Diodes

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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)

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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)

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 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

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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 / 

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 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)