II. La jonction PN.
La jonction PN est à la base de la plupart des applications des semi-conducteurs. Elle est créée par la mise en contact d'un semi-conducteur de type P et d'un semi-conducteur de type N. Dans la zone de contact, les électrons libres du segment N pénètrent dans le segment P et se recombinent avec les trous. De même, les trous du segments P pénètrent dans le segment N et se recombinent avec les électrons. Ce phénomène est appelé diffusion. Structure du silicium dopé par un atome donneur: semi-conducteur de type N.
Electron libre
Si P Si
Si
Si
Structure du silicium dopé par un atome accepteur: semi-conducteur de type P.
Trou
Si B Si
Si
Si
Les diodes à jonction PN
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Il en résulte, au niveau de la transition des segments, l'apparition d'une zone exempte de charges mobiles, où seuls demeurent les atomes d'impuretés fixes (ions accepteurs dans le segment P, ions donneurs dans le segment N) et les atomes de semi-conducteur neutres.
Les charges constituées par les ions fixes sont à l'origine d'un champ électrique E dans la zone de transition, et par la même d'une différence de potentiel Vo (appelée barrière de potentiel) aux bornes de cette zone. Le champ électrique E tend à maintenir les porteurs majoritaires dans leurs régions respectives et s'oppose ainsi à la cause qui lui donne naissance, ce qui conduit à un état d'équilibre.
Cependant, le champ électrique E n'interdit pas le passage des porteurs minoritaires présents dans les segments de type P et N (courant de "saturation" Is). Ce mouvement est toutefois équilibré par les porteurs majoritaires qui possèdent l'énergie Wo = eVo nécessaire au franchissement de la barrière de potentiel.
Expression et ordre de grandeur de la barrière de potentiel: k (constante de Boltzman) = 1,38 10-23 J/K q (charge d'un électron) = 1,6 10-19 C
T: température en Kelvin
NA: concentration en atome accepteur
ND: concentration en atome donneur ni: concentration en paire électron-trou