est pas connecté à une source d’alimentation externe, comme on le voit dans les diodes.

L’importance de cette tension intégrée à travers la jonction est qu’elle s’oppose à la fois au flux de trous et d’électrons à travers la jonction et c’est pourquoi elle est appelée la barrière potentielle. En pratique, une jonction PN est formée à l’intérieur d’un cristal unique de matériau plutôt que de simplement unir ou fusionner deux pièces séparées.

Le résultat de ce processus est que la jonction PN a des caractéristiques de courant-tension rectificatrices (IV ou I-V). Des contacts électriques sont fusionnés de chaque côté du semi-conducteur pour permettre une connexion électrique à un circuit externe. Le dispositif électronique résultant qui a été créé est communément appelé une diode à jonction PN ou simplement une diode de signal.

Nous avons donc vu ici dans ce tutoriel sur la théorie de la jonction PN, que les jonctions PN peuvent être fabriquées en unissant ou en diffusant ensemble des matériaux semi-conducteurs dopés différemment pour produire un dispositif électronique appelé diode, qui peut être utilisé comme la structure semi-conductrice de base des redresseurs, de tous types de transistors, de LED, de cellules solaires et de nombreux autres dispositifs solides.

Dans le prochain tutoriel sur la jonction PN, nous examinerons l’une des applications les plus intéressantes de la jonction PN : son utilisation dans les circuits comme diode. En ajoutant des connexions à chaque extrémité des matériaux de type P et de type N, nous pouvons produire un dispositif à deux bornes appelé diode à jonction PN qui peut être polarisée par une tension externe pour soit bloquer, soit permettre le flux de courant à travers elle.