Electronique de puissance L Chapitre 6 PREMIÈRE PARTIE LA DIODE PDF

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Electronique de puissance L Chapitre 6 PREMIÈRE PARTIE LA DIODE

LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (1) : LA DIODE Page 1 CD:ELPCoursChap6 6 LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (1) : LA DIODE 6 1 LA DIODE 6 1 1 Introduction Si on veut évaluer les sollicitations auxquelles les semiconducteurs sont soumis lors des commutations ou si on veut étudier les moyens qui permettent de réduire ces sollicitations il

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CD:\Cours_doc\Chap6 M. Correvon

Electronique de puissance

__________

Chapitre 6

LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE

REMIÈRE PARTIE : LA DIODE

CD:\ELP\Cours\Chap6.doc

TABLE DES MATIERES

PAGE

6. LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (1) : LA DIODE..........................................................................1

6.1 LA DIODE.................................................................................................................................................................1

6.1.1 Introduction.......................................................................................................................................................1

6.1.2 Les propriétés électriques du cristal de silicium..............................................................................................1

6.1.3 Le silicium pur ou intrinsèque..........................................................................................................................1

6.1.4 Le silicium dopé ou extrinsèque. ......................................................................................................................3

6.1.5 Les mouvements des charges dans un cristal de silicium................................................................................5

6.1.6 La jonction PN. .................................................................................................................................................6

6.1.7 Remarques générales......................................................................................................................................15

6.1.8 La diode utilisée en commutation...................................................................................................................16

6.1.9 Caractéristiques statiques...............................................................................................................................17

6.1.10 Valeurs maximales admissibles pour le courant et la tension.................................................................19

6.1.11 Pertes à l'état passant et à l'état bloqué....................................................................................................19

6.1.12 Les caractéristiques dynamiques: les commutations................................................................................20

6.1.13 Avertissement. ............................................................................................................................................25

6.1.14 Grandeurs nominales et caractéristiques importantes de sélection........................................................26

6.1.15 Limites maximales d'utilisation (Absolute maximum ratings). ................................................................27

6.1.16 Caractéristiques statiques..........................................................................................................................28

6.1.17 Caractéristiques dynamiques. ...................................................................................................................28

6.1.18 Notes sur les diodes spéciales....................................................................................................................32

LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (1) : LA DIODE Page 1

CD:\ELP\Cours\Chap6

6. LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (1) : LA DIODE.

6.1 L

A DIODE.

6.1.1 Introduction.

Si on veut évaluer les sollicitations auxquelles les semiconducteurs sont soumis lors des

commutations, ou si on veut étudier les moyens qui permettent de réduire ces sollicitations, il

faut disposer de modèles plus précis du comportement de ces interrupteurs statiques. Le but des sections 6.1.2 à 6.1.7 n'est pas de traiter de la physique des semiconducteurs ni de leur technologie de fabrication. Nous nous tiendrons au minimum nécessaire pour expliquer les principales caractéristiques des composants les plus utilisés.

6.1.2 Les propriétés électriques du cristal de silicium.

Les atomes des matériaux semiconducteurs possèdent quatre électrons sur leur couche extérieure dite couche de valence. Ceci peut correspondre à l'association par liaison de

covalences d'atomes identiques possédant chacun ces quatre électrons périphériques (carbone,

germanium, silicium) ou à l'association deux par deux par liaison ionique d'atomes possédant,

l'un trois électrons périphériques, l'autre cinq (arséniure de gallium). Ces atomes ou ces

molécules s'accrochent les uns aux autres de façon régulière en partageant leurs électrons

périphériques et forment des structures cristallines. Au stade actuel de la technologie, seul le silicium permet la réalisation d'interrupteurs de

puissance capables de supporter des tensions de quelques milliers de volts à l'état ouvert, des

courants pouvant aller jusqu'à plusieurs milliers d'ampères à l'état fermé.

6.1.3 Le silicium pur ou intrinsèque.

Dans un cristal de silicium, les atomes sont arrangés dans un réseau tétraédrique où chaque

atome voit ses quatre électrons périphériques établir quatre liaisons de covalence avec les

quatre atomes qui lui sont voisins au sein du réseau. La Figure 6-1 donne une représentation plane de cette structure qui est à priori stable.

Figure 6-1 : Structure d'un cristal de silicium

Toutefois, l'agitation thermique au sein de ce réseau fournit à certains électrons de valence

l'énergie nécessaire pour passer de la bande de valence dans la bande de conduction, devenant LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (1) : LA DIODE Page 2

CD:\ELP\Cours\Chap6

ainsi des porteurs de charge négative mobiles pouvant servir à la circulation d'un courant dans

le matériau.

Lorsqu'un électron passe dans la bande de conduction, il laisse dans le réseau cristallin un ion

positif (atome ayant perdu cet électron). Une particularité essentielle du silicium est que cet

ion peut aisément rétablir son équilibre électronique en capturant un électron de valence d'un

atome voisin, lequel peut à son tour rétablir son équilibre aux dépens d'un atome voisin ...

On voit que le trou laissé par le passage d'un électron de la bande de valence à la bande de

conduction correspond à une charge positive se déplaçant de proche en proche dans le réseau

cristallin et participant ainsi à la conduction du courant au même titre que l'électron passé dans

la bande de conduction. C'est pourquoi, lorsque l'agitation thermique fait passer un électron dans la bande de

conduction, on dit qu'il y a création d'une paire électron- trou pour indiquer qu'il y a apparition

de deux porteurs de charge mobiles de signes opposés.

Un électron passé dans la bande de conduction peut revenir dans la bande de valence en étant

capturé par un ion positif ; on dit que cet électron se recombine avec un trou du réseau cristallin. Par la suite, quand nous parlerons d'électrons, nous sous-entendrons qu'il s'agit d'électrons passés dans la bande de conduction.

Le nombre de paires électron-trou libéré par unité de temps par l'agitation thermique croît avec

la température du cristal. Par ailleurs, le nombre de paires électron-trou qui se recombine par

unité de temps est sensiblement proportionnel au produit de la concentration en électrons par la concentration en trous au sein du cristal. KTqE I g eCn 2 6.1 avec : E g : le niveau d'énergie du semiconducteur, 1.1eV pour le silicium. q : charge de l'électron

K : cte de Bolzmann

T : température en degré Kelvin

C : cte de proportionnalité

Ces deux mécanismes antagonistes font qu'à une température donnée la concentration en paires électron-trou atteint une valeur d'équilibre pour laquelle le nombre de paires qui se

recombine par unité de temps égale le nombre de paires générées par l'agitation thermique.

On caractérise la concentration en paires électron-trou à l'équilibre par le nombre n I d'électrons par cm 3 (Il est égal au nombre p I de trous par cm 3 ; l'indice I correspond au caractère intrinsèque du cristal.)

A la température ambiante (25 °C),

]/1[102.1 310
cmpn II 6.2 Ce nombre, qui est celui des atomes ionisés par cm 3 est une fraction infime des 322
/105cm atomes présents dans le cristal. LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (1) : LA DIODE Page 3

CD:\ELP\Cours\Chap6

La résistivité du silicium pur est voisine de cmk250. Cette valeur est à comparer à celle du cuivre (cm 6

107.1 ) et à celle du polypropylène (cm

107.1).

6.1.4 Le silicium dopé ou extrinsèque.

On peut modifier les caractéristiques d'un cristal de silicium par dopage, c'est-à-dire par injection en très faible quantité d'atomes trivalents, comme l'aluminium, ou pentavalents, comme le phosphore. La concentration en atomes étrangers (ou impuretés) introduits par le dopage doit être nettement supérieure à n I , pour produire un effet sensible, mais elle est inférieure à 2 I n et est donc négligeable à l'échelle du nombre d'atomes par cm 3 cristal.

6.1.4.1

Le silicium de type N.

On réalise un dopage de type N en injectant dans le cristal de silicium des atomes possédant

cinq électrons de valence. Quatre électrons de valence de chaque atome étranger servent à

établir des liaisons covalentes avec les atomes de silicium voisins; le cinquième est rejeté dans

la bande de conduction et laisse derrière lui un ion positif (atome étranger ayant perdu un

électron).

A chaque atome d'impureté correspond donc

une charge négative mobile, une charge positive fixe.

Il faut ajouter à ces charges les paires électron-trou générées par l'agitation thermique venant

des atomes de silicium. Pour déterminer le nombre total de porteurs de charge à l'équilibre thermique, on remarque: que le nombre de paires électron-trou produit par cm 3 et unité de temps par l'agitation thermique n'est pas affecté par la présence des impuretés vu leur très faible concentration, qu'à l'équilibre le nombre de recombinaisons par cm 3 et unité de temps reste proportionnel, comme pour le silicium pur, au produit de la concentration en électrons n N par la concentration en trous p N

On en déduit, pour 25°C

]/1[1044.1 3202
cmnpnpn IIINN 6.3 soit I NI N pnnp 6.4

Si le nombre N

D d'atomes étrangers donneurs d'un électron est nettement supérieur à n I

IIDIDN

pounNnNn 6.5 et la relation précédente devient LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (1) : LA DIODE Page 4

CD:\ELP\Cours\Chap6

DII DI N

NppNnp

6.6

Par cm

3 de cristal de silicium de type N il y a donc: comme charges fixes: N D ions positifs venant du silicium libérés par agitation thermique; comme porteurs mobiles : p N trous venant d'atomes de silicium et dus à l'agitation thermique, p N électrons correspondant aux trous précédents, N D , avec N D >> p N , électrons libérés par les atomes donneurs. Les électrons sont les porteurs de charge majoritaires. Les trous sont minoritaires. Le dopage diminue très fortement la résistivité du silicium. Pour N D = 10 14 /cm 3 , elle tombe à 40 cm.

6.1.4.2 Le silicium de type P.

Le dopage de type P s'obtient en injectant dans le cristal de silicium des atomes étrangers

possédant trois électrons de valence. Chacun de ces atomes doit capturer un électron du réseau

cristallin pour établir des liaisons de valence avec les quatre atomes de silicium qui l'entourent.

Cela transforme l'atome étranger en un ion négatif et fait apparaître un trou dans le réseau

cristallin.

Si la concentration N

A en atomes étrangers accepteurs d'un électron est nettement supérieure à n I , la concentration en trous p P et celle en électrons n P sont données approximativement par:

IIAIAP

noupNpNp 6.7 AII AI P

NnnNpn

6.8

Par cm

3 dans un cristal de silicium du type P il y a donc: comme charges fixes: N A ions négatifs, un par atome accepteur ayant capturé un électron; comme porteurs mobiles : n P électrons venant du silicium libérés par agitation thermique, n P trous correspondant aux électrons précédents, N A , avec N A >> n P , trous créés par les atomes accepteurs. Les trous sont les porteurs majoritaires ; les électrons sont minoritaires. LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (1) : LA DIODE Page 5

CD:\ELP\Cours\Chap6

6.1.5 Les mouvements des charges dans un cristal de silicium.

Dans un métal, les charges négatives que constituent les électrons de la bande de conduction

sont libres de se déplacer au sein du matériau. Les charges positives, que constituent les

atomes ionisés par passage de leurs électrons périphériques dans la bande de conduction, sont

fixes. Toute variation spatiale de la concentration en électrons libres au sein du matériau

créerait un déséquilibre entre les concentrations des charges positives et négatives, et donc

l'apparition d'un champ électrique s'opposant à ce déséquilibre. Dans un semiconducteur, il y a deux types de charges mobiles; les électrons et les trous. On peut donc avoir une variation spatiale de la concentration en porteurs sans qu'il y ait apparition

d'un champ électrique ; il suffit que les variations de concentration des électrons et des trous

soient égales. Par conséquent, dans un semiconducteur, deux mécanismes peuvent contribuer à produire des mouvements de charges et donc à faire circuler un courant.

C'est l'existence de ces deux types de courant qui est à la base des propriétés particulières des

dispositifs à semiconducteur.

6.1.5.1 Effet des gradients de concentration: courant de diffusion.

Une variation de la concentration en électrons suivant l'axe des x entraîne un gradient de concentration xn et un mouvement des électrons dans le sens qui contribue à rétablir l'équilibre (Figure 6-2). Il en va de même d'une variation de la concentration en trous.

Il en résulte un

courant de diffusion dont la densité est donnée par: xpDxnDqJ pnxdiff w quotesdbs_dbs14.pdfusesText_20

[PDF] Electronique de puissance L Chapitre 6 PREMIÈRE PARTIE LA DIODE

Comment calculer la puissance électrique?

Qu'est-ce que l'électronique de puissance?

Quelle est la source de courant la plus utilisée en électronique de puissance ?

Quelle est la classe concernée par l’électronique de puissance?

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Electronique de puissance

Chapitre 6

LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE

REMIÈRE PARTIE : LA DIODE

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TABLE DES MATIERES

6. LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (1) : LA DIODE..........................................................................1

6.1 LA DIODE.................................................................................................................................................................1

6.1.1 Introduction.......................................................................................................................................................1

6.1.2 Les propriétés électriques du cristal de silicium..............................................................................................1

6.1.3 Le silicium pur ou intrinsèque..........................................................................................................................1

6.1.4 Le silicium dopé ou extrinsèque. ......................................................................................................................3

6.1.5 Les mouvements des charges dans un cristal de silicium................................................................................5

6.1.6 La jonction PN. .................................................................................................................................................6

6.1.7 Remarques générales......................................................................................................................................15

6.1.8 La diode utilisée en commutation...................................................................................................................16

6.1.9 Caractéristiques statiques...............................................................................................................................17

6.1.10 Valeurs maximales admissibles pour le courant et la tension.................................................................19

6.1.11 Pertes à l'état passant et à l'état bloqué....................................................................................................19

6.1.12 Les caractéristiques dynamiques: les commutations................................................................................20

6.1.13 Avertissement. ............................................................................................................................................25

6.1.14 Grandeurs nominales et caractéristiques importantes de sélection........................................................26

6.1.15 Limites maximales d'utilisation (Absolute maximum ratings). ................................................................27

6.1.16 Caractéristiques statiques..........................................................................................................................28

6.1.17 Caractéristiques dynamiques. ...................................................................................................................28

6.1.18 Notes sur les diodes spéciales....................................................................................................................32

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6. LES SEMICONDUCTEURS DE PUISSANCE (1) : LA DIODE.

A DIODE.

6.1.1 Introduction.

6.1.2 Les propriétés électriques du cristal de silicium.

6.1.3 Le silicium pur ou intrinsèque.

Figure 6-1 : Structure d'un cristal de silicium

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K : cte de Bolzmann

T : température en degré Kelvin

C : cte de proportionnalité

A la température ambiante (25 °C),

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107.1 ) et à celle du polypropylène (cm

107.1).

6.1.4 Le silicium dopé ou extrinsèque.

6.1.4.1

Le silicium de type N.

électron).

A chaque atome d'impureté correspond donc

On en déduit, pour 25°C

Si le nombre N

IIDIDN

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NppNnp

Par cm

6.1.4.2 Le silicium de type P.

Si la concentration N

IIAIAP

NnnNpn

Par cm

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6.1.5 Les mouvements des charges dans un cristal de silicium.

6.1.5.1 Effet des gradients de concentration: courant de diffusion.

Il en résulte un