débutante en électronique, je cherche à comprendre le fonctionnement d'une diode au niveau atomique. Je trouve beaucoup d'informations sur les semi conducteurs dopés N et P, mais très peu sur leur assemblage et le flux d'électrons qui en résultent, avec ou sans tension. (Les livres et internet s'arrêtent au fonctionnement statique, mais ne donnent pas beaucoup d'informations sur le passage des électrons.)
Comment décrire simplement le passage des électrons, dans un sens comme dans l'autre ? Et pourquoi les électrons passent-ils facilement dans un sens et pas dans l'autre ?
ce n'est pas forcément évident de faire très synthétique...bon, vous devez d'abord considérer l'agitation thermique qui dans un conducteur fait aller les électrons libres en toutes directions. Le phénomène est isotrope (identique dans toutes les directions) et la distribution des vitesses des électrons suit une loi statistique qui dépend de la température. On trouvera beaucoup d'électrons lents et peu de rapides. Plus le matériau est chaud et plus le nb d'électrons libres sera grand et plus la 'vitesse quadratique moyenne' des électrons sera grande. Imaginez un essaim de moustiques en été...on appelle ce mouvement 'désordonné' mais obéissant à des lois statistiques un mouvement Brownien.
Maitenant si vous prennez un matériau comme le silicium, vous y trouvez très peu d'électrons libres. Le matériau se comporte comme un isolant qui ne conduit que très peu le courant électrique. Vous pouvez cependant le doper avec des atomes donneur ou accepteurs d'électrons. Si vous le dopez avec des atomes donneur (dopage N comme négatif), les liaisons inter-atomiques s'arrangent de sorte qu'il y a un électron par atome donneur qui se libère facilement. Si vous dopez votre silicium avec un atome accepteur (dopage P comme positif), vous allez de la même façon avoir une sorte de piège à électron que l'on appelle 'trou'. Les trous, d'une certaine manière, se déplacent eux aussi: il suffit qu'un électron quitte un trou pour un trou voisin et c'est comme si un trou avait fait le chemin inverse. Cependant, un trou est moins mobile qu'un électron libre. On parle alors de semi-conducteur parce qu'à partir d'un isolant dopé on crée un conducteur qui conduit d'autant mieux que le matériau est fortement dopé par augmentation des porteurs de charge libres. Le dopage est aussi intéressant parce que le nombre d'électrons libres pour un semi-conducteur dopé N ou de 'trous libres' pour un semi-conducteur dopé P ne dépend quasiment pas de la température, sur une large gamme de température, et est égal, sur cette gamme de température, au nombre d'atomes donneurs ou accepteurs selon le type de dopage. En revanche ces électrons et ces trous libres ont toujours des vitesses soumises à une loi statisque dépendant de la température.
Notons que ce dopage affecte le nombre de porteurs de charge libres d'un certain type, positif ou négatif, mais n'affecte pas l'électroneutralité.
Maintenant si l'on joint un semi-conducteur (de même matériau de base) dopé N à un semiconducteur dopé P, les trous et les électrons libres sont toujours soumis à une agitation thermique. Cependant il y a un discontinuïté de densité de porteurs de charge (les trous et les électrons) au niveau de la jonction. Ainsi, certains électrons libres vont s'aventurez côté P et certains trous vont s'aventurer côté N....on parle de diffusion et de courant de diffusion. Les trous et les électrons libres pourraient ainsi diffuser dans l'ensemble de la jonction PN pour l'occuper de façon homogène s'il n'y avait le champ électrique. En effet, une fois la diffusion amorcée, le matériau perd sont électroneutralité par excés de charges négatives côté P et excés de charges positives côté N à proximité de la jonction. Ainsi il apparaît un champ électrique qui s'oppose à la diffusion. Il apparaît donc un courant de conduction dans le sens inverse de la diffusion. Il se crée rapidement un équilibre où le courant de conduction est égal au courant de diffusion et il s'est établit autour de la jonction, une barrière de potentiel qui dépend de la température et de la nature des matériaux.
Maintenant si l'on veut faire circuler le courant par un circuit extérieur de la zone N vers la zone P, on applique une 'polarisation inverse'. Cette polarisation inverse donne un champ électrique qui vient se retrancher au champ électrique consécutif à la diffusion. La diffusion devient plus large et la barrière de potentiel augmente. Cette barrière de potentiel est dans cette configuration de polarisation inverse propre à 'encourager' le passage du courant mais le côté P est très pauvre en électrons et le côté N est très pauvre en trous. Il y a donc très peu de porteurs de charges susceptibles de participer au courant dans ce sens. Il y a donc un courant que l'on appelle courant inverse mais qui est extrêmement faible. (on parle de courant de minoritaires parce que les porteurs de charge participant à ce courant ne sont pas fournis par les atomes dopants et sont donc dans leur zone en nombre très largement minoritaire)
Si l'on veut faire circuler un courant par un circuit extérieur de la zone P vers la zone N, on applique une 'polarisation directe'. Cette polarisation directe donne un champ électrique qui combat la diffusion: la diffusion devient moins large autour de la jonction et la barrière de potentiel diminue. Dans cette configuration les porteurs de charge susceptibles de participer au courant sont très extrêmement nombreux de part le dopage. Cependant il devront franchir la barrière de potentiel qui ne leur est pas favorable. Plus on écroule cette barrière de potentiel en appliquant une polarisation directe importante et plus il y aura statistiquement de porteurs de charge qui auront assez d'énergie au départ pour franchir cette barrière de potentiel et participer au courant. Ainsi, dans ce sens, le courant suivra un loi exponentielle à rapprocher de la loi de distribution statistique des vitesses liée à la température. On parle de courant de majoritaires.
Donc, globalement, pourquoi le courant passe dans un sens et pas dans l'autre ???...parce que dans un sens, les porteurs de charge susceptibles de participer au courant sont très peu nombreux...Et dans l'autre sens, les porteurs de charge susceptibles de participer au courant sont extrêmement nombreux (dopage). La barrière de potentiel qui s'oppose à ce principe n'y fait pas grand chose...mais donne à la caractéristique courant-tension sa forme exponentielle.
Le 28/12/2009 10:47, *Vincent Thiernesse* a écrit fort à propos :
Je ne sais pas si tu satisfais la curiosité de l'OP mais ton exposé entier mérite d'être salué. Bravo, je n'avais jamais rien lu d'aussi clair. Tu devrais faire de l'enseignement, si ce n'est déjà le cas.
Il faudra nous dire à quel moment de ton cursus tes profs t'expliquent ça. Parce qu'à mon époque, si on voulait comprendre le pourquoi du comment, il fallait faire sérieusement de la physique de son côté.
Je me souviens qu'à l'époque, la notion de "trou" avait été difficile à digérer, aujourd'hui, je ferai simplement allusion au jeu de taquin : en déplaçant un pion, en fait c'est le trou qui se déplace en sens inverse.
"LeLapin" a écrit dans le message de news:hha1h9$6fq$ snipped-for-privacy@talisker.lacave.net...
Personnellement, je trouve que cette approche pédagogique est absolument remarquable. L'art d'expliquer simplement des "choses" compliquées. On commence par "voir et sentir les choses" et, si on veut aller plus loin ou quantifier, on verse alors dans la physique et les maths mais en ayant compris de quoi on parle. Merci Monsieur Vincent Thiernesse pour cette magnifique démonstration. Max.
Je plussoie aussi. Très bon condensé clair et complet, à la portée de tout le monde. Mais les bons "profs" (guillemets car les meilleurs ne sont pas toujours des professionnels de l'enseignement) sont bien rares.
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