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Qu'est-ce que Capacité de jonction (capacité de déplétion) ?

Capacité due au fait que la zone de déplétion d'une jonction PN se comporte comme un condensateur plan. Elle diminue lorsque la polarisation inverse augmente, car la zone de déplétion s'élargit. Les diodes varicap exploitent cette propriété.

Nom japonais: 接合容量(空乏層容量)

« Capacité de jonction (capacité de déplétion) » apparaît dans 9 questions d'entraînement réparties sur 3 thèmes, dont Jonction PN et diodes, Physique des semi-conducteurs, MOSFET.

Domaine: Jonction PN et diodes

D'où vient cette capacité

La zone de déplétion d'une jonction pn contient une charge fixe : des donneurs ionisés côté n et des accepteurs ionisés côté p, avec presque aucun porteur mobile entre les deux. Quand la tension aux bornes de la jonction varie, les bords de cette zone se déplacent, ajoutant ou retirant de la charge de chaque côté, exactement comme on ajoute de la charge sur les armatures d'un condensateur. La capacité petit signal par unité de surface vaut donc C = ε/W, où W est la largeur de déplétion et ε la permittivité du silicium, environ 11,7 fois celle du vide.

Comment elle varie avec la polarisation

Pour une jonction abrupte dissymétrique, W = √(2ε(Vbi + V)/qN), où Vbi est le potentiel de diffusion, V la polarisation inverse et N le dopage du côté faiblement dopé. La capacité diminue donc à peu près comme 1/√(Vbi + V) : quadrupler la tension totale la divise par deux. Les modèles de circuit écrivent Cj = Cj0/(1 + V/Vbi)^m, avec m = 1/2 pour les jonctions abruptes et 1/3 pour les jonctions graduelles linéaires. Le tracé de 1/C² en fonction de V donne une droite dont la pente fournit N et l'ordonnée à l'origine Vbi, ce qui est le principe du profilage de dopage par mesure capacité-tension (C-V).

Capacité de jonction ou capacité de diffusion

La capacité de jonction domine en polarisation inverse et en faible polarisation directe. En polarisation directe significative, un second effet prend le relais : les porteurs minoritaires injectés sont stockés près de la jonction, et comme cette charge stockée varie avec la tension, elle se comporte comme une capacité de diffusion, proportionnelle au courant et à la durée de vie des porteurs. La capacité de diffusion peut atteindre des nanofarads à fort courant et limite la vitesse de commutation des diodes et des transistors bipolaires. La distinction compte en conception : une jonction polarisée en inverse fournit un petit condensateur accordable en tension, tandis qu'une jonction polarisée en direct stocke une charge qu'il faut évacuer avant le blocage.

L'exploiter et la combattre

Les diodes varicap exploitent la dépendance en tension pour accorder des résonateurs LC dans les oscillateurs commandés en tension et les PLL, des profils de dopage hyperabrupts élargissant la plage d'accord. Les photodiodes sont polarisées en inverse en partie pour réduire la capacité de jonction et accélérer leur réponse, et les modulateurs optiques en silicium à déplétion font varier la largeur de déplétion pour déplacer les porteurs majoritaires, atteignant plusieurs dizaines de gigahertz. Ailleurs, elle est parasite : les jonctions de source et de drain des MOSFET chargent chaque nœud logique, et les plaquettes silicium sur isolant (SOI) réduisent cette charge en plaçant les transistors sur un oxyde enterré plutôt que sur une jonction de substrat massif.

S'entraîner : questions sur Capacité de jonction (capacité de déplétion)

Quelle expression donne la capacité de déplétion (capacité de jonction) C d'une jonction PN polarisée en inverse, en fonction de la surface A de la jonction, de la largeur W de la zone de déplétion et de la permittivité ε du semi-conducteur ?

  1. AC = εA / W
  2. BC = εW / A
  3. CC = ε / (A × W)
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Réponse : A. C = εA / W

La zone de déplétion se comportant comme une couche isolante chargée de part et d'autre, elle s'exprime comme un condensateur plan : C = εA/W. Lorsque W s'élargit en polarisation inverse, la capacité diminue. Par exemple, pour du silicium avec une surface de 100 µm de côté et W = 1 µm, C ≈ 11,7 × 8,85×10⁻¹² × 10⁻⁸ ÷ 10⁻⁶ ≈ 1 pF. Dans les circuits rapides, cette capacité est source de retard ; on la réduit en diminuant la surface de jonction ou le dopage.

Questions fréquentes

Pourquoi la capacité de jonction diminue-t-elle avec la polarisation inverse ?

La polarisation inverse élargit la zone de déplétion, et comme la capacité est la permittivité divisée par la largeur, une zone plus large donne une capacité plus faible, à peu près en un sur la racine carrée de la tension pour une jonction abrupte.

Différence entre capacité de jonction et capacité de diffusion

La capacité de jonction provient de la charge fixe de la zone de déplétion et domine en polarisation inverse ; la capacité de diffusion provient des porteurs minoritaires stockés en polarisation directe et augmente avec le courant.

Comment mesurer le dopage à partir de la capacité de jonction ?

On mesure la capacité en fonction de la polarisation inverse et on trace 1/C² en fonction de V ; pour une jonction abrupte, la pente donne le dopage du côté faiblement dopé et l'ordonnée à l'origine le potentiel de diffusion.

« Capacité de jonction (capacité de déplétion) » dans les explications

Questions mentionnant « Capacité de jonction (capacité de déplétion) » (9)

  1. Quelle expression donne la capacité de déplétion (capacité de jonction) C d'une jonction PN polarisée en inverse, en fonction de la surface A de la jonction, de la largeur W de la zone de déplétion et de la permittivité ε du semi-conducteur ?
  2. Quelle valeur est la plus proche de la permittivité relative du silicium ?
  3. Comment évolue la largeur de la zone de déplétion lorsqu'on augmente la tension de polarisation inverse appliquée à une jonction PN ?
  4. Quelle propriété une diode à capacité variable (varactor) exploite-t-elle ?
  5. Quelle utilisation courante d'une photodiode pour la détection de lumière est correcte ?
  6. Quelle caractéristique d'une diode PIN, qui intercale une couche i faiblement dopée entre les couches p et n, est correcte ?
  7. Quelle capacité naît du stockage des porteurs minoritaires injectés dans une jonction PN polarisée en direct ?
  8. Quelle relation entre la largeur de la zone de déplétion d'une jonction abrupte dissymétrique et la tension de polarisation inverse V est correcte ? (V nettement supérieure au potentiel interne)
  9. Dans la caractéristique C-V haute fréquence d’une capacité MOS sur substrat p, quelle est la capacité lorsqu’une forte tension positive appliquée à la grille provoque une forte inversion ?

Calculateurs pour semi-conducteurs

Potentiel de diffusion et largeur de la zone de déplétion d’une jonction PNPotentiel de diffusion, largeur de la zone de déplétion, champ maximal et capacité d’une jonction PN d’après le dopage et la polarisation inverse

Termes associés

Zone de déplétion (zone de charge d'espace) EOT (épaisseur d'oxyde équivalente) PLL (boucle à verrouillage de phase) Photodiode Courant d'obscurité Absorption (perte de chiffres) Modulation de conductivité Ouverture numérique (NA) Polarisation directe Capacité de diffusion

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