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Claquage Zener vs avalanche : mécanisme, dopage, température

Ce sont deux phénomènes de claquage où le courant augmente brusquement lorsqu’une forte tension inverse est appliquée à une jonction PN, mais leurs mécanismes diffèrent. Le claquage Zener se produit dans une jonction fortement dopée dont la zone de déplétion est très mince : les électrons de la bande de valence traversent par effet tunnel vers la bande de conduction. Le claquage par avalanche se produit lorsque des porteurs accélérés par un champ intense créent des paires électron-trou par ionisation par impact, qui se multiplient en chaîne. Dans le silicium, le claquage Zener domine pour des tensions de claquage inférieures à environ 5 V et l’avalanche au-delà d’environ 6 à 7 V, et leurs coefficients de température sont de signes opposés.

CritèreClaquage ZenerClaquage par avalanche
MécanismeEffet tunnel. Les électrons de la bande de valence traversent une barrière mince vers la bande de conductionIonisation par impact. Les porteurs accélérés par le champ créent de nouvelles paires électron-trou, qui se multiplient en chaîne
Dopage de la jonctionTrès élevé des deux côtésFaible d’au moins un côté. Plus il est faible, plus la tension de claquage est élevée
Largeur de la zone de déplétionTrès mince (environ 10 nm ou moins)Large. Il faut une distance pour accélérer les porteurs
Champ au claquage (silicium, ordre de grandeur)Champ très intense, de l’ordre de 10⁶ V/cmEnviron 3×10⁵ V/cm (varie avec le dopage)
Tension de claquage (silicium, ordre de grandeur)Environ 5 V ou moins. Entre environ 5 V et environ 6 à 7 V, les deux mécanismes coexistentEnviron 6 à 7 V ou plus. Les jonctions haute tension de quelques centaines à quelques milliers de volts sont aussi limitées par ce claquage
Coefficient de température de la tension de claquageNégatif. Quand la température monte, la bande interdite se réduit et la tension de claquage baissePositif. Quand la température monte, la diffusion par les vibrations du réseau augmente et la tension de claquage monte
Apparition du claquageRelativement progressiveAbrupte
BruitRelativement faibleÉlevé, en raison du bruit lié à la multiplication par avalanche
Usages principauxDiodes de référence de tension d’environ 5 V ou moins, références et écrêteurs basse tensionDiodes de référence de tension à partir d’environ 6 V, diodes de suppression de surtensions, photodiodes à avalanche, SPAD

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 ?

Claquage Zener
Pour fixer une tension basse d’environ 5 V ou moins : diodes Zener basse tension et écrêteurs limitant la tension d’entrée.
Claquage par avalanche
Pour des tensions fixes à partir d’environ 6 V ou pour protéger un circuit contre les surtensions. Les photodiodes à avalanche et les SPAD, qui multiplient la lumière pour la détecter, exploitent délibérément ce claquage. Dans les composants de puissance, on le conçoit comme le phénomène qui fixe la tenue en tension.
Ensemble
Dans les diodes de référence dont la tension de claquage est d’environ 5 à 6 V, le coefficient de température négatif du claquage Zener et le coefficient positif de l’avalanche se compensent, si bien que la tension varie peu avec la température. Pour une tension de référence stable en température, on choisit un modèle dans cette plage ou un modèle compensé en température.

Questions fréquentes

Toutes les diodes Zener utilisent-elles le claquage Zener ?

Non. Les diodes de référence de tension sont appelées diodes Zener par habitude, mais en silicium, celles d’environ 6 à 7 V ou plus reposent surtout sur le claquage par avalanche. Le claquage Zener par effet tunnel ne domine que pour les modèles basse tension d’environ 5 V ou moins.

Pourquoi les coefficients de température sont-ils de signes opposés ?

Dans le claquage Zener, la bande interdite se réduit quand la température monte, l’effet tunnel devient plus facile et la tension de claquage baisse. Dans le claquage par avalanche, la diffusion par les vibrations du réseau augmente avec la température, les porteurs atteignent plus difficilement l’énergie nécessaire à l’ionisation par impact, et la tension de claquage monte.

Une diode qui claque est-elle détruite ?

Aucun des deux claquages ne détruit à lui seul la jonction : si le courant est limité, la diode revient à son état initial. Elle n’est détruite que si l’échauffement dû au courant et à la tension pendant le claquage est trop important. Dans un circuit de régulation de tension, on place une résistance en série avec la diode pour limiter le courant.

Comment le claquage par avalanche est-il traité dans les composants de puissance ?

La tenue en tension des MOSFET et des diodes de puissance est principalement fixée par la tension à laquelle survient le claquage par avalanche. Une couche de dérive moins dopée et plus épaisse augmente la tenue en tension, mais aussi la résistance à l’état passant. Le composant peut entrer dans la zone de claquage, par exemple lors de la coupure d’une charge inductive ; l’énergie qu’il peut alors supporter est spécifiée comme tenue en avalanche.

Vérifier vos connaissances

Quel phénomène une diode de régulation de tension (diode Zener) exploite-t-elle principalement ?

  1. ALe courant de diffusion direct
  2. BLe claquage en polarisation inverse
  3. CLa force électromotrice due à l'absorption de lumière
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Réponse : B. Le claquage en polarisation inverse

Une diode Zener exploite le fait que, lorsque la tension inverse atteint la tension de claquage, le courant augmente brusquement et la tension reste presque constante malgré les variations de courant. La tension de claquage est fixée par la concentration d'impuretés ; les produits du commerce couvrent environ 2 à 200 V. En dessous d'environ 5 V domine le claquage Zener par effet tunnel, au-dessus le claquage par avalanche. Elles servent à générer des tensions de référence et à protéger contre les surtensions. La force électromotrice d'origine lumineuse relève des cellules solaires et des photodiodes.

Quel mécanisme du claquage par avalanche est correct ?

  1. ADes porteurs accélérés par un champ intense heurtent le réseau et créent de nouvelles paires électron-trou, qui se multiplient en chaîne
  2. BLes électrons traversent une barrière mince par effet quantique
  3. CLa jonction fond sous l'effet de l'élévation de température
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Réponse : A. Des porteurs accélérés par un champ intense heurtent le réseau et créent de nouvelles paires électron-trou, qui se multiplient en chaîne

Dans le claquage par avalanche, les porteurs accélérés par le champ intense de la zone de déplétion heurtent des atomes et créent des paires électron-trou (ionisation par impact) ; celles-ci sont à leur tour accélérées et répètent les collisions, d'où une brusque augmentation du courant. Le champ critique du silicium vaut environ 3×10⁵ V/cm ; le claquage survient à une tension d'autant plus élevée que la jonction est faiblement dopée et sa zone de déplétion large. Le champ critique du SiC étant environ 10 fois plus élevé, la même tenue en tension s'obtient avec une couche de dérive mince, ce qui donne des composants de puissance à faibles pertes.

Dans une jonction PN très fortement dopée, quel est le principal mécanisme du claquage survenant à faible tension inverse ?

  1. ALe claquage par avalanche
  2. BLe claquage Zener par effet tunnel quantique
  3. CLa fusion thermique de la jonction
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Réponse : B. Le claquage Zener par effet tunnel quantique

Dans une jonction fortement dopée des deux côtés, la zone de déplétion est très mince, environ 10 nm ou moins : sous le champ intense, les électrons de la bande de valence traversent la barrière par effet tunnel vers la bande de conduction. C'est le claquage Zener, qui survient à des tensions de claquage faibles, en général 5 V ou moins, et dont la tension de claquage diminue quand la température augmente (réduction de la bande interdite). Les tensions de claquage élevées relèvent principalement de l'avalanche, dont le coefficient de température est au contraire positif.

  1. Comment évolue en général la tension de claquage par avalanche lorsque la température augmente ?
  2. Les diodes Zener dont la tension Zener vaut environ 5 à 6 V présentent une faible variation de tension avec la température. Pourquoi ?
  3. Comment évolue en général la tension de claquage d'une jonction PN lorsqu'on abaisse le dopage d'un côté ?

Questions d'entraînement sur Jonction PN et diodes

Termes clés expliqués

Diode Zener
Diode qui fournit une tension constante en exploitant le fait que sa tension de claquage en inverse est quasiment constante.
Claquage par avalanche
Phénomène où des porteurs accélérés par un fort champ inverse percutent des atomes et créent de nouveaux porteurs, qui se multiplient en chaîne et provoquent un fort courant.
Zone de déplétion (zone de charge d'espace)
Région proche de l'interface d'une jonction PN où il n'y a presque pas de porteurs. Elle s'élargit en polarisation inverse.
SPAD (photodiode à avalanche à photon unique)
Photodétecteur polarisé en inverse au-delà de la tension de claquage, qui produit une forte impulsion par multiplication en avalanche même pour un seul photon. Utilisé pour la mesure de distance, notamment en LiDAR.

Comparatifs associés