Rapport de stage

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II. La jonction PN.
La jonction PN est à la base de la plupart des applications des semi-conducteurs. Elle
est créée par la mise en contact d'un semi-conducteur de type P et d'un semi-conducteur
de type N. Dans la zone de contact, les électrons libres du segment N pénètrent dans le
segment P et se recombinent avec les trous. De même, les trous du segments P pénètrent
dans le segment N et serecombinent avec les électrons. Ce phénomène est appelé
diffusion.
Structure du silicium dopé par un atome
donneur: semi-conducteur de type N.
Electron libre
Si P Si
Si
Si
Structure du silicium dopé par un atome
accepteur: semi-conducteur de type P.
Trou
Si B Si
Si
Si
Les diodes à jonction PN
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Il en résulte, au niveau de la transition des segments, l'apparition d'une zone exemptede charges mobiles, où seuls demeurent les atomes d'impuretés fixes (ions accepteurs dans
le segment P, ions donneurs dans le segment N) et les atomes de semi-conducteur neutres.
Les charges constituées par les ions fixes sont à l'origine d'un champ électrique E dans la
zone de transition, et par la même d'une différence de potentiel Vo (appelée barrière de
potentiel) aux bornes de cettezone. Le champ électrique E tend à maintenir les porteurs
majoritaires dans leurs régions respectives et s'oppose ainsi à la cause qui lui donne naissance,
ce qui conduit à un état d'équilibre.
Cependant, le champ électrique E n'interdit pas le passage des porteurs minoritaires
présents dans les segments de type P et N (courant de "saturation" Is). Ce mouvement est
toutefois équilibré par lesporteurs majoritaires qui possèdent l'énergie Wo = eVo nécessaire
au franchissement de la barrière de potentiel.
Expression et ordre de grandeur de la barrière de potentiel:
k (constante de Boltzman) = 1,38 10-23 J/K
q (charge d'un électron) = 1,6 10-19 C
T: température en Kelvin
NA: concentration en atome accepteur
ND: concentration en atome donneur
ni: concentration en paire électron-trouintrinsèque
Exemple: Jonction PN silicium à 300 K (27°C)
ni = 1,45 1010 cm-3
NA = 7 1017 cm-3
ND = 8 1013 cm-3
Vo = kT ln NAND = 0,681 v
q ni²
+ + + + + + +
+ + + + + + +
+ + + + + +
Ions d'accepteur Ions de donneur
P N
Vo Electron
libre
Trou
Porteur
minoritaire
(trou)
Coupe transversale d'une jonction PN
P N
Zone de
transition
Courant de saturation Is
dû aux porteursminoritaires
Courant d'équilibre dû
aux porteurs majoritaires
Mouvement des porteurs à travers
la jonction PN
E
Vo = kT ln NAND
q ni²
Les diodes à jonction PN
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ì La valeur de la barrière de potentiel est très dépendante de la température. La
concentration intrinsèque ni augmente très rapidement avec la température (elle double
tous les 7°C pour le silicium et tous les 10°C pour legermanium). C'est cette dépendance
qui prédomine, déterminant un coefficient de température négatif pour Vo, de l'ordre de
-2,2 mV/K.
- Calculez la valeur de la barrière de potentiel pour une jonction PN
germanium à 300 K.
ni = 2,4 1013 cm-3
NA = 7 1017 cm-3
ND = 8 1013 cm-3
III. La diode à jonction PN, principes généraux.
1. Présentation.
La diode à jonction PN est un composant formé par lasuccession suivante de matériaux:
métal, semi-conducteur de type P, semi-conducteur de type N, métal. L'électrode
métallique en contact avec le semi-conducteur de type P s'appelle anode (A), celle au contact
du semi-conducteur de type N, cathode (K).
2. Polarisation de la diode.
Puisque la diode possède deux électrodes, deux possibilités de polarisation existent.
7 Diode polarisée en direct.
+ ++ +
P + + N
Région
neutre
Région
neutre
Vo
Couche métallique
de contact
ID
A
VD
K
Symboles normalisés
A
ID
VD
K
A
ID
VD
K
A
ID
VD
K
Les diodes à jonction PN
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Une diode est polarisée en direct lorsque la tension VD (imposée par un circuit extérieur)
appliquée entre l'anode et la cathode est positive (VD=VAK). Cette tension provoque
une diminution de la barrière de...
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