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Diode PN vs diode Schottky : Vf, recouvrement et fuite

Une diode PN redresse grâce à une jonction entre semi-conducteurs de type p et de type n, une diode Schottky grâce à une jonction entre métal et semi-conducteur. Dans une jonction PN, des porteurs minoritaires sont injectés et stockés en direct, si bien qu’un courant de recouvrement inverse circule lors du passage en inverse. La diode Schottky ne fonctionne qu’avec des porteurs majoritaires : elle n’a pratiquement pas de recouvrement inverse et, en silicium, sa tension directe d’environ 0,2 à 0,4 V est aussi plus faible que les 0,6 à 0,7 V environ d’une jonction PN. En contrepartie, son courant de fuite inverse est élevé et une forte tenue en tension est difficile à obtenir en silicium.

CritèreDiode PNDiode Schottky
StructureJonction entre semi-conducteurs de type p et de type nJonction entre un métal et un semi-conducteur (surtout de type n) (jonction Schottky)
Porteurs qui transportent le courantPorteurs minoritaires injectés. Électrons et trous interviennent tous deuxPorteurs majoritaires uniquement. Le courant circule par émission thermoïonique au-dessus de la barrière
Tension directe (silicium, ordre de grandeur)Environ 0,6 à 0,7 VEnviron 0,2 à 0,4 V. Dépend du métal et de la tenue en tension
Recouvrement inversePrésent. Un courant inverse circule jusqu’à disparition des porteurs minoritaires stockés. De l’ordre de la µs pour les diodes de redressement courantes, quelques dizaines de ns pour les modèles à recouvrement rapideQuasi inexistant. Seul circule le courant de charge et de décharge de la capacité de jonction
Courant de fuite inverseFaibleÉlevé. D’autant plus que la barrière est basse
Tenue en tension (silicium, ordre de grandeur)Les fortes tenues en tension sont faciles à obtenir, jusqu’à plusieurs kVJusqu’à environ 200 V. En SiC, des modèles de 600 à 1 700 V sont en usage
Chute de tension à fort courant (modèles haute tension)La modulation de conductivité abaisse la résistance de la couche faiblement dopée et limite la chute de tensionPas de modulation de conductivité : la résistance de la couche de dérive s’ajoute intégralement
Comportement en températureLa tension directe baisse d’environ −2 mV/°C. Le courant de fuite augmente avec la températureLe courant de fuite augmente fortement avec la température : attention à l’emballement thermique. La tension directe baisse avec la température
Usages principauxRedressement du secteur, redressement haute tension, circuits de protection et de signal à usage généralRedressement basse tension et fort courant dans les alimentations à découpage, diodes de roue libre, protection contre l’inversion de polarité, détection HF

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Diode PN
Pour un redressement soumis à une tension inverse élevée, ou lorsque le courant de fuite doit rester faible même à haute température : redressement du secteur et circuits haute tension.
Diode Schottky
Pour redresser un fort courant sous basse tension ou pour commuter rapidement : redressement de sortie des alimentations à découpage, diodes de roue libre et protection contre l’inversion de polarité d’une batterie.
Ensemble
Pour les applications à la fois haute tension et rapides, on choisit des diodes Schottky en SiC ou des diodes à recouvrement rapide avec contrôle de la durée de vie. Il existe aussi des diodes à structure JBS, qui combinent jonctions PN et Schottky pour équilibrer courant de fuite et tension directe.

Questions fréquentes

Pourquoi la tension directe d’une diode Schottky est-elle faible ?

Le courant d’émission thermoïonique au-dessus de la barrière Schottky possède un courant de saturation supérieur de plusieurs ordres de grandeur à celui du courant de diffusion d’une jonction PN, si bien que le même courant circule sous une tension plus faible. La hauteur de barrière dépend du métal : plus elle est basse, plus la tension directe diminue, mais plus le courant de fuite inverse augmente.

Pourquoi une diode Schottky n’a-t-elle presque pas de recouvrement inverse ?

Le courant n’est transporté que par des porteurs majoritaires, sans injection ni stockage de porteurs minoritaires comme dans une jonction PN. Lors du passage en inverse, seul circule le courant de charge et de décharge de la capacité de jonction, ce qui réduit les pertes de commutation et le bruit.

Pourquoi existe-t-il peu de diodes Schottky en silicium à forte tenue en tension ?

Une tenue en tension plus élevée exige une couche de dérive épaisse et faiblement dopée ; comme la diode Schottky n’a pas de modulation de conductivité, la résistance de cette couche s’ajoute directement à la chute de tension en direct. Le courant de fuite augmente aussi, si bien qu’en silicium on se limite généralement à environ 200 V. Avec le SiC, dont le champ critique est élevé, une couche de dérive mince suffit pour atteindre 600 V ou plus.

À quoi faut-il faire attention en utilisant une diode Schottky à haute température ?

Le courant de fuite inverse augmente fortement avec la température. Si l’échauffement dû à ce courant fait encore monter la température, cela peut mener à un emballement thermique. Il faut donc vérifier dans la fiche technique le courant de fuite à haute température et prévoir de la marge sur le refroidissement et la tension inverse.

Vérifier vos connaissances

Quelle est la tension directe (tension approximative à partir de laquelle le courant circule) d'une diode à jonction PN en silicium courante ?

  1. AEnviron 3 V
  2. BEnviron 0,1 V
  3. CEnviron 0,6 à 0,7 V
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Réponse : C. Environ 0,6 à 0,7 V

Une diode au silicium commence à conduire un courant important au-delà d'environ 0,6 à 0,7 V. C'est l'ordre de grandeur de la tension donnant un courant utile (de l'ordre du mA) à température ambiante ; elle est d'autant plus élevée que la bande interdite du matériau est grande. Elle vaut environ 0,2 à 0,4 V pour une diode à barrière Schottky, environ 1 à 1,5 V pour une diode Schottky SiC (environ 2,5 à 3 V pour une jonction PN SiC) et environ 3 V pour une LED bleue à base de GaN. Les pertes de redressement valant « tension directe × courant », une faible VF est recherchée dans les alimentations à fort courant.

Quelle caractéristique d'une diode à barrière Schottky est correcte ?

  1. AC'est une diode formée par la jonction de deux semi-conducteurs de type p
  2. BElle utilise une jonction métal-semi-conducteur, avec une faible tension directe et une commutation rapide
  3. CElle émet fortement de la lumière lorsqu'un courant direct la traverse
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Réponse : B. Elle utilise une jonction métal-semi-conducteur, avec une faible tension directe et une commutation rapide

La diode à barrière Schottky utilise une jonction métal-semi-conducteur (jonction Schottky) et fonctionne avec les seuls porteurs majoritaires. Sans stockage de porteurs minoritaires, elle n'a presque pas de recouvrement inverse et est rapide ; sa tension directe, d'environ 0,2 à 0,4 V, est aussi plus faible que celle d'une jonction PN, d'où son usage pour le redressement dans les alimentations à découpage. Son point faible est un courant de fuite inverse élevé, qui augmente facilement à haute température ; en silicium, la tenue en tension se limite à environ 200 V, mais des versions SiC de classe 1 kV sont commercialisées.

Pourquoi un courant inverse circule-t-il brièvement (existence d'un temps de recouvrement inverse) lorsqu'on fait passer une diode à jonction PN de la polarisation directe à la polarisation inverse ?

  1. AParce que la résistance des électrodes métalliques est élevée
  2. BParce que les porteurs minoritaires stockés pendant la conduction directe ne disparaissent pas immédiatement
  3. CParce que le boîtier s'échauffe
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Réponse : B. Parce que les porteurs minoritaires stockés pendant la conduction directe ne disparaissent pas immédiatement

Pendant la conduction directe, les porteurs minoritaires injectés sont stockés de part et d'autre de la jonction. Après la commutation en inverse, un courant inverse continue de circuler jusqu'à ce qu'ils soient extraits ou disparaissent par recombinaison. Cette durée est le temps de recouvrement inverse (trr), et le courant de recouvrement inverse est source de pertes et de bruit. On y remédie avec des diodes à recouvrement rapide à contrôle de durée de vie, ou avec des diodes Schottky ou SiC, qui n'utilisent pas de porteurs minoritaires.

  1. Quelle affirmation est correcte au sujet du temps de recouvrement inverse trr figurant dans la fiche technique d'une diode ?
  2. Quel est le principal avantage des diodes Schottky SiC utilisées comme diodes de roue libre dans les onduleurs ?
  3. Quel est l'objectif d'un transistor muni d'une diode à barrière Schottky en parallèle entre base et collecteur (clampage Schottky) ?

Questions d'entraînement sur Jonction PN et diodes

Termes clés expliqués

Diode Schottky
Diode utilisant une jonction métal-semi-conducteur (jonction Schottky). Tension directe faible et absence de stockage de porteurs minoritaires, d'où une commutation rapide.
Temps de recouvrement inverse
Durée pendant laquelle un courant inverse continue de circuler, lorsqu'on applique une tension inverse à une diode passante, jusqu'à disparition des porteurs minoritaires stockés. Source de pertes de commutation et de bruit.
Polarisation directe
Application d'une tension positive côté p et négative côté n. La barrière s'abaisse et le courant passe facilement. Dans le sens inverse (polarisation inverse), le courant est quasi nul.
Modulation de conductivité
Phénomène par lequel une couche faiblement dopée voit sa résistance chuter fortement sous l'injection de nombreux porteurs minoritaires. Exploité dans les diodes PIN et les IGBT pour concilier tenue en tension élevée et faible tension à l'état passant.
Travail de sortie
Différence d'énergie entre le niveau du vide et le niveau de Fermi, soit l'énergie minimale nécessaire pour extraire un électron d'un matériau. Il conditionne la tension de seuil des grilles métalliques et la hauteur des barrières Schottky.

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