Polarisation directe vs polarisation inverse : zone de déplétion, barrière, courant, capacité et usages
Une diode à jonction PN se comporte de façon très différente selon le sens de la tension appliquée. En polarisation directe, le côté p est rendu positif et le côté n négatif. La barrière de la jonction s’abaisse, les porteurs majoritaires sont injectés à travers la jonction et le courant croît exponentiellement avec la tension. En polarisation inverse, le côté p est rendu négatif et le côté n positif. La barrière s’élève, la zone de déplétion s’élargit et seul un très faible courant inverse circule. La polarisation directe sert au redressement et à l’émission de lumière des LED ; la polarisation inverse sert à la détection de lumière, à la capacité commandée en tension et, avec le claquage, à la régulation de tension.
| Critère | Polarisation directe | Polarisation inverse |
|---|---|---|
| Application de la tension | Côté p (anode) positif, côté n (cathode) négatif | Côté p (anode) négatif, côté n (cathode) positif |
| Largeur de la zone de déplétion | Plus étroite ; proportionnelle à √(Vbi − V), où Vbi est le potentiel de diffusion | Plus large ; proportionnelle à √(Vbi + VR). Lorsque VR est bien supérieure au potentiel de diffusion, quadrupler la tension double environ la largeur |
| Hauteur de barrière | Abaissée à q(Vbi − V) | Élevée à q(Vbi + VR) |
| Courant et mouvement des porteurs | Les porteurs majoritaires franchissent la barrière, sont injectés de l’autre côté et y diffusent comme porteurs minoritaires (courant de diffusion) | Un très faible courant de porteurs minoritaires générés thermiquement, entraînés par le champ dans la zone de déplétion et à proximité |
| Relation courant-tension | I ≈ Is·exp(qV/nkT). Avec un facteur d’idéalité n = 1, le courant est multiplié par dix environ tous les 60 mV à température ambiante. Le silicium conduit typiquement un courant notable à partir d’environ 0,6 à 0,7 V | Un faible courant presque indépendant de la tension (idéalement −Is ; en pratique, le courant de génération dans la zone de déplétion s’y ajoute). Il augmente fortement avec la température |
| Capacité dominante | Capacité de diffusion, due aux porteurs minoritaires injectés et stockés ; elle croît à peu près proportionnellement au courant (Cd ≈ τI/(nkT/q)) | Capacité de jonction (de déplétion), C = εA/W ; elle diminue quand la tension inverse augmente |
| Exemple chiffré (jonction abrupte, côté p 1×10¹⁹ cm⁻³, côté n 1×10¹⁶ cm⁻³, température ambiante, approximation de déplétion) | Potentiel de diffusion d’environ 0,89 V. Largeur de la zone de déplétion d’environ 0,34 µm à 0 V et d’environ 0,23 µm sous 0,5 V de polarisation directe | Largeur de la zone de déplétion d’environ 0,87 µm sous 5 V de polarisation inverse et d’environ 1,6 µm sous 20 V. La capacité de jonction sous 5 V vaut environ 0,39 fois sa valeur à 0 V |
| Claquage | Ne se produit pas ; à fort courant, la résistance série et l’échauffement limitent le courant | Au-delà d’une certaine tension, le claquage par avalanche ou Zener fait croître brutalement le courant |
| Usages typiques | Le sens passant des circuits redresseurs, l’émission de lumière des LED et des diodes laser, la jonction base-émetteur d’un BJT, les capteurs de température | Photodiodes, diodes varactor (à capacité variable), diodes Zener (utilisées en claquage), photodiodes à avalanche, isolation par jonction entre composants |
Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.