1. Physique des semi-conducteurs.

Si le bois est presque isolant et le cuivre bon conducteur, il éxiste des matériaux qui sont situés dans une zone intermédiaire, pas tout à fait isolant ni tout à fait conducteur. Ces composants sont en grande majorité basés sur le silicium (du sable pure) ; les phénomènes qui s'y produisent sont complexes et furent compris qu'au milieu du siècle dernier (1951, Shockley invente le transistor à jonction - Note1). L'atome de silicium (Si) est tétravalent : il possède en périphérie 4 électrons de valence, capables de former des liaisons chimiques. A l'état cristallin, l'atome de silicium établit des liasons covalentes avec quatre voisins. Tous les électrons sont donc localisés dans des liaisons, dans ce cas, le silicium devient un isolant parfait.

Figure 1 : Structure du silicium, intrinsèque, dopé N dopé P.

En réalité sous l'effet deséchanges thermiques, un électron de valence peut être arraché à une liaison pour être promu électron de conduction, libre de se déplacer dans le cristal sous l'effet du moindre champs électrique. Il se produit dans la liaison un trou (déficit de charge négative) qui peut-être lui-même comblé par un électron de conduction passant à proximité. Ce processus inverse est appelé recombinaison. Le trou peut très bien être recombiné par un électron de valence voisin si on applique un champs électrique favorable. L'électron de valence laisse alors dans la liaison qu'il quitte un nouveau trou qui à son tour pourra être comblé par un autre électron de valence. Il en ressort que deux types de conductions éxistent :

• La conduction par les électrons de conduction (électrons libres).
• La conduction par les électrons de valence (ou par les trous).

2. La diode à jonction.

La diode est un composant non linéaire qui présente une grande résistance dans un sens et une faible résistance dans l'autre. Une diode est réalisée en dopant un cristal de silicium de telle façon qu'une partie soit de type P et l'autre de type N. La surface de séparation est la jonction. L'electrode reliée à la zone N est la cathode, celle reliée à la zone P est l'anode.

Figure 2 : Jonction PN et symbole d'une diode.

Un électron qui traverse la jonction et se recombine avec un trou laisse derrière lui un ion positif et crée dans la zone P un ion négatif. (ion : atome ayant perdu un ou plusieurs électrons) Il va se créer au voisinage de la jonction une zone ou les porteurs trous et électrons libres vont disparaitre ; cette zone de transition, ou de déplétion, constitue une sorte de couche isolante équivalente au semi-conducteur intrinsèque. [**] Il apparait ainsi, de part et d'autre de la jonction, des distributions de charges opposées. Ces charges vont crées un champs électrique E dirigé de telle façonqu'il s'oppose au déplacement des électrons. Un équilibre s'instaure, les porteurs de charge sont repoussés au-delà de la jonction. Il apparait une barrière de potentiel, infranchissable pour les électrons. Dans le cas du silicium, la hauteur de cette barrière est de l'ordre de 600mV.

Figure 3 : Les niveaux d'énergie.

Pour bien comprendre ces phénomènes de conduction, il est plus commode d'utiliser les bandes d'énergies ; on distingue la bande de valence qui correspond aux électrons de valence. Cette bande est saturée et les électrons peuvent sortir plus ou moins facilement vers la bande de conduction qui est vide ou incomplète et enfin vers la bande interdite. Lorsque les zones P et N sont séparés, les bandes de valence et de conduction sont les mêmes. Mais par suite des niveaux des accepteursde P et des donneurs de N, les niveaux de Fermi sont différents, celui de la partie P est inférieure à celui de la partie N. Lors de la jonction des deux zones, pour respecter l'équilibre thermodynamique, les niveaux de Fermi s'égalisent et les bandes P et N se décalent en créant la barrière de potentiel.

Figure 4 : Caractéristique Id=f(Vd) d'une diode.

Une tension Vd positive appliquée aux bornes de la diode crée un champs électrique qui s'oppose au champs E éxistant déjà dans la jonction. Un courant Id passera facilement dès que Vd excédera la barrière de potentiel (600mV). Il s'agira d'un courant de conduction dans la région N et d'un courant d'électrons de valence (ou trous) dans la région P. La diode est passante ou conductrice.
Si la tension Vd appliquée est négative, elle ne fera que renforcer l'action de la barrière de potentiel. Aucun courant ne pourra passer, la diode est dite bloquée. En pratique, il éxiste un très faible courant de porteurs minoritaires générant un faible courant inverse ; au-delà d'une certaine tension, dite tension de Zener, la diode devient conductrice par effet d'avalanche et, en général, la diode est détruite.[*] La caractéristique de la diode est la relation qui éxiste entre le courant Id et la tension Vd (en continu). L'équation théorique est donnée par la relation suivante :

Id = Is * [exp(Vd/Vt) - 1]
Avec Vt = k*T/q
Soit Id # Is * exp(Vd/26mV)

• Sans tension externe, il éxiste un courant de diffusion Id dû aux électrons et aux trous d'énergie suffisante pour remonter la barrière de potentiel. D'autre part, il éxiste un courant Is dû aux électrons et aux trous engendrés par l'agitation thermique et qui descendent la barrière de potentiel ; donc Id=Is.
• Si une tension inverse est appliquée, elle élévera la barrière de potentiel et diminuera Id qui deviendra vite négligeable ; le courant est alors réduit au courant d'agitation thermique, indépendant de la tension inverse appliquée jusqu'à la tension zener.
• Si une tension directe est appliquée, la barrière de potentiel diminue et le courant et le courant de diffusion deviendra prépondérant et sera approximativement Id = Is.exp(qV/kT).

3. La diode zener.

Le phénomène fut abordé sommairement ci-dessus[*]. En polarisation inverse, dès que la diode atteint un seuil dit de tension de Zener, elle se met brusquement à laisser passer un grand courant. Ce courant résulte de la cassure de liaisons chimiques, soit sous l'effet d'un champs électrique intense (effet zener), soit à cause de chocs avec des porteurs de charge minoritaires devenus énergétiques (effet d'avalanche). Il en résulte une carctéristique presque verticale : la tension aux bornes de la diode dépend peu du courant. Vz est la tension de claquage ou tension zener et peut varier de quelques volts à plusieurs centaines de volts.
Le montage le plus élémentaire qui soit est le suivant :

Figure 5 : Régulation simple à base de zener.

Seulement l'inconvénient de ce système est de réguler correctement uniquement lorsque le courant de charge est équivalent au courant de polarisation ; toute dérive du courant nécessaire induit inéxorablement une variation de la tension de la sortie. (plus la résistance de charge diminuera, plus la tension délivrée sera grande (i diminuant, la chutte aux bornes de R aussi.)

R = (Vcc - Vz)/i
Pour Vcc=5Volts, Vz=3,3V et i=19mA : R=89 Ω

Ir1 = (Ve - Vz)/R1 = 2mA
Vs = Vz - Vbe = 3,3V
Pour Rc = 100 Ω :
I = Vs/Rc = 33mA
Ib = i / β = 330uA
Iz = Ir1 - Ib = 2mA - 330uA.

Figure 6 : Régulation avec zener et transistor.

4. La diode au germanium.

Au lieu d'utiliser du silicium, cette diode est basée sur du Germanium de valence 4 lui aussi. Il se dope de la même façon. La différence au final résulte en un seuil plus faible de 200mV contre 600mV pour le silicium. En revanche le courant inverse est bien plus important et dépend beaucoup de la température. (usage ??)

5. La diode varicap.

C'est une diode à variation de capacité. La capacité interne varie en fonction de la tension inverse appliquée. Cette propriété fut étudiée par Shockley et Schottky et a pour origine l'augmentation de la zone de déplétion qui ne laisse pas passer le courant [**] et dont l'épaisseur augmente lorsque la tension inverse augmente. Ainsi la capacité peut varier de 1pf à quelques dizaines de pf. C'est un composant très utilisé dans les VCO (oscillateurs controllés en tension) que l'on trouve dans tous montage à PLL (asservissement de l'oscillateur en fréquence.)

6. La diode Schottky.

Elle est formée par un contact entre un métal et un semi-conducteur. Elle permettent entre autre de réaliser des détecteurs de puissance radio fréquence, ou des systèmes de démodulation d'amplitude (sous certaines conditions). C'est un composants bien pratique pour faire des commutateurs RF.

Figure 7 : Exemple d'application : détecteur RF.

7. La diode PIN.

C'est une diode qui comporte une couche intermédiaire de silicium à haute pureté, ce semi-conducteur pur ou intrinséque I est est entouré de semi-conducteur dopés N et P d'ou l'appelation P.I.N En polarisation inverse, la zone de déplétion augmente donnant une capacité qui atteint une valeur limite. En polarisation directe, les charges sont injectés dans la couche I. Pour faire fonctionner cette diode, il faut appliquer une tension continue et un signal HF. Au delà d'une certaine fréquence, liée au temps moyen de recombinaison des charges, la diode se comporte comme une résistancedont la valeur est controlée par la tension de polarisation. Ce dispositif sert dans les atténuateurs varaibles commandés en tension : étage de controle automatique de gain (CAG). Un atténuateur en PI utilise quatre diodes PIN, la fonction est utilisable de quelques MHz à 1GHz environ. Il est aussi possible d'effectuer des dispositifs de modulation d'amplitudeou en impulsions, des commutateurs RF...

Figure 8 : Exemple d'application : atténuateur controlé en tension.

L'atténuateur à diode PIN est contrôllé en tension, cela permet d'utiliser le montage dans un contrôle automatique de gain en association avec un détecteur radio-fréquence à diode Schottky par exemple. L'inductance sur le circuit de commande permet de rendre la ligne RF indépendante de la tension de commande ; les capacités de découplage en entrée et sortie du montage évitent toutes interaction avec les montages amont et aval, eux aussi généralement polarisés mais surement à une valeur différente (montage amplificateur à transistor). Pour des signaux radiofréquences, la diode apparait comme une résistance dont la valeur est controllée par la tension de commande. (Vs=K*Ve avec k comprit entre 1 et 0,1 en linéaire, soit 0dB à 10dB d'atténuation en puissance.)

8. La photodiode.

La photodiode est une diode sensible à la lumière. Comme une diode à jonction, polarisée en inverse, elle ne laisse passer pratiquement pas de courant. En réalité, il circule un courant très faible malgré la barrière de potentiel crée par la polarisation inverse. Il éxiste des porteurs minoritaires, les trous de l'élément N qui descendent la barrière et les électrons de l'élément P qui la remontent ; ila arrivent donc à franchir la barrière et sont à l'origine du courant de repos de la photodiode.
Si la jonction est éclairée, des paires électrons/trous sont engendrées par effet photoélectrique des deux cotés de la jonction. Le potentiel dû à la barrière attire les trous vers un coté et repousse les électrons de l'autre ; le courant augmente alors de façon très nette. Des photodiodes plus récentes ont été réalisées avec trois couches : silicium P, silicium pur ou intrinsèque, silicium N (P.I.N) Ces diodes sont utilisées dans les montages à base de fibres optiques. La couche intermédiaire de semi-conducteur intrinsèque permet de réduire la capacité interne qui limite le temps de réponse et donc la vitesse maximale à laquelle la diode peut travailler.
Photodiode au germanium.

9. La diode electroluminescente (DEL/LED).

La diode Electroluminescente (Light Emitting Diode) a été inventé en 1962par un ingénieur de la General Electric. Cette diode au fonctionnement assez complexe et nécessitant une étude des semi conducteurs ne sera analysée ici ; notons simplement que c'est le composant le plus simple qui réalise l'émission de photons (par recombinaisons de porteurs dans une hétérojonction polarisée en directe).

10. Autres diodes.

La diode à avalanche.
La diode Impatt, la diode tunnel, la diode Gunn. (diodes pour hyperfréquences)

Note 1 :
C'est la thése officielle : pour donner un nom ; toutefois ne spolions pas le travail d'autres équipes. Le Service des Recherches et du Contrôle Technique (SRCT - PTT - France) travailla sur l'éllaboration d'un transistor à germanium qu'il appliqua à un poste émetteur et récepteur, amplification vidéo... Il est certain que très tôt la technologie des semi-conducteurs était maitrisée, ce qui est peut- être dommage, c'est que les travaux ne furent annoncés que lorsqu'ils purent déboucher sur des montages concrets. (1949 ?) Deuxième thèse : En 1930, un américain Lilienfeld dépose un brevet décrivant un dispositif à semi-conducteurs. Comportant trois électrodes, ce composant permet de réaliser un poste récepteur avec amplification HF et BF. Ce dispositif avait la structure d'un transistior à effet de champs...