Les diodes semiconductrices

Objectifs et Définitions

Caractéristique statique de la diode PN

La diode PN en commutation

Les diodes particulières

Les hétérojonctions

Conclusions Exercices


Les diodes semiconductrices - 2.4 Les diodes particulières.

2.4.3. La diode tunnel.

La diode tunnel ou diode Esaki Esaki est obtenue à partir d'une couche P dégénérée (NA > 1019 cm-3) et d'une couche N dégénérée (ND > 1019 cm-3). La jonction P+N+ ainsi obtenue doit être très abrupte et la ZCE présente une épaisseur très faible (qq dizaines d'A°).

Dans ces conditions des porteurs peuvent traverser la barrière de potentiel par effet tunnel. L'analyse précise cet effet nécessite la connaissance de la mécanique quantique :

http://ece-www.colorado.edu/~bart/book/msfield.htm

Envisageons la description qualitative du fonctionnement de la diode tunnel.

fig135

Pour obtenir un effet tunnel il faut  que:
  1. le niveau de FERMI soit situé dans la BdV du côté P et dans la BdC du côté N,
  2. l'épaisseur de ZCE soit petite pour que la probabilité de passage par effet tunnel soit suffisante,
  3. à la même énergie des électrons soient disponibles dans la BdC et des trous dans la BdV. 

Considérons une diode P+N+ non polarisée à 0 K. Cette température est choisie car tous les niveaux en dessous du niveau de FERMI sont occupés, tous les niveaux au dessus sont vides (figure a). Dans ces conditions, il n'y a pas d'effet de jonction. Le courant qui traverse la barrière est nul car le nombre d'électrons qui vont de P vers  N est le même que le nombre d'électrons qui vont de N vers P.

en polarisation inverse (figure b), le courant tunnel créé par les électrons qui vont de P vers N est important., la diode ne bloque pas, le courant inverse est important.

Pour les faibles tensions directes (figure c), le courant tunnel est engendré par les électrons qui vont de N vers P. Mais au fur et à mesure que la tension directe augmente, les niveaux occupés dans la BdC vont se retrouver devant des niveaux de la BI, le courant tunnel va diminuer (figure d).

Pour les tensions directes intermédiaires, les niveaux occupés de la BdC se retrouvent tous devant des niveaux de la BI et le courant tunnel se tarit (figure e). La seule possibilité pour les électrons de rejoindre le côté P de la jonction est de franchir la barrière de potentiel, on se retrouve dans la cas classique de la jonction PN polarisée en direct.

Pour les tensions directes classiques, le courant tunnel est complètement disparu mais le courant de diffusion est maintenant notable et on retrouve la forme caractéristique de la polarisation directe.

La caractéristique I(V) de ce dispositif présente donc sur une petite gamme de tensions directes une pente négative (le courant diminue quand la tension augmente). La diode tunnel présente une résistance différentielle négative (RDN).

Comme le temps de transit par effet tunnel dans la ZCE est très petit, la RDN est indépendante de la fréquence, la diode ESAKI est très utilisée pour la réalisation d'oscillateurs, de multivibrateurs, de circuits logiques rapides et d'amplificateurs hyperfréquences faible bruit.

fig 136

Caractéristique I(V) typique d'une diode Esaki

Paramètres d'utilisation :
  • Ipic, Vpic ; courant et tension de pic.
  • Ival, Vval : courant et tension de vallée.

d'après Sze

Courant total = courant tunnel + courant de diffusion + courant excès :

I = Itun +Idif + Iexc

Itun = Ipic(V/Vpic)exp(1-V/Vpic)

Iexc = Ival exp(A(V-Vval)) A = cste

Idif = Is (exp(qV/kBT) - 1) Is : courant de saturation.

http://www.avtechpulse.com/faq.html/IV.3/  

Implacabilité de Brokke : Tout ce qui doit casser, cassera, et de préférence au plus mauvais moment.

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Dernière mise à jour : le 19-mar-04 Auteur : Bernard BOITTIAUX