Diodes

Chapitre 2 : Les Diodes
I_ Diode à jonction PN :
1) Structure d’une jonction PN :
_ On appelle Jonction PN la zone de contact entre une région de type P et une région
de type N au sein d’un même semi-conducteur.
La structure mono cristalline ainsi obtenue s’appelle Diode
_ Cf fig 2_1
Porteurs Majoritaires
P trous (type P)
N électrons (type N)
Porteurs Minoritaires
P électrons (type P)
N trous (type N)
a) instant initial t = :
_ Cf fig 2_2
Agitation thermique  électrons libres de N vont diffuser vers la région P
 disparition d’une charge – côté N (N se charge positivement ion +)
 dans P l’électron est capté par un trou (disparition du trou  P se charge
négativement ion -)
_ Cf fig 2_3
b) équilibre de la jonction :
A l’équilibre  création d’un champ interne Eo constant
Eo = cste = - dVo
Dx
Eo provoque une ddp appelée barrière de potentiel et notée Vo.
_ Cf fig 2_4
à 25°C
Vo = 0,7 V Si
Vo = 0,3 V Ge
Vo diminue vers 2 mV quand t augmente vers 1°C
 Vo = -2mV / °C
2) polarisation d’une diode PN :
_ Cf fig 2_5
Champ total : Et = Eo + Eg
_ Cf fig 2_6
 Is : courant de saturation du aux porteurs minoritaires qui traversent la jonction
ex : Si
Is = 5nA
à 25°C
= 10nA
à 35°C
= 20n A à 45°C
 tension de claquage :
Il existe une tension inverse critique appelée tension de claquage à partir de laquelle l
diode conduit fortement
Effet d’avalanche  la structure est détruite
Cette tension est notée Vz (tension de claquage de Zener  -40 V)
1
Remarque : -40 V en direct  +40 V en inverse
 polarisation indirecte :
_ Cf fig 2_7
Le champ Eg introduit par la polarisation directe est opposé au champ Eo. Le champ
électrique total Et = Eg – Eo. Si Eg > Eo , les électrons libres, qui sont majoritaires
dans la région N, passent dans la région P.
Le courant de saturation inverse Is n’est pas modifié.
Parcours des électrons dans le circuit :
 ils quittent le générateur par la borne –
 ils traversent la région N comme électrons libres
 sous l’effet du champ Et, ils traversent la jonction
 la majorité des électrons sont captés par des trous et traversent la région P
comme électron de valence.
 la majorité des électrons traversent la région P comme électrons libres
 ils pénètrent dans le générateur par la borne +
_ Cf fig 2_8
 caractéristique courant-tension :
is
P
N
Vd
Rs
+
-
Vg
Le courant Id qui traverse la diode est donné par la relation non linéaire
Id = Is ( e ^((e.Vd)/(k.T)) –1)
k : cste de Boltzmann
T : température en °K
_ Cf fig 2_9
Id = f(Vd) caractéristique non linéaire
Vo est la tension de seuil de la diode. On a :
 pour une diode au silicium : Vo = 0,7 V
 pour une diode au germanium : Vo = 0,3 V
_ Cf fig 2_10 : symbole d’une diode
 étude de la caractéristique Id = f(Vd) :
Id = Is . e^ ((e.Vd)/(K.t)) – 1
à 27 °C
e =   40 v-¹
K.T
D’où :
Id = Is . (e^ (.Vd) –1)
à 27°C ( 300°K)
2
 diode passante :
si Vd > 0,1 V alors e^(.Vd) >>1
alors I  Is.e ^ ( .Vd)
 diode bloquée :
si Vd < -0,1 V  e ^(.Vd) <<1
et Id  -Is
 résistance statique / résistance dynamique :
résistance statique :
C’est la valeur de la résistance au point de fonctionnement
R = Vdq = cotan 
Idq
 Résistance dynamique :
C’est la valeur de la résistance quand Id et Vd varient de façon sinusoïdale autour du
point de fonctionnement.
_ Cf fig 2_11
rd =  =  Vd
 Id
rd =  =
25
Id (mA)
3) circuits équivalents :
_ Cf fig 2_12, 2_13 et 2_14
4) capacité internes :
_ Cf fig 2_15
 polarisation directe : rd =  Vd = Vd
 Id
id
 si f< 20 KHz alors Vd et Id sont en phase
 si f > 20KHz alors Vd et Id ne sont plus en phase. Pour prendre en compte ce
déphasage, on ajoute une capacité en parallèle sur la résistance rd.
Rd
Cd : capacité de diffusion
Cd = quelques centaines de pF
Cd
 polarisation inverse :
 si f < 20KHz alors Vd et Id sont en phase
La résistance de la diode est très grande
Ri > 1 M 
 si f > 20 KHz alors Vd et Id ne sont plus en phase. Pour prendre en compte ce
déphasage, on ajoute une capacité en parallèle sur la résistance ri
Ri
Ci : capacité de transition
Ci = quelques dizaines de pF
Ci
3
II_ Applications des diodes :
 redressement
 filtrage
 stabilisation de tension
 détection crête
 circuit de fixation de tension continue
Le redressement, le filtrage et la stabilisation de tension sont les 3 fonctions
principales d’une alimentation stabilisée.
_ Cf fig 2_24
 fonction redressement : suppression ou transformation en valeur positive de la
partie négative d’un signal alternatif.
 fonction filtrage : transformation du signal redressé en un signal continu
 fonction stabilisation : suppression de l’ondulation. En sortie on obtient une tension
continue.
1) le redressement :
 simple alternance :
_ Cf fig 2_16 : redresseur simple alternance
e(t) est une tension alternative sinusoïdale
e(t) = E m . sin (.t)
On suppose que Em>> Vo (tension de seuil de la diode)
On peut donc prendre pour D, le modèle de la diode idéale
alternance positive de e(t)
une tension positive est appliquée à l’anode de la diode.
Elle est donc polarisée en direct.
Vd = 0 donc V = e
 alternance négative de e(t)
Une tension négative est appliquée à l’anode de la diode .
Elle est donc polarisée en inverse
Id = 0 donc V = 0 et Vd = e
_ Cf fig 2_17
 tension moyenne de v(t) :
Vmoy = 1 ∫ (0,T) v(t).dt  V moy = Em
T

Démonstration :
V moy = (1/T) ∫ (0,T) v(t) dt
= (1/T) [∫(0, T/2) Em sin t.dt + ∫ (/2, ) 0.dt]
= ( Em/ T) [( -cos t)/]0, T/2
V moy = (Em/ T) [- cos t/2 + cos 0]
 = 2f = 2/T
V moy = Em / 
4
 courant moyen :
I moy = Vmoy = Em
R
R
 double alternance :
_ Cf fig 2_18 : redresseur double alternance
e(t) est la même tension alternative sinusoïdale qu’au § précédent
e(t) = Em sin (t)
Les 2 demi-secondaires du transformateur sont identiques
On en déduit donc :
e1(t) = E1m sin (t)
E2(t) = -E2m sin (t)
Avec : E1m = E2m = Em/2
 alternative positive de e(t) :
Une tension positive est appliquée à l’anode de D1.
Elle est donc polarisée en direct.
Une tension négative est appliquée à l’anode de D2.
Elle est donc polarisée en inverse.
Vd1 = 0  D1 court circuit (CC)
Id2 = 0  D2  Circuit ouvert (CO)
On en déduit que :
V = e1 et Vd2 = e2 – e1 = - e
 alternance négative de e : (e1 <0 et e2 > 0)
Une tension négative est appliquée à l’anode de D1.
Elle est donc polarisée en inverse.
Id1 = 0  D1 circuit ouvert (CO)
Une tension positive est appliquée à l’anode de D2.
Elle est donc polarisée en directe.
On en déduit que :
V = e2 et VD1 = e1-e2 = e
_ Cf fig 2_19
 tension moyenne de v(t) :
V moy = (1/T) ∫ (0,T’) v(t) dt  V moy = 2 E1m = Em


 courant moyen :
I moy = V moy = Em
R
.R
Imoy = Em
.R
 redresseur à pont de diodes :
_ Cf fig 2_20
e(t) est la même tension alternative sinusoïdale qu’aux 2 § précédents
e(t) = Em sin (t) = -e’(t)
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 Alternative positive de e : (e>0 et e’<0)
D2 et D3 : polarisées en direct
D1 et D4 : polarisées en inverse
 Alternance négative de e : (e<0 et e’>0)
D2 et D3 : polarisées en inverse
D1 et D4 : polarisées en direct
_ Cf fig 2_21
 tension moyenne de v(t) :
V moy = (1/T’) ∫ (0, T’) v(t) dt  Vmoy = 2Em / 
 courant moyen :
I moy = V moy = 2 Em
R
R
 conclusion :
Le pont de diode permet la combinaison de la pleine tension crête et de la tension
continue la plus élevée d’un redresseur double alternance.
_ Cf fig 2_22
V = Vm + 1 Vn cos (t) + 2 Vn cos (2t) + ...
 2
3
V = moy + Vond (grandeur d’ondulation)
V = 1 Vn cos (t) + 2 Vn cos (2t) + ...
2
3
 taux d’ondulation :
On appelle taux d’ondulation d’une grandeur ondulée le rapport de la valeur efficace
de l’ondulation de la valeur moyenne.
 = V ond eff
V moy
 facteur de forme :
On appelle facteur de forme d’une grandeur ondulée, le rapport de la valeur efficace
de la grandeur à la valeur moyenne.
F = V eff  valeur efficace du signal redressé
V moy
 Loi de Joule  F² = 1 + ²
avec V eff ² = 1/T  (0,T) V²(t) dt
V eff ² = 1/T  (0, T/2) sin² t dt
V eff ² = Um² / 4  V eff = Um /2
 simple alternance F = 1,57   = 1,21
V eff
V moy
= Vm / 2 = 
Vm / 
2
6
 double alternance :
F = 1,11   = 0.483
2) filtrage d’une tension redressée :
_ Cf fig 2_25
pour obtenir une tension presque continue
 t = 0 alternance de e(t)  la diode est passante (diode idéale Vd = 0)
_ Cf fig 2_26
le condensateur se charge jusqu’à Vm e(t) = Em.sin (t)
 après la crête positive



C ne peut pas se décharger instantanément
V > e  la diode est bloquée
C se décharge à travers RL
V = Vn e(-t / RLC)
si RLC >> TC se décharge très lentement

_ Cf fig 2_28
 angle de conduction
 redressement  180°
 redressement + filtrage  quelques ° (1 - 2)
 calcul de l’ondulation
Pour un condensateur V = Q/C
En T1 : V1 = Q1/c en T2 :V2 = Q2/C
 V ond (c à c) = V1 – V2 = (Q1-Q2) /C (c à c = crête à crête)
d’où V1 – V2 = Q1 – Q2
T2 – T1 (T2 - T1)C
 si RLC >> T  T2 – T1  ( T période)
V ond (c à c) = Q1 – Q2  Vond c à c  Tl
T
T.C
f.C
Q1 –Q2 = I2 Vond càc = I2.T
T
C
= Vond càc = I c
Cf
 Vond (eff)#
I2
.
22. FCRL.IL
  = Vond (eff) =
I2
.=
1
.
Vmoy
22. FCRL.IL
22. FCRL
 tension redressée filtrée double alternance
=
1
.
42.f.CRL
3) diodes Zener et stabilisation :
 symbole :
_ Cf fig 2_29 et 2_30
99mA< I2< quelques A
4V< V3 < quelques dizaines de volts
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 résistance dynamique autour de Ma : Rz  quelques 
 modèle dans la région inverse
C
C

A
 puissance dissipée dans la diode :
Pz = Vz .Iz
 puissance max :
PZn = Vz = Izm
A
Régulation d’une tension continue :
Hypothèse : IL  constante
Is + IS = Iz + Iz + Ic
V1 = Vs + V2
V1 + V1 = Vs + Vs + V2 + V2
V1 = Vs + V2
Is = Iz
V1 = Vs + V2  V1 = Vs + 1
V2 V2
V2 = Vz + Vz
 V2 +V2 = Vz + Rz.Iz
V2 = Rz.Iz
V1 = Rs.Is + 1
V2 Rz.I2
si Ic  constante alors Is = Iz
V1 = Rs + 1
V2 Rz
En général Rz << Rs donc Rs >>1
Rz
V1  Rs
V2 Rz
V2 = Rz
V1
Rs
 ondulation d’entrée : Vs = Rs . Is
 ondulation de sortie :  Vz = Rz . Iz
ond de sortie = Rz. Iz
ond d’entrée
Rs . Is
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 si RL = constante  Iz = Is
(Ve#constante)
 ond de sortie  Rz
ond d’entrée
Rs
4) circuits à diodes de fixation de tension continue :
_ Cf fig 2_32
La diode est supposée idéale. Elle conduit durant la première alternance négative de
Ve.
_ Cf fig 2_33
1E montage :
Le condensateur se charge. Lorsque Ve = -Vp (crête négative de Ve), la tension aux
bornes du condensateur est également à Vp avec la polarité indiquée légèrement
après la crête négative de Ve, la diode se trouve polarisée en inverse (bloquée)
2E montage :
La constante de temps RL*C est choisie >> T
Ainsi, le condensateur reste quasiment chargé à Vp durant le temps de blocage de la
diode.
5) Circuits détecteur de tension crête à crête :
Pour obtenir cette fonction, on branche en cascade un circuit à fixation + de tension et
détecteur de crête.
_ Cf fig 2_34 et 2_35
Le tension Ve est fixée positivement. La tension crête d’entrée du détecteur crête est
2Vp.
La constante de temps RLC est choisie >> T. La tension de sortie du détecteur crête
est quasiment égale à 2Vp.
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