[AUDIO_VIDE] Bienvenue à la leçon, diode à jonction : principes physiques. Je me propose de vous entretenir, tour à tour, sur le modèle de Bohr de l'atome, les niveaux d'énergie, le semi-conducteur d'abord intrinsèque, puis dopé de type N, de type P, la jonction PN et puis la diode à jonction. Alors pour ce qui est du modèle simplifié de l'atome, c'est le modèle de Bohr que nous allons examiner dans ce cours. Bohr propose qu'un atome est constitué d'un noyau central qu'on voit ici. Autour de ce noyau central gravitent des électrons selon des trajectoires circulaires concentriques et ces trajectoires forment des couches autour du noyau. Le nombre maximal d'électrons sur une couche quelconque est de, deux n au carré, où, n, est le numéro de la couche. Les couches sont comptées de l'intérieur vers l'extérieur. Ceci serait donc la couche numéro 1, celle-là la couche numéro 2 et celle-là la couche numéro 3. De la même manière, lorsqu'on a un ensemble d'électrons à distribuer sur les couches, on les distribue, de l'intérieur vers l'extérieur, donc selon les, n, croissants. La couche la plus externe qui est celle-là , par exemple, s'appelle la couche de valence. Alors, cette couche de valence a une particularité, c'est qu'elle contient les électrons qui participent aux liaisons. donc lorsqu'on a un atome qui est lié à un deuxième atome, ce sont les électrons de la couche de valence, qui sont bien là , qui interviennent dans les liaisons interatomiques. Un élément particulier de la couche de valence, c'est que, si un électron quitte cette couche, eh bien, cet électron passe dans une autre couche, qui n'est pas représentée ici, mais qu'on appelle la couche de conduction. Cette notion est très importante parce que nous allons l'utiliser dans cette leçon. Une autre chose importante à dire au sujet du modèle de Bohr, c'est que les différentes couches de numéros, n, correspondent en fait chacune à un niveau d'énergie. Cette figure nous montre comment les niveaux d'énergie sont répartis selon les couches. Donc pour la couche de numéro, n est égal à 1, on a une valeur d'énergie, pour la couche de numéro, n égal à 2, on a une valeur d'énergie et pour la couche de valence, on a, Ev, qui est l'énergie de la couche de valence, alors que pour la couche de conduction, celle-là , on a, Ec, qui est l'énergie de la couche de conduction. La différence entre les énergies des deux couches, par exemple dans le cas des couches de valence et de conduction est, Ec, moins, Ev, qui est égal à , Ecv. On comprend, telles que les couches sont réparties, qu'il est possible qu'un électron passe d'une couche à une autre. Lorsqu'un électron passe d'une couche d'énergie inférieure à une couche d'énergie supérieure, cet électron reçoit de l'énergie, absorbe de l'énergie. Si l'électron passait d'une couche d'énergie supérieure à une couche d'énergie inférieure, eh bien, l'électron ferait l'inverse, c'est-à -dire l'électron émettrait de l'énergie. Il faut remarquer à ce niveau que l'énergie émise, dans le cas où l'électron émet de l'énergie, ou l'énergie reçue, dans le cas où l'électron reçoit de l'énergie, est impérativement égale à la différence d'énergie entre les deux couches concernées par la transition. L'énergie peut être communiquée à l'électron de différentes manières, ou alors l'électron peut émettre de l'énergie sous plusieurs formes. Abordons, à présent, la notion de semi-conducteur, et particulièrement le semi-conducteur intrinsèque. C'est des éléments qui dans certaines conditions sont isolants et dans d'autres sont conducteurs. C'est pourquoi il y a une notion de semi-conducteur, c'est-à -dire conducteur en quelque sorte à moitié. Sur le plan physique, sur le plan chimique, à quoi correspond un semi-conducteur? C'est un élément de la couche, IV, du tableau de classification périodique des éléments, qui a été mis au point par Mendeleïev. Quelques exemples de tels éléments, on va citer les plus anciens qui sont le Germanium et le Silicium. Lorsque nous parlons de semi-conducteur intrinsèque, la notion d'intrinsèque renvoie à la notion de pureté. Donc en fait lorsqu'on dit semi-conducteur intrinsèque, on veut parler de semi-conducteur pur. Et vous voyez bien que nous mettons, pur, entre guillemets parce que, en réalité, on ne peut vraiment pas avoir l'élément, pur, dans la nature. Il y a toujours un tout, tout, tout, tout petit degré d'impureté. C'est pour ça que nous mettons, pur, entre guillemets. Qu'est-ce que le semi-conducteur a de particulier? Eh bien, c'est un élément qui a quatre électrons de valence. Souvenez-vous de la notion d'électron de valence. Dans ce cas pour simplifier la représentation de l'atome, on va représenter un ion central qui a une charge électrique, plus 4, avec autour quatre électrons en sorte que l'ensemble soit électriquement neutre. Examinons de plus près le cristal de semi-conducteur. Nous avons ici une représentation schématique d'un élément semi-conducteur. Qu'est-ce qu'on y remarque? D'abord selon ce que nous avons expliqué tout à l'heure, un ion central et quatre électrons de valence. Nous avons dit que ces électrons participent aux liaisons avec les autres atomes. Ici, il y a un atome là , et voilà la liaison. Alors qu'est-ce que c'est qu'une liaison covalente? C'est une liaison dans laquelle chaque atome participant à la liaison donne un électron, et c'est bien ce qu'on a ici, tout au long, là , partout, nous avons des électrons. Chacun des électrons de la couche de valence est engagé dans une liaison covalente avec les quatre voisins. La conséquence de ce fait c'est qu'il n'y a pas d'électron libre et donc il n'y a pas de courant électrique qui traverse le cristal. Par conséquent, le cristal dans cet état est isolant. Imaginons maintenant que nous communiquions de l'énergie à l'atome par un moyen quelconque, ce pourrait être en éclairant l'atome par un faisceau lumineux, ce pourrait être en élevant la température, eh bien que se passe-t-il? Les électrons de la couche de valence reçoivent de l'énergie. Grâce à cette énergie, la liaison covalente est rompue. Cet électron, qui était lié, quitte l'atome et laisse à sa place un trou qui est en fait une charge positive. On a, d'une part un trou qui est une charge positive, et un électron, tous les deux libres, et on dit qu'une paire électron-trou libre est née. Cette paire électron-trou va se déplacer dans le cristal. L'électron va se déplacer dans le cristal, le trou va se déplacer dans le cristal. Ces charges positives et négatives qui se déplacent créent un courant électrique dans le cristal. Ce semi-conducteur, dans ces conditions, est devenu conducteur. Mais remarquons que le nombre de paires électron-trou est très faible. En effet, il faut environ 10 000 milliards d'atomes de semi-conducteurs pour libérer une seule paire électron-trou. Imaginons que nous injections un élément de valence 5, c'est-à -dire un élément qui a cinq électrons sur la couche de valence comme nous le voyons là , dans le cristal en très faible quantité pour ne pas perturber la structure de cristal. Ce qu'on appelle faible quantité c'est par exemple un atome de valence 5 pour 1 000 000 d'atomes de semi-conducteurs valence 4. Des éléments de valence 5 qu'on pourrait mettre pourraient être du phosphore, de l'arsenic, de l'antimoine. Dans la suite de ce cours, nous allons voir qu'ils sont utilisés effectivement. Lorsqu'on fait cette injection, on dit que le cristal est dopé N. Pourquoi parle-t-on de cristal dopé N? C'est parce que on a en fait un surplus d'électrons. Les électrons qui viennent avec le dopant sont d'office libres, ne sont pas engagés dans des liaisons. Donc, on a pour 1 000 000 d'atomes de semi-conducteurs, un électron libre. Les paires électron-trou, selon que la température est élevée, sont également présentes. Finalement, la conduction dans un tel cristal dopé de type P va être assurée par les trous qui proviennent de la conduction intrinsèque, les électrons qui proviennent de la conduction intrinsèque, mais également des électrons qui proviennent de la conduction extrinsèque. Et en comparant ces quantités, on se rend compte que ce nombre d'électrons qui viennent de la conduction extrinsèque est de loin supérieur au nombre de ceux qui viennent de la conduction intrinsèque. On dit alors que la conduction extrinsèque est largement dominante. Imaginons qu'on avait plutôt injecté un élément de valence 3 en très faible quantité pour les raisons que nous avons évoquées, et dans les mêmes proportions. Que se passe-t-il? On dit que le cristal est dopé P, première chose. Deuxième chose, à la différence du cas précédent, on a ici un surplus de trous d'office. Les paires électron-trou libres sont toujours présentes. Dans ce cas, la conduction dans le cristal est assurée d'une part par les trous qui viennent de la conduction intrinsèque, des électrons qui viennent de la conduction intrinsèque, mais également des trous qui viennent de la conduction extrinsèque. En comparant les quantités, on peut affirmer que les trous étant en très grand nombre par rapport aux électrons, je veux dire ce qui provient de la conduction extrinsèque, on dit alors que la conduction extrinsèque est largement dominante. Quels pourraient être les éléments de valence 3 qu'on pourrait utiliser pour doper un conducteur et le rendre de type P? Ce pourrait être le bor, l'aluminium, le gallium ou l'indium. Nous verrons aussi dans la suite que ces élements sont très utilisés. Parlons maintenant de la jonction PN. Qu'est-ce que c'est? Si on met en contact deux morceaux de semiconducteurs dont l'un est dopé P et l'autre N, on fabrique une jonction PN que nous avons représentée par ceci. Lorsque la jonction PN est mise en place, qu'est-ce qui se passe? Nous savons que des porteurs de charges de natures différentes s'attirent. Et donc, les électrons qui sont majoritaires ici, vont tenter de passer là alors que les trous qui sont majoritaires ici vont tenter de passer là . C'est la diffusion des porteurs de charges. En passant de part et d'autre, ils vont se neutraliser entre eux, et finalement il se crée une zone de déplétion ici qu'on appelle également zone de charge d'espace, qui contient des ions positifs de ce côté et des ions négatifs de ce côté. Parce qu'on a des ions positifs et négatifs, on a un champ électrique. Ce champ électrique a tendance par la force électrique appliquée sur les porteurs de charges, à s'opposer au passage des trous qui voudraient partir de là à là , et au passage des électrons qui voudraient partir d'ici à là . Donc, on dit que le champ électrique est opposé au passage des porteurs majoritaires, parce qu'ici on a majoritairement des électrons et là majoritairement des trous. Ce champ électrique par contre, souvenez-vous que nous avons toujours les paires électron-trous, vont favoriser le passage des électrons qui se trouveraient ici et qui sont donc des minoritaires ou des trous qui se trouveraient ici et qui seraient donc des minoritaires. On dit que le champ électrique favorise le passage des porteurs minoritaires. Nous avons vu la jonction PN. Si l'on soumet la jonction PN à une différence de potentiel, on réalise ce qu'on appelle une diode à jonction. Donc, une jonction PN comme cela, si on la soumet à une différence de potentiel, on réalise la diode à jonction. Le symbole de la diode à jonction c'est ceci. On a l'anode de ce côté, la cathode du côté N. Comme nous parlons différence de potentiel, on imagine qu'on aura certainement une caractéristique tension aux bornes de la diode en fonction du courant qui traverse cette diode, c'est ce qu'on appelle la caractéristique de la diode, et que nous allons voir tout de suite. La caractéristique de la diode comme je viens de le dire, c'est la relation entre le courant qui traverse la diode en fonction de la tension aux bornes de cette diode. En appliquant quelques lois fondamentales de la physique, je vais en citer quelques-unes, l'équation fondamentale de la dynamique, la loi de conservation d'énergie et la relation très importante E =- grad (V) qui exprime le fait que le champ ici dérive d'un potentiel, on obtient l'équation différentielle qui régit le courant dans la jonction. Lorsqu'on résoud cette équation différentielle, on obtient l'expression I = Is exponentielle de e, la charge élémentaire de l'électron, V la tension sur nkT- 1. C'est l'expression du courant à la jonction. Lorsqu'on étudie théoriquement ceci, on arrive à faire le tracé du courant à la jonction en fonction de la tension à la jonction. Nous voyons ici un certain point qui se trouve entre deux et quatre volts, vers le milieu c'est-à -dire trois volts. Ces trois volts ont été choisis à dessein parce que cette valeur en fait représente ce qu'on appelle la tension de seuil, et c'est une valeur courante des tensions de seuil pour les LED, parce que n'oublions pas que ce que nous faisons c'est pour un cours d'enseignes et afficheurs à LED. En examinant la partie négative, on se rend compte qu'également il y a une espèce de crochet ici lorsque V est négatif. Pour les diodes normales, la valeur de cette tension, où il y a cette augmentation brusque de courant négatif, se situe entre- 50 et- 100 Volts. Nous avons choisi une valeur beaucoup plus faible ici, pour nous rapprocher des cas de LED où la tension inverse limite se trouve autour de -5 V. Essayons de tracer la caractéristique expérimentale de la diode à jonction. On le fait en réalisant ce circuit, où on a une diode, un voltmètre, un ampèremètre, un rhéostat, qui prélèvent une fonction de cette tension positive ou de la tension négative. On fait varier la tension. On relève les valeurs de I en fonction des valeurs de U. On trace la courbe, et on obtient cette courbe représentée ici. Le premier commentaire à faire, c'est que nous réalisons que cette courbe a une allure semblable à celle de la courbe théorique que nous venons de voir. Le deuxième commentaire, c'est que nous avons quelques valeurs qui sont des points particuliers Vz, Us, U0. Que sont ces points particuliers? En fait, Vz, c'est la tension Zener. Il y a un phénomène qui se produit lorsque la tension, ici négative, augmente. Lorsque la tension inverse est suffisamment élevée, elle parvient à arracher des paires électrons-trous supplémentaires, qui traversent très rapidement la jonction parce qu'ils ont une grande énergie, bombardent des atomes de semi-conducteurs, lesquels libèrent à leur tour des paires d'électrons-trous, qui traversent la jonction, bombardent d'autres. Finalement, il y a un effet d'avalanche et le courant croît très brusquement. Si on augmente de beaucoup cette tension, ce phénomène ne sera pas réversible et la diode sera détruite. Il faut donc faire très attention à cette valeur. Quant à la valeur Us, c'est la valeur à partir de laquelle on commence à avoir un courant positif dans la diode. Et U0, que nous appelons seuil pratique, c'est la valeur pour laquelle on a un courant que les électroniciens vont appeler courant notable, parce qu'on peut le mesurer par les ampèremètres courants du commerce. Une autre notion qu'il faut bien préciser ici, c'est que lorsque cette diode est polarisée dans le sens direct, c'est-à -dire qu'on met une tension positive aux bornes de la diode, la petite valeur est à la cathode et la grande valeur est à l'anode, on dit que la diode est polarisée en direct. On voit qu'il y a du courant qui passe dans la diode et on dit donc que la diode est passante. Si on met plutôt la grande valeur de la tension à la cathode et la petite valeur de la tension à l'anode, il n'y a pratiquement pas de courant qui passe dans la diode. La diode est polarisée en inverse, et on dit que la diode est non passante. Nous avons donc passé en revue les notions du modèle de Bohr de l'atome, des niveaux d'énergie, des semi-conducteurs d'abord intrinsèques, puis dopés de type N et P. Nous avons parlé de la jonction PN, et puis, de la diode à jonction. Une LED étant une diode, vous avez certainement, dans le passé, utilisé des LED sans en connaître les bases théoriques. Dans ce cours, nous vous avons donné quelques éléments pour mieux saisir les bases théoriques de ces éléments que vous avez vus, utilisés et manipulés pendant si longtemps.
