Introduction aux jonctions PN
Toute introduction aux semi-conducteurs doit commencer par l’étude des jonctions PN. Celles-ci sont à la base des diodes et transistors, sans lesquels il serait impossible d’imaginer l’électronique aujourd’hui. Pour comprendre pleinement ce cours, il est vivement recommandé de connaître les bases de la conduction électrique et la structure des atomes. Ces connaissances n’ont pas besoin d’être très approfondies, mais s’avèrent très utiles pour la compréhension des jonctions PN.
Historique
Comme vous le savez certainement, les matériaux conducteurs, comme le cuivre, conduisent l’électricité en raison de leurs électrons libres. Les matériaux non conducteurs, tel que la porcelaine ne permettent pas cette conduction, à cause de leur structure atomique.
Les matériaux semi-conducteurs ne sont ni de bons conducteurs, ni de bons isolants, mais se situent à un niveau intermédiaire, entre conducteurs et non conducteurs. Durant de nombreuses années, l’utilité de tels matériaux était inconnue. Lorsqu’ils ont été étudiés sérieusement, des propriétés étonnantes leur ont été découvertes.
Matériaux utilisés
Dans la production de composants semi-conducteurs, la principale matière utilisée est le silicium, et, dans une moindre mesure, le germanium. Celui-ci est moins utilisé, car il présente une instabilité relative lorsqu’il est soumis à la chaleur.
Le silicium n’existe pas à l’état pur dans la nature, mais uniquement sous forme de composé. Il a été isolé pour la première fois en 1823 par le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius. En 1854, le chimiste français Henry Sainte-Claire Deville en obtient la forme cristalline. Ces cristaux sont gris à noirs.
L’image ci-dessous illustre la structure générale des atomes de silicium et de germanium.
Structure générale des atomes de silicium et de germanium
Courant d’électrons dans le silicium
Imaginez une pièce de silicium. Certains électrons de la dernière couche (électrons de valence) ont suffisamment d’énergie pour se déplacer de la bande de valence à la bande de conduction.
Passage de la bande de valence à la bande de conduction. La flèche représente à la fois la direction de l’électron et l’énergie nécessaire.
Ces électrons se déplacent donc librement dans la structure, car ils sont en quelque sorte « détachés » de leur atome respectif. A cet effet, ces types d’électrons sont nommés « électrons libres ». Lorsqu’on applique une tension à la pièce de silicium, les électrons libres se déplacent vers la borne positive de la source de tension. Les électrons sont une charge négative, c’est la raison pour laquelle ils sont attirés par la borne positive.
Le déplacement d’électrons exprimé ici se nomme « courant d’électrons ». Attention, il s’agit de silicium et non d’un matériau purement conducteur. De ce fait, la conductance du silicium est très inférieure à celle du cuivre ou de l’argent.
Courant de trous
Lorsqu’un électron quitte l’atome, il laisse une place vide, appelée trou. Un trou est donc une place laissée vide par un électron, dans laquelle peut prendre place un autre électron.
A présent, imaginez deux atome voisins l’un de l’autre. Le premier à sa couche de valence complète, le second comporte un trou.
Courant de trous
Un électron de valence du premier atome peut alors se déplacer vers le second atome et ainsi combler le trou. A ce moment là, le trou s’est déplacé. Il a passé du premier atome au second. Le trou s’est donc déplacé. Ce phénomène est appelé « courant de trou ». Il n’est pas ici réellement question du déplacement des électrons, mais de celui des espaces vacants, donc des trous.
Dopage
La conductibilité du matériau peut être augmentée, diminuée et contrôlée en ajoutant au silicium une quantité très faible de matière appelée « impureté ». Plusieurs éléments peuvent remplir la fonction d’impureté. Ils varient selon les deux types de dopage existants.
Dopage N
Dans le type N, le but est de « créer » des électrons libres pour améliorer la conductivité. Pour cela, il faut ajouter des atomes dits pentavalents, c'est-à-dire ayant 5 électrons sur leur dernière couche. Le tableau ci-dessous montre les types d’atomes utilisés.
| Nom | Symbole | Electrons de valence |
| Arsenic | As | 5 |
| Phosphore | P | 5 |
| Bismuth | Bi | 5 |
| Antimoine | Sb | 5 |
Matières servant d’impureté dans le dopage N
Comme nous pouvons le remarquer, chaque atome décrit ci-dessus possède cinq atomes sur sa dernière couche.
Lorsque l’un de ces atomes est incorporé au silicium, il utilise quatre électrons pour former des liens covalents. Il reste alors un électron, qui devient électron de conduction. L’atome qui a perdu cet électron est appelé atome donneur. Plus le nombre d’impureté est élevé, plus les électrons de conduction seront nombreux. En d’autres termes, plus la quantité d’impureté incorporée au silicium est grande, plus celui-ci sera conducteur.
Le dopage de type N vise donc à créer un nombre excessif d’électrons de conduction.
Dopage P
Dans le dopage de type P, les atomes utilisés sont dits trivalents, c'est-à-dire qu’ils ont trois électrons sur leur dernière couche. Dans le dopage P, le but est de créer un grand nombre de trous, comme nous allons le voir ici. Les matières utilisées dans le dopage P sont décrites dans le tableau ci-dessous.
| Nom | Symbole | Electrons de valence |
| Aluminium | Al | 3 |
| Gallium | Ga | 3 |
| Bore | B | 3 |
Matières servant d’impureté dans le dopage P
Lorsque les atomes de ces matières sont incorporés au silicium, les trois électrons sont utilisés pour former des liaisons covalentes. Comme nous l’avons vu précédemment, quatre électrons sont nécessaires. Il subsiste donc un espace vide, donc un trou.
Le nombre de trou dans la structure est contrôlé par la quantité d’impureté ajoutée au silicium.
Jonction PN
Imaginez un bloc de silicium dont le premier côté est dopé selon le type P, et le second côté selon le type N, à part égales. Il se forme donc une frontière entre la partie P et la partie N. Pour faciliter la compréhension de se concept, observez donc l’illustration ci-dessous.
Jonction PN
Il subsiste bien entendu des électrons dans la partie P et des trous dans la partie N, mais ils sont très minoritaires et simplement générés par la chaleur.
Notez que la charge des deux parties est neutre. Il y a donc autant de protons que d’électrons.
Les électrons se propagent à présent à travers la frontière, vers le côté P. Comme la charge était neutre avant ce phénomène, il résulte des charges positives dans la partie N, car il y a moins d’électrons. Du côté P, il en résulte des charges négatives, à cause de l’arrivée des électrons. La zone dans laquelle ces charges sont présentes est appelée « région d’appauvrissement » et est illustrée ci-dessous.
Région d’appauvrissement
Cette diffusion s’arrête lorsque la somme des charges négatives empêche les électrons de passer la jonction. Ce phénomène est désigné sous le nom de « barrière de potentiel ». Pour passer cette barrière, les électrons ont besoin d’un apport extérieur d’énergie. On fournit cette énergie par une source de tension. La tension nécessaire pour passer la barrière de potentiel est de 0,7V pour le silicium et 0,3V pour le germanium.
Polarisation directe
En polarisation directe, la borne négative doit être connectée à la région N. La borne positive est connectée à la région P, comme illustré.
Connexion de la jonction en polarisation directe
Si la tension est plus grande que 0,7 V (pour le silicium), les électrons passent la jonction. Une fois dans la partie P, ils se recombinent avec les trous et deviennent des électrons de valence. Comme ils sont attirés par la borne positive, ils se déplacent de trou en trou jusqu’à celle-ci. Les trous sont donc toujours disponibles pour les électrons suivants et sont donc toujours disponibles.
Cette configuration est appelée « polarisation directe », car elle permet le passage du courant provenant de l’alimentation. Notez que la région d’appauvrissement est fortement amincie lors de la polarisation directe.
Polarisation inverse
En polarisation inverse, la borne positive est connectée à la région N. La borne négative se trouve connectée à la région P. Les électrons libres sont alors attirés vers la borne positive. Les trous sont attirés vers la borne négative, comme le montre l’illustration ci-dessous.
Connexion de la jonction en polarisation inverse
Dans cette situation, le passage d’un courant est impossible. Toutefois, il subsiste un courant inverse extrêmement faible. Celui-ci est provient des paires électron-trou générées par la chaleur. Ce courant est si infime qu’il est systématiquement négligé. Notez qu’en polarisation inverse, la région d’appauvrissement est considérablement élargie.
Graphique des courants et tensions en polarisation directe
En polarisation directe, le courant demeure très faible tant que le seuil des 0,7V n’est pas franchi. Si la tension aux bornes de la jonction est supérieure à 0,7V, il y a donc un courant qui est créé. Celui augmente très fortement lorsque nous augmentons la tension de polarisation, même faiblement. C’est ces caractéristiques que montre le graphique ci-dessous. L’axe X représente la tension, l’axe Y le courant.
Graphique des courants et tensions en polarisation directe
Graphique des courants et tensions en polarisation inverse
En polarisation inverse, le courant demeure très faible tant que la tension de claquage n’est pas atteinte. Cette tension est le seuil à partir duquel le courant est trop intense et détruit la structure de la jonction. Celle-ci ne doit donc jamais être utilisée au-delà de la tension de claquage. Un graphique résumant ces explications est donné ci-dessous.
Graphique des courants et tensions en polarisation inverse
Diodes
Les diodes, très couramment utilisées en électronique, sont en réalité de simples jonctions PN telles que nous l’avons vu. Ces diodes se présentent comme l’illustre l’image ci-dessous.
Une diode classique. La bande noire représente la cathode, donc la sortie de la région P.
Maintenant que nous avons examiné les graphiques des jonctions en polarisation directe et inverse, observons le graphique typique de la diode, tel qu’il est illustré ci-dessous. Il ne diffère aucunement des graphiques examinés jusqu’ici.
Graphique des courants et tensions d’une diode
Ce graphique donne une idée générale, mais les valeurs peuvent différer de façon considérable d’une diode à l’autre. En effet, le courant admissible, ou toute autre valeur, peut varier d’une application à l’autre.
