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Auteur(s)
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Philippe LETURCQ : Professeur à l’Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes du CNRS (LAAS)
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Pour remplir leur fonction de conduction, les composants semi-conducteurs bipolaires mettent en jeu électrons et trous. Ils s’opposent en cela aux composants unipolaires dans lesquels le transport du courant est assuré par un seul des deux types de porteurs. La distinction est classique mais s’applique mal à nombre de composants modernes qui conjuguent dans le même cristal des mécanismes unipolaires et bipolaires. Aussi la répartition en plusieurs articles des analyses du fonctionnement des divers composants de puissance bipolaires est-elle motivée davantage par des raisons de commodité d’exposé et des contraintes de volume que par le respect strict des principes. Les deux premiers articles Composants semi-conducteurs de puissance bipolaires. Partie 1 et Composants semi-conducteurs de puissance bipolaires. Partie 2 sont consacrés à l’étude des semi-conducteurs de puissance bipolaires « purs » : diode, transistor, thyristor et composants dérivés, cependant que les composants « mixtes », tels l’IGBT (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor), sont alliés aux composants unipolaires, transistor MOS principalement, dans l’article Semi-conducteurs de puissance unipolaires et mixtes (partie 1). Le lecteur considérera qu’il s’agit en réalité d’un ensemble.
La qualification de bipolaire, pour les composants de puissance, sous-entend en outre la mise en jeu d’effets de modulation de conductivité pour réduire autant que possible la tension de déchet à l’état passant. Cette modulation de conductivité s’exerce essentiellement dans la région de base large et peu dopée qui confère au dispositif sa capacité de blocage de la tension. Elle a pour corollaire un stockage de porteurs qui pèse sur les performances dynamiques, à l’ouverture comme à la fermeture. Ces effets essentiels sont analysés dans cette première partie, illustrés par le cas très important de la diode qui, du double point de vue théorique et pratique, est l’archétype des composants de puissance bipolaires.
le lecteur se reportera, pour les notions préalables, à l’article Physique des semi-conducteurs de puissance « Physique des semi-conducteurs de puissance », particulièrement au paragraphe 2.1 (jonction PN), ainsi qu’à l’article Tenue en tension des semi-conducteurs de puissance qui traite, de manière générique, de la « Tenue en tension des semi-conducteurs de puissance ».
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Principes généraux
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2. Diodes bipolaires
Les diodes sont indispensables à la réalisation de la plupart des fonctions de l’électronique de puissance. On les considère souvent comme les plus simples des éléments semi-conducteurs de puissance, mais la plupart des problèmes de physique, de technologie, de caractérisation et de mise en œuvre que posent les composants de puissance en général se retrouvent à leur propos. Il en est ainsi, notamment, du nécessaire arbitrage, par des choix structuraux et technologiques précis, des « compromis » de performances, au blocage, à l’état passant et en commutation. De cet arbitrage résultent des spécifications d’utilisation généralement étroites et, par suite, foisonnantes pour couvrir tout le champ des applications de puissance, avec des calibres unitaires allant d’une fraction d’ampère à plusieurs milliers d’ampères et de quelques dizaines de volts à plusieurs kilovolts. Les diodes Schottky, unipolaires, mises à part (cf. Semi-conducteurs de puissance unipolaires et mixtes (partie 1)), deux grandes familles de composants peuvent être distinguées :
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les diodes « standard » essentiellement destinées au redressement à partir de réseaux de distribution à fréquence industrielle, pour lesquelles on privilégie les performances statiques, notamment dans l’état passant ;
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les diodes « rapides », qui, dans les cellules de commutation des convertisseurs, assurent la continuité du courant lors du fonctionnement des interrupteurs commandés. L’accent est alors mis sur les performances dynamiques.
2.1 Structure type
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La structure d’une diode de puissance est presque toujours de type P+NN+, comportant une région large et peu dopée, la base, encadrée par deux émetteurs de types opposés, fortement dopés comparativement. C’est dans la base que s’étend...
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