La diode à jonction PN se compose d’une région p et d’une région n séparées par une région de déplétion où la charge est stockée. L’effet décrit dans le tutoriel précédent est réalisé sans que de la tension externe soit appliquée à la jonction PN, ce qui fait que la jonction soit dans un état d’équilibre.

Cependant, si nous établissons des connexions électriques aux extrémités des matériaux de type N et de type P et que nous les connectons ensuite à une source de batterie, une source d’énergie supplémentaire existe maintenant pour surmonter la barrière potentielle.

L’effet de l’ajout de cette source d’énergie supplémentaire permet aux électrons libres de traverser la région de déplétion d’un côté à l’autre. Le comportement de la jonction PN par rapport à la largeur de la barrière potentielle produit un dispositif conductible asymétrique à deux bornes, mieux connu sous le nom de Diode à Jonction PN.

Une Diode à Jonction PN est l’un des dispositifs semi-conducteurs les plus simples qui aient été conçus, et qui possède la caractéristique électrique de laisser passer le courant à travers elle dans une seule direction. Cependant, contrairement à un résistor, une diode ne se comporte pas linéairement par rapport à la tension appliquée. Elle a plutôt une relation exponentielle courant-tension (I-V) et par conséquent, nous ne pouvons pas décrire son fonctionnement en utilisant simplement une équation comme la loi d’Ohm.

Si une tension positive appropriée (biais direct) est appliquée entre les deux extrémités de la jonction PN, elle peut fournir aux électrons libres et aux trous l’énergie supplémentaire dont ils ont besoin pour traverser la jonction, tandis que la largeur de la couche de déplétion autour de la jonction PN est diminuée.

L’application d’une tension négative (biais inverse) entraîne l’éloignement des charges libres de la jonction, ce qui augmente la largeur de la couche de déplétion. Cela a pour effet d’augmenter ou de diminuer la résistance effective de la jonction elle-même, permettant ou bloquant ainsi le passage du courant à travers la jonction de la diode.

La couche de déplétion s’élargit avec une augmentation de la tension inverse appliquée et se rétrécit avec une augmentation de la tension directe appliquée. Cela est dû aux différences dans les propriétés électriques des deux côtés de la jonction PN, entraînant des changements physiques. L’un des résultats produit une redressement comme observé dans les caractéristiques statiques I-V (courant-tension) des diodes à jonction PN. Le redressement est montré par un flux de courant asymétrique lorsque la polarité de la tension bias est modifiée, comme indiqué ci-dessous.

Symbole de la Diode de Jonction et Caractéristiques Statistiques I-V

Mais avant de pouvoir utiliser la jonction PN comme dispositif pratique ou comme dispositif de redressement, nous devons d’abord biais la jonction, c’est-à-dire connecter un potentiel de tension à travers celle-ci. Sur l’axe de tension ci-dessus, “Biais Inverse” fait référence à un potentiel de tension externe qui augmente la barrière potentielle. Une tension externe qui diminue la barrière potentielle est dite agir dans la direction du “Biais Direct”.

Il y a deux régions de fonctionnement et trois conditions de “biaisage” possibles pour la Diode de Jonction standard et celles-ci sont les suivantes :

• 1. Bias Zéro – Aucune tension externe n’est appliquée à la diode à jonction PN.
• 2. Bias Inverse – Le potentiel de tension est connecté négativement (-ve) au matériau de type P et positivement (+ve) au matériau de type N à travers la diode, ce qui a pour effet d’Augmenter la largeur de la diode à jonction PN.
• 3. Biais Direct – Le potentiel de tension est connecté positivement (+ve) au matériau de type P et négativement (-ve) au matériau de type N à travers la diode, ce qui a pour effet de Diminuer la largeur de la diode à jonction PN.

Diode à Jonction Zéro Biaisée

Lorsqu’une diode est connectée dans une condition de Zero Bias, aucune énergie potentielle externe n’est appliquée à la jonction PN. Cependant, si les bornes de la diode sont courtes, quelques trous (porteurs majoritaires) dans le matériau de type P ayant suffisamment d’énergie pour surmonter la barrière potentielle se déplaceront à travers la jonction contre cette barrière potentielle. Cela est connu sous le nom de “Courant Direct” et est référencé comme I_F.

De même, les trous générés dans le matériau de type N (porteurs minoritaires) trouvent cette situation favorable et se déplacent à travers la jonction dans la direction opposée. Cela est connu sous le nom de “Courant Inverse” et est référencé comme I_R. Ce transfert d’électrons et de trous d’avant en arrière à travers la jonction PN est connu sous le nom de diffusion, comme montré ci-dessous.

Diode PN à Jonction Zéro Biaisée

La barrière potentielle qui existe décourage maintenant la diffusion de tout autre porteur majoritaire à travers la jonction. Cependant, la barrière potentielle aide les porteurs minoritaires (quelques électrons libres dans la région P et quelques trous dans la région N) à dériver à travers la jonction.

Ensuite, un “Équilibre” ou un équilibre sera établi lorsque les porteurs majoritaires seront égaux et se déplaceront tous dans des directions opposées, de sorte que le résultat net soit un courant nul circulant dans le circuit. Lorsque cela se produit, la jonction est dite être dans un état d’“Équilibre Dynamique”.

Les porteurs minoritaires sont constamment générés en raison de l’énergie thermique, de sorte que cet état d’équilibre peut être rompu en augmentant la température de la jonction PN, provoquant une augmentation de la génération de porteurs minoritaires, entraînant ainsi une augmentation du courant de fuite, mais un courant électrique ne peut pas circuler puisque aucun circuit n’a été connecté à la jonction PN.

Diode à Jonction Biaisée Inverse

Lorsqu’une diode est connectée dans une condition de Biais Inverse, une tension positive est appliquée au matériau de type N et une tension négative est appliquée au matériau de type P.

La tension positive appliquée au matériau de type N attire les électrons vers l’électrode positive et loin de la jonction, tandis que les trous à l’extrémité de type P sont également attirés loin de la jonction vers l’électrode négative.

Le résultat net est que la couche de déplétion s’élargit en raison du manque d’électrons et de trous et présente un chemin à haute impédance, presque un isolant, et une barrière potentielle élevée est créée à travers la jonction, empêchant ainsi le courant de circuler à travers le matériau semi-conducteur.

Augmentation de la Couche de Déplétion en raison du Biais Inverse

Cette condition représente une valeur de résistance élevée pour la jonction PN et pratiquement aucun courant ne circule à travers la diode de jonction avec une augmentation de la tension de biais. Cependant, un très petit courant de fuite inverse circule à travers la jonction, qui peut généralement être mesuré en microampères, (μA).

Un dernier point, si la tension de biais inverse Vr appliquée à la diode est augmentée à une valeur suffisamment élevée, elle provoquera une surchauffe de la jonction PN de la diode et échouera en raison de l’effet d’avalanche autour de la jonction. Cela peut entraîner un court-circuit de la diode et résulter dans le flux de courant maximal du circuit, ceci étant représenté comme une pente descendante dans la courbe des caractéristiques statiques inverse ci-dessous.

Courbe des Caractéristiques Inverses d’une Diode de Jonction

Cet effet d’avalanche a parfois des applications pratiques dans les circuits de stabilisation de tension où une résistence limitante en série est utilisée avec la diode pour limiter le courant de rupture inverse à une valeur maximum prédéfinie, produisant ainsi une tension de sortie fixe à travers la diode. Ces types de diodes sont communément connus sous le nom de Diodes Zener et sont discutés dans un tutoriel ultérieur.

Diode à Jonction Biaisée Directe

Lorsqu’une diode est connectée dans une condition de Biais Direct, une tension négative est appliquée au matériau de type N et une tension positive est appliquée au matériau de type P. Si cette tension externe devient supérieure à la valeur de la barrière potentielle, environ 0,7 volts pour le silicium et 0,3 volts pour le germanium, l’opposition de la barrière potentielle sera surmontée et le courant commencera à circuler.

Cela est dû au fait que la tension négative pousse ou répare les électrons vers la jonction, leur donnant l’énergie pour traverser et se combiner avec les trous étant poussés dans la direction opposée vers la jonction par la tension positive. Cela résulte en une courbe caractéristique où le courant est nul jusqu’à ce point de tension, appelé le “genou” sur les courbes statiques, suivi d’un flux de courant élevé à travers la diode avec peu d’augmentation de la tension externe, comme indiqué ci-dessous.

Courbe des Caractéristiques Directes d’une Diode de Jonction

L’application d’une tension de biais direct sur la diode de jonction entraîne une réduction de la couche de déplétion, qui est devenue très mince et étroite, représentant ainsi un chemin à faible impédance à travers la jonction, permettant ainsi à des courants élevés de circuler. Le point auquel cette augmentation soudaine du courant s’effectue est représenté sur la courbe des caractéristiques statiques I-V ci-dessus comme le point “genou”.

Réduction de la Couche de Déplétion en raison du Biais Direct

Cette condition représente le chemin de faible résistance à travers la jonction PN permettant à des courants très importants de circuler à travers la diode avec seulement une petite augmentation de la tension de biais. La véritable différence de potentiel à travers la jonction ou la diode est maintenue constante par l’action de la couche de déplétion à environ 0,3v pour les diodes au germanium et environ 0,7v pour les diodes à jonction silicium.

Étant donné que la diode peut conduire un courant “infini” au-dessus de ce point de genou, car elle devient effectivement un court-circuit, des résistances sont donc utilisées en série avec la diode pour limiter son flux de courant. Dépasser sa spécification de courant direct maximum conduit l’appareil à dissiper plus de puissance sous forme de chaleur que ce pour quoi il a été conçu, entraînant ainsi une défaillance très rapide de l’appareil.

Résumé du Tutoriel

La région de jonction d’une Diode de Jonction a les caractéristiques importantes suivantes :

• Les semi-conducteurs contiennent deux types de porteurs de charge mobiles, “Trous” et “Électrons”.
• Les trous sont positivement chargés tandis que les électrons sont négativement chargés.
• Un semi-conducteur peut être dopé avec des impuretés donneuses telles que l’antimoine (dopage de type N), de sorte qu’il contienne des charges mobiles principalement constituées d’électrons.
• Un semi-conducteur peut être dopé avec des impuretés accepteurs telles que le bore (dopage de type P), de sorte qu’il contienne des charges mobiles principalement constituées de trous.
• La région de jonction elle-même n’a pas de porteurs de charge et est connue sous le nom de région de déplétion.
• La région de jonction (déplétion) a une épaisseur physique qui varie avec la tension appliquée.
• Lorsqu’une diode est Hallé Biaisée Zéro, aucune source d’énergie externe n’est appliquée et une barrière potentielle naturelle se développe à travers une couche de déplétion qui est d’environ 0,5 à 0,7v pour les diodes silicium et d’environ 0,3 volt pour les diodes germanium.
• Lorsqu’une diode à jonction est Biaisée Directe, l’épaisseur de la région de déplétion réduit et la diode agit comme un court-circuit permettant au courant du circuit de circuler complètement.
• Lorsqu’une diode à jonction est Biaisée Inverse, l’épaisseur de la région de déplétion augmente et la diode agit comme un circuit ouvert bloquant tout flux de courant (seul un très petit courant de fuite circulera).

Nous avons également vu ci-dessus que la diode est un dispositif non linéaire à deux bornes dont les caractéristiques I-V dépendent de la polarité, en fonction de la polarité de la tension appliquée, V_D la diode est soit Biaisée Directe, V_D > 0 ou Biaisée Inverse, V_D < 0. De toute façon, nous pouvons modéliser ces caractéristiques courant-tension pour une diode idéale et pour une vraie diode en silicium comme montré :

Caractéristiques Idéales et Réelles

Dans le prochain tutoriel sur les diodes, nous examinerons la diode à signal faible, parfois appelée diode de commutation, qui est utilisée dans les circuits électroniques généraux. Comme son nom l’indique, la diode à signal est conçue pour des applications de signal à faible tension ou à haute fréquence, telles que celles dans des circuits radio ou de commutation numérique.

Les diodes à signal, telles que la 1N4148, ne laissent passer que de très petits courants électriques, contrairement aux diodes de rectification à haute courant pour lesquelles les diodes en silicium sont généralement utilisées. Dans le prochain tutoriel, nous examinerons également la courbe des caractéristiques statiques courant-tension de la diode à signal et ses paramètres.