Diodes: jonction pn, types, construction et fonctionnement

Qu'est-ce que la diode?

En général, tous les appareils électroniques ont besoin d'une alimentation CC, mais il est impossible de générer une alimentation CC, nous avons donc besoin d'une alternative pour obtenir une alimentation CC, donc l'utilisation de diodes entre en jeu pour convertir l'alimentation CA en alimentation CC. Une diode est un petit composant électronique utilisé dans presque tous les circuits électroniques pour permettre la circulation du courant dans un seul sens ( dispositif unidirectionnel ). On peut dire que l'utilisation de matériaux semi-conducteurs pour construire les composants électroniques a commencé avec des diodes. Avant l'invention de la diode, il y avait des tubes à vide, où les applications de ces deux dispositifs sont similaires mais la taille occupée par le tube à vide sera bien supérieure à celle des diodes. La construction des tubes à vide est un peu complexe et ils sont difficiles à entretenir par rapport aux diodes semi-conductrices. Peu d' applications des diodes sont la rectification, l'amplification, le commutateur électronique, la conversion de l'énergie électrique en énergie lumineuse et l'énergie lumineuse en énergie électrique.

Histoire de la diode:

En 1940, chez Bell Labs, Russell Ohl travaillait avec un cristal de silicium pour découvrir ses propriétés. Un jour accidentellement, lorsque le cristal de silicium qui a une fissure a été exposé à la lumière du soleil, il a trouvé le flux de courant à travers le cristal et cela a été appelé plus tard comme diode, ce qui était le début de l'ère des semi-conducteurs.

Construction de la diode:

Les matériaux solides sont généralement classés en trois types à savoir les conducteurs, les isolants et les semi-conducteurs. Les conducteurs ont un nombre maximum d'électrons libres, les isolateurs ont un nombre minimum d'électrons libres (négligeable de sorte que le flux de courant n'est pas du tout possible) tandis que les semi-conducteurs peuvent être soit des conducteurs, soit des isolants en fonction du potentiel qui leur est appliqué. Les semi-conducteurs généralement utilisés sont le silicium et le germanium. Le silicium est préféré car il est abondamment disponible sur terre et il donne une meilleure plage thermique.

Les semi-conducteurs sont en outre classés en deux types en tant que semi-conducteurs intrinsèques et extrinsèques.

Semi-conducteurs intrinsèques:

Ceux-ci sont également appelés semi-conducteurs purs où les porteurs de charge (électrons et trous) sont en quantité égale à la température ambiante. La conduction du courant a donc lieu à la fois par les trous et les électrons.

Semi-conducteurs extrinsèques:

Afin d'augmenter le nombre de trous ou d'électrons dans un matériau, on opte pour des semi-conducteurs extrinsèques où des impuretés (autres que le silicium et le germanium ou simplement des matériaux trivalents ou pentavalents) sont ajoutées au silicium. Ce processus d'ajout d'impuretés aux semi-conducteurs purs est appelé dopage.

Formation de semi-conducteurs de type P et N:

Semi-conducteur de type N:

Si des éléments pentavalents (le nombre d'électrons de valence est de cinq) sont ajoutés au Si ou au Ge, alors des électrons libres sont disponibles. Comme les électrons (porteurs chargés négativement) sont plus nombreux que ceux - ci sont appelés semi - conducteurs de type N . Dans le type N, les électrons semi-conducteurs sont des porteurs de charge majoritaires et les trous sont des porteurs de charge minoritaires.

Peu d'éléments pentavalents sont le phosphore, l'arsenic, l'antimoine et le bismuth. Comme ceux-ci ont un excès d'électrons de valance et sont prêts à s'associer avec la particule externe chargée positivement, ces éléments sont appelés donneurs .

Semi-conducteur de type P

De même, si des éléments trivalents comme le bore, l'aluminium, l'indium et le gallium sont ajoutés à Si ou Ge, un trou est créé car un certain nombre d'électrons de valence sont trois. Puisqu'un trou est prêt à accepter un électron et à être apparié, il est appelé accepteurs . Comme le nombre de trous sont en excès dans le matériau nouvellement formé comme on les appelle les semi - conducteurs de type P . Dans le type P, les trous semi-conducteurs sont des porteurs de charge majoritaires et les électrons sont des porteurs de charge minoritaires.

Diode de jonction PN:

Maintenant, si nous réunissons les deux types de semi-conducteurs de type P et de type N, un nouveau dispositif est formé, appelé diode de jonction PN. Puisqu'une jonction se forme entre un matériau de type P et de type N, elle est appelée jonction PN.

Le mot diode peut être expliqué comme «Di» signifie deux et «ode» est obtenu à partir de l'électrode. Comme le composant nouvellement formé peut avoir deux bornes ou électrodes (l'une connectée au type P et l'autre au type N), il est appelé diode ou diode à jonction PN ou diode semi-conductrice.

Le terminal connecté au matériau de type P est appelé Anode et le terminal connecté au matériau de type N est appelé Cathode .

La représentation symbolique de la diode est la suivante.

La flèche indique le passage du courant à travers elle lorsque la diode est en mode polarisé en direct, le tiret ou le bloc à la pointe de la flèche indique le blocage du courant provenant de la direction opposée.

Théorie de la jonction PN:

Nous avons vu comment une diode est fabriquée avec des semi-conducteurs P et N, mais nous devons savoir ce qui se passe à l'intérieur pour former une propriété unique d'autoriser le courant dans une seule direction et ce qui se passe au point de contact exact initialement à sa jonction.

Formation de jonction:

Initialement, lorsque les deux matériaux sont réunis (sans aucune tension externe appliquée), les électrons en excès dans le type N et les trous en excès dans le type P seront attirés l'un vers l'autre et se recombinent où la formation d'ions immobiles (ion donneur et Acceptor ion) se déroule comme indiqué dans l'image ci-dessous. Ces ions immobiles résistent au flux d'électrons ou de trous à travers lui qui agit maintenant comme une barrière entre les deux matériaux (la formation d'une barrière signifie que les ions immobiles se diffusent dans les régions P et N). La barrière qui est maintenant formée est appelée région d'épuisement . La largeur de la région d'appauvrissement dans ce cas dépend de la concentration de dopage dans les matériaux.

Si la concentration de dopage est égale dans les deux matériaux, les ions immobiles se diffusent également dans les matériaux P et N.

Et si la concentration de dopage diffère l'une de l'autre?

Eh bien, si le dopage diffère, la largeur de la région d'appauvrissement diffère également. Sa diffusion est plus dans la région légèrement dopée et moins dans la région fortement dopée .

Voyons maintenant le comportement de la diode lorsqu'une tension appropriée est appliquée.

Diode en polarisation directe

Il existe un certain nombre de diodes dont la construction est similaire mais le type de matériau utilisé diffère. Par exemple, si nous considérons une diode électroluminescente, elle est constituée de matériaux en aluminium, en gallium et en arséniure qui, lorsqu'ils sont excités, libèrent de l'énergie sous forme de lumière. De même, les variations des propriétés de la diode telles que la capacité interne, la tension de seuil, etc. sont prises en compte et une diode particulière est conçue en fonction de celles-ci.

Ici, nous avons expliqué différents types de diodes avec leur fonctionnement, leur symbole et leurs applications:

• Diode Zener
• LED
• Diode laser
• Photodiode
• Diode Varactor
• Diode Schottky
• Diode tunnel
• Diode PIN etc.

Voyons brièvement le principe de fonctionnement et la construction de ces appareils.

Diode Zener:

Les régions P et N de cette diode sont fortement dopées de sorte que la région d'appauvrissement est très étroite. Contrairement à une diode normale, sa tension de claquage est très faible, lorsque la tension de retour est supérieure ou égale à la tension de claquage, la région d'appauvrissement disparaît et une tension constante traverse la diode même si la tension de retour est augmentée. Par conséquent, la diode est utilisée pour réguler la tension et maintenir une tension de sortie constante lorsqu'elle est correctement polarisée. Voici un exemple de limitation de tension avec Zener.

La panne dans la diode Zener est appelée panne Zener . Cela signifie que lorsque la tension inverse est appliquée à la diode Zener, un fort champ électrique est développé à la jonction, ce qui suffit à rompre les liaisons covalentes à l'intérieur de la jonction et provoque un grand flux de courant. La panne de Zener est causée à des tensions très basses par rapport à la panne d'avalanche.

Il existe un autre type de claquage appelé claquage par avalanche généralement observé dans la diode normale qui nécessite une grande quantité de tension inverse pour rompre la jonction. Son principe de fonctionnement est que lorsque la diode est polarisée en inverse, de petits courants de fuite traversent la diode, lorsque la tension inverse est encore augmentée, le courant de fuite augmente également, ce qui est suffisamment rapide pour rompre quelques liaisons covalentes dans la jonction, ces nouveaux porteurs de charge se décomposent davantage. les liaisons covalentes restantes provoquant d'énormes courants de fuite qui peuvent endommager la diode à jamais.

Diode électroluminescente (LED):

Sa construction est similaire à une simple diode mais diverses combinaisons de semi-conducteurs sont utilisées pour générer différentes couleurs. Il fonctionne en mode polarisé en avant. Lorsque la recombinaison du trou d'électrons a lieu, un photon résultant est libéré qui émet de la lumière.Si la tension directe est encore augmentée, plus de photons seront libérés et l'intensité lumineuse augmente également, mais la tension ne doit pas dépasser sa valeur seuil, sinon la LED est endommagée.

Pour générer différentes couleurs, les combinaisons sont utilisées AlGaAs (Aluminium Gallium Arsenide) - rouge et infrarouge, GaP (Gallium Phosphide) - jaune et vert, InGaN (Indium Gallium Nitride) - LED bleues et ultra-violettes etc. Vérifiez un circuit LED simple ici.

Pour une LED IR, nous pouvons voir sa lumière à travers une caméra.

Diode laser:

LASER est l'acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Une jonction PN est formée de deux couches d'arséniure de gallium dopé où un revêtement hautement réfléchissant est appliqué à une extrémité de la jonction et un revêtement partiellement réfléchissant à l'autre extrémité. Lorsque la diode est polarisée en direct similaire à la LED, elle libère des photons, ceux-ci frappent d'autres atomes de sorte que les photons seront libérés de manière excessive, lorsqu'un photon frappe le revêtement réfléchissant et frappe à nouveau la jonction, plus de photons libèrent, ce processus se répète et un faisceau de haute intensité de la lumière est libérée dans une seule direction. La diode laser a besoin d'un circuit pilote pour fonctionner correctement.

La représentation symbolique d'une diode LASER est similaire à celle d'une LED.

Diode photo:

Dans une photodiode, le courant qui la traverse dépend de l'énergie lumineuse appliquée sur la jonction PN. Il fonctionne en polarisation inverse. Comme indiqué précédemment, un petit courant de fuite traverse une diode lorsqu'il est polarisé en inverse, ce qui est ici appelé courant d'obscurité . Comme le courant est dû au manque de lumière (obscurité), il est appelé ainsi. Cette diode est construite de telle manière que lorsque la lumière frappe la jonction, il suffit de rompre les paires de trous d'électrons et de générer des électrons qui augmentent le courant de fuite inverse. Ici vous pouvez vérifier la photodiode fonctionnant avec la LED IR.

Diode Varactor:

Il est également appelé diode Varicap (condensateur variable). Il fonctionne en mode polarisé en inverse. La définition générale d'une séparation de condensateur d'une plaque conductrice avec un isolant ou un diélectrique, lorsqu'une diode normale est polarisée en inverse, la largeur de la région d'appauvrissement augmente, car la région d'appauvrissement représente un isolant ou un diélectrique, elle peut maintenant servir de condensateur. Avec la variation de la tension inverse, la séparation des régions P et N varie, amenant ainsi la diode à fonctionner comme un condensateur variable.

Puisque la capacité augmente avec la diminution de la distance entre les plaques, la grande tension inverse signifie la faible capacité et vice-versa.

Diode Schottky:

Le semi-conducteur de type N est joint au métal (or, argent) de sorte que des électrons de niveau d'énergie élevé existent dans la diode, ils sont appelés porteurs chauds , cette diode est donc également appelée diode porteuse chaude . Il n'y a pas de porteurs minoritaires et aucune région d'appauvrissement n'existe plutôt qu'une jonction semi-conductrice métallique existe, lorsque cette diode est polarisée en direct, elle agit comme conducteur mais la charge a des niveaux d'énergie élevés qui sont utiles pour la commutation rapide, en particulier dans les circuits numériques, ce sont également utilisé dans les applications micro-ondes. Vérifiez la diode Schottky en action ici.

Diode de tunnel:

Les régions P et N de cette diode sont fortement dopées de sorte que l'existence d'un appauvrissement est très étroite. Il présente une région de résistance négative qui peut être utilisée comme oscillateur et amplificateurs micro-ondes. Lorsque cette diode est polarisée en direct tout d'abord, étant donné que la région d'appauvrissement est étroite le tunnel d'électrons à travers elle, le courant augmente rapidement avec un petit changement de tension. Lorsque la tension est encore augmentée, en raison de l'excès d'électrons à la jonction, la largeur de la région d'appauvrissement commence à augmenter, provoquant le blocage du courant direct (où se forme la région de résistance négative) lorsque la tension directe est encore augmentée, il agit comme un diode normale.

Diode PIN:

Dans cette diode, les régions P et N sont séparées par un semi-conducteur intrinsèque. Lorsque la diode est polarisée en inverse, elle agit comme un condensateur à valeur constante. En condition de polarisation directe, il agit comme une résistance variable qui est contrôlée par le courant. Il est utilisé dans les applications micro-ondes qui doivent être contrôlées par tension continue.

Sa représentation symbolique est similaire à une diode PN normale.

Applications des diodes:

• Alimentation régulée: il est pratiquement impossible de générer une tension continue, le seul type de source disponible est la tension alternative. Étant donné que les diodes sont des dispositifs unidirectionnels, elles peuvent être utilisées pour convertir la tension alternative en courant continu pulsé et avec d'autres sections de filtrage (utilisant des condensateurs et des inductances) une tension continue approximative peut être obtenue.

• Circuits de tuner: Dans les systèmes de communication à l'extrémité du récepteur, puisque l'antenne reçoit toutes les fréquences radio disponibles dans l'espace, il est nécessaire de sélectionner une fréquence souhaitée. Ainsi, des circuits tuner sont utilisés qui ne sont rien d'autre que le circuit à condensateurs et inductances variables. Dans ce cas, une diode varactor peut être utilisée.

• Téléviseurs, feux de signalisation, panneaux d'affichage: pour afficher des images sur des téléviseurs ou sur des panneaux d'affichage, des LED sont utilisées. Étant donné que la LED consomme très moins d'énergie, elle est largement utilisée dans les systèmes d'éclairage comme les ampoules LED.

• Régulateurs de tension: La diode Zener ayant une tension de claquage très faible, elle peut être utilisée comme régulateur de tension lorsqu'elle est polarisée en inverse.

• Détecteurs dans les systèmes de communication: Un détecteur bien connu qui utilise une diode est un détecteur d'enveloppe qui est utilisé pour détecter les pics du signal modulé.