2. La Diode

Royaume du Maroc
OFFICE DE LA FORMATION PROFESSIONNELLE ET DE LA PROMOTION DU TRAVAIL
MODULE 04
Circuits Électroniques
Résumé de Théorie
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Première Année
Programme de Formation des Techniciens Spécialisés en
Électronique
DIRECTION DE LA RECHERCHE ET INGENIERIE DE LA FORMATION
Septembre 1995
TABLE DES MATIÈRES
2. LA DIODE
2-1
2.1 Les semiconducteurs.
2-1
2.2 La jonction PN.
2-2
2.3 La diode.
2.3.1 Schéma et construction.
2.3.2 Polarisation en direct.
2.3.3 Polarisation en inverse
2.3.4 Caractéristiques des diodes.
2-3
2-3
2-3
2-4
2-4
2.4 Types de diodes.
2.4.1 Diodes redresseuses.
2.4.2 Diode électroluminescente (Del).
2-5
2-5
2-6
2.5 EXERCICES
2-7
Résumé de Théorie
Circuits Électroniques
2. La Diode
2.1 Les semiconducteurs.
Un semiconducteur, comme son nom l’indique, n'est pas assez conducteur pour être
utilisé comme conducteur et ni assez isolant pour êre utilisé comme isolant. C'est pour
cela qu'on le nomme semiconducteur.
Le matériel semiconducteur le plus répandu est le silicium. On le retrouve sous la forme
de cristaux. Dans un solide, les atomes se rejoignent pour former des cristaux. Les liens
qui les retiennent sont dits convolents: le même électron est partagé par deux noyaux. Un
atome de silicium a, sur sa dernière couche quatre électrons, c’est-à-dire qu’il est
tétravalent: il serait bien content d'en avoir huit. C'est pourquoi il s'associe avec quatre
autres atomes à l'aide des liens covalents. La Figure 2-1 schématise l’explication.
Figure 2-1: Cristal de silicium et liens covalents.
Le silicium comme tel est très résistant. À l'état pur, il n'est guère utile. On modifie la
résistance des semiconducteurs en introduisant des impuretés convenables dans leur
structure cristalline. On dit que le semiconducteur est dopé. Ceci est réalisé en
introduisant des atomes ayant des électrons en plus, ou en moins, sur leur dernière
couche. Par exemple, l'arsenic, le phosphore et l’antimoine en ont cinq, donc un de trop.
Le bore, le gallium et l’indium en ont trois; il en manque un. Les trois premiers sont
pentavalents et les trois derniers, trivalents. Le niveau habituel de dopage va d’un atome
d’impureté par 106 à 108 atomes de silicium.
L'addition d'un élément pentavalent crée un surplus d'électron. Les liens étant tous
complétés, les électrons en trop peuvent se promener d'un atome à l'autre. Ce type de
dopage produit un matériel semiconducteur de type N.
L'addition d'un élément trivalent crée un manque d'électrons qu'on appelle trous. Un
électron manquant dans la structure cristalline laisse une place libre où un électron peut
venir se placer en provenant du lien voisin, laissant alors un trou où il était. Le courant
électrique est appelé un courant de trous, les trous semblant se déplacer. Ce type de
dopage produit un matériel de type P.
Les électrons libres dans un matériel de type N et les trous dans un matériel de type P sont
appelés les porteurs majoritaires du courant électrique.
La Diode
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électron en
surplus
trou
Type N
Type P
élément pentavalent
élément trivalent
Figure 2-2: Types de matériau semiconducteur
2.2 La jonction PN.
Que se passe-t-il lorsqu'on réunit un matériel P avec un N? On obtient une jonction PN.
Figure 2-3
À la Figure 2-3 de gauche, on vient juste de juxtaposer les deux matériaux l’un à côté de
l'autre.À la Figure 2-3 de droite, par effet de diffusion, les électrons du côté N traversent
du côté P et remplissent les trous. Les atomes du côté P, ayant besoin d'électrons pour
compléter leurs liens covalents les prennent. Ces atomes, étant évidemment près de la
jonction, deviennent des ions négatifs à cause de l'électron de trop dans leur structure. De
l'autre côté, c'est-à-dire du côté N, les atomes ayant un électron de trop pour compléter
leurs liaisons covalentes perdent cet électron et deviennent des ions positifs. On a alors
autour de la jonction l’apparition de ce qu'on appelle un dipôle. Ce processus va se
continuer jusqu'à ce que le champ électrique créé par le dipôle soit assez puissant pour
empêcher d'autres électrons de traverser la jonction; on aura alors l'équilibre. Cet équibre
se fait jusqu’à environ 0,7V.
Ainsi, les électrons qui étaient des porteurs majoritaires du côté N vont vers le côté P en
éliminant ainsi aussi les trous du côté P. On a alors une zone dépourvue de porteurs
majoritaires. On appelle cette zone la zone de déplétion. Le champ électrique provenant
du dipôle crée une différence de potentiel appelée barrière de potentiel. Cette barrière de
potentiel vaut 0,7 volts pour le silicium.
Zone de déplétion
Figure 2-4: Zone de déplétion autour de la jonction PN
La Diode
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2.3 La diode.
2.3.1 Schéma et construction.
Une diode a comme symbole celui de la Figure 2-5. La flèche indique le sens que peut
prendre le courant conventionnel en direct. La Figure 2-5 représente également la
construction d'une diode. Elle est la juxtaposition de matériaux semiconducteurs de types
N et P auxquels on a raccordé des broches. Une diode ne laisse passer le courant que dans
un seul sens.
I
A
K
A: anode
B: cathode
A
P
N
K
Figure 2-5
2.3.2 Polarisation en direct.
I conventionnel
Figure 2-6: Polarisation en direct.
Tout le matériel est conducteur, autant du côté P que du côté N, sauf dans la zone de
déplétion où il n'y a pas de porteurs majoritaires. Le champ électrique causé par la pile va
s'opposer à celui du dipôle et, par surcroît, l'annuler.
Les électrons entrent du côté N et pénètrent ensuite dans la zone de déplétion comme
électrons libres en annulant les ions positifs. Ceux qui quittent, du côté P, laissent des
trous qui atteignent la zone de déplétion annulant les ions négatifs. À la jonction, les
électrons du côté N tombent dans les trous du côté P et atteignent la sortie du bloc P par
courant de trous. La zone de déplétion n'existe donc plus et toute la diode est conductrice.
La Diode
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2.3.3 Polarisation en inverse
P
N
ARRET
.
Figure 2-7
Le champ électrique causé par la source s'additionne à celui du dipôle. La zone de
déplétion s'épaissit jusqu'à ce que son potentiel soit égal à celui de la source. La zone de
déplétion n'étant pas conductrice, la diode est bloquée, c'est-à-dire plus un courant ne la
traverse.
2.3.4 Caractéristiques des diodes.
En direct.
Pour qu'une diode conduise, une tension minimale d'environ 0,7 volts est requise afin de
vaincre la barrière de potentiel de la jonction. C'est pourquoi on mesure toujours 0.7 volt
aux bornes d'une diode en direct. De plus, une diode a une résistance interne appelée
résistance extrinsèque ou en anglais bulk.
Une diode possède aussi des caractéristiques maximales à ne pas dépasser, tels le courant
et la tension maximale en direct. Ce sont les cas où la diode s’échauffe et brûle.
En inverse.
En inverse, une diode se comporte comme un circuit ouvert. Cependant rien n'étant
parfait, un léger courant de fuite est créé à la surface du cristal. La surface du cristal est
constituée de liens covalents non-complétés et celle-ci se comporte comme un matériel de
type P en ayant une petite conductivité.
Aussi, comme en direct, un point maximal ne doit pas être franchi: c'est le point
d'avalanche. Une diode ne peut endurer qu'une certaine valeur de voltage en inverse. Si ce
voltage est atteint, le courant augmente rapidement et la diode se détruit.
La Diode
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Courbes ID VS UD.
ID
IFmax
URmax
UD
0,7V
en inverse
UFmax
en direct
Figure 2-8: Courbe ID (UD).
2.4 Types de diodes.
2.4.1 Diodes redresseuses.
Un circuit redresseur transforme une tension alternative en une tension pulsée C.C.
D1
RL
Gen.
Figure 2-9: Circuit redresseur de base
D1, dans la Figure 2-9, ne laissera passer que le
courant causé par l'alternance positive du générateur
C.A. On retrouve, dans ce circuit, les formes d'ondes
de la Figure 2-10.
e max.
eGén
Lors de l'alternance positive du générateur C.A., la
diode se trouvant polarisée en direct laisse passer un
courant dans la charge (RL).
e max. - VD
eRL
0,7V
en direct
UD
-es max = PIV
Figure 2-10
La Diode
en inverse
La valeur de la tension maximale aux bornes de RL
sera la tension crête du générateur moins la barrière
de potentiel de 0,7 V de la jonction de la diode. Tout
le temps que dure l'alternance positive du générateur,
la diode est en direct et chute 0,7 V. Lors de
l'alternance négative, la diode se trouve en inverse,
bloque et agit comme un circuit ouvert récoltant toute
la tension du générateur CA à ses bornes et aucun
courant ne traverse RL.
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2.4.2 Diode électroluminescente (Del).
Symbole.
A
K
forme
fréquente
A
K
Figure 2-11: Diode électroluminescente.
Le semiconducteur utilisé pour la fabrication d’une Del est l’arséniure de gallium ou le
phosphore de gallium. Elle fonctionne à basse tension et à une faible consommation. Près
de la jonction, lorsque les électrons tombent dans les trous, c'est-à-dire descendent de
niveau d'énergie, ils émettent de l'énergie, une partie en chaleur, une partie en lumière.
Dans le cas de la Del, c'est le deuxième cas qui est exploité.
On retrouve la Del dans les applications dites optoélectroniques comme par exemple un
témoin lumineux ou un affichage numérique.
Caractéristiques.
La Del est utilisée en direct:
I Del
U Del
-3V
2V
en inverse
en direct
Figure 2-12: Courbe typique d'une Del.
Calcul du branchement: R = ?
Idel = IR = 20mA
R
UR = 9V - 2V = 7V
9V
R = 7V / 20mA = 350 (360 standard)
Figure 2-13
La Diode
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2.5 EXERCICES
# 1 - Que vaut approximativement la tension aux bornes d'une diode au silicium en direct?
# 2 - Une tension de 100 V est appliquée en inverse sur une diode. Un courant de 10 mA
traverse la diode. Que vaut sa résistance de coulage en inverse (RR)?
#3- I=?
1k
I
10V
#4- I=?
R1
R3
10k
I
10k
R2
10k
20V
#5- I=?
I=?
10k
10k
I
20V
# 6 - Que vaut R?
20mA
R
50V
La Diode
Ud=2V
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#7a) URL crête = ?
b) IRL crête = ?
c) UR crête de la diode = ?
d) Dessinez les formes d'onde présentes aux bornes de D1 et RL.
D1
RL
1k
eGen.
10Vrms
eGén
URL
UD1
La Diode
t
t
t
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