électrotechnique * les diodes et leurs applications

2011 2012
Aurélien Blangenois
[ÉLECTROTECHNIQUE – LES
DIODES ET LEURS
APPLICATIONS]
Mme Dehaene
INTRODUCTION: LES SEMI-CONDUCTEURS
Ils sont principalement composés de silicium et de germanium (cristallin). Pour créer le matériau, il faut le
graver à l’aide d’un laser. On peut obtenir une taille jusqu’à ⋍0.1 µm. pour avoir des tailles encore plus petites,
on utilise des nanotubes de carbone.
Les semi-conducteurs conduisent mieux l’électricité que les isolants mais moins bien que les conducteurs.
THÉORIE DES BANDES
on prend des atomes à trois électrons de valence.
les différents niveaux se resserrent et forment des bandes. L’une est totalement remplie (bande de valence)
tandis que l’autre l’est à moitié. Il y a alors trois cas possibles :
Pour faire passer les électrons de bande v, à la bande c, il faut fournir de l’énergie
(énergie de gap) :
Egap = Ec - Ev
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L’énergie de gap est plus faible que dans l’isolant. Il est plus facile de faire passer un électron de la
bande de valence à la bande de conduction. C’est le cas des semi-conducteurs.
On peut également doper les semi-conducteurs pour améliorer leurs performances en y ajoutant des
impuretés. Par exemple, si on utilise du silicium cristallin :
Le matériau est dopé n, on ajoute des électrons libres. On obtient ainsi une amélioration de la conductivité.
Le matériau est dopé p, on ajoute des trous provoquant un déficit d’électrons. On a ainsi une amélioration de la
conductivité.
LA JONCTION PN
Le matériau dopé N correspond à un ion positif (quand l’électron sera parti) associé à un élément négatif. Le
matériau dopé P correspond à un ion négatif (quand le trou aura été comblé) associé à un élément positif.
Pour former une diode, on accole une zone N et une zone P. les électrons libres de la zone N vont diffuser pour
combler les trous de la zone P. On aura d’un côté les ions négatifs et de l’autre les ions positifs (zone de
charge). On crée donc un champ électrique dirigé vers la gauche (sur le schéma). A un moment donné, il n’y a
plus de mouvement net de charge, la jonction PN est ainsi à l’équilibre. La diode est un dipôle polarisé.
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Lorsqu’on a une diode à l’équilibre, on a une tension à ses bornes (souvent 0.6V pour les diodes à base de Si et
0.2V pour les diodes à base de Ge).
La diode en sens bloquant :
les électrons excédentaires du
générateur comblent les trous
et augmentent la zone de
charge. On crée un champ
électrique ⃗⃗⃗
𝐸′ supérieur à 𝐸⃗ . les
électrons ne savent donc pas
passer de N à P. il n’y a ainsi pas de courant.
La diode en sens passant :
Les électrons du générateur
repoussent
les
électrons
excédentaires. Il y a donc une
réduction de la zone de charge.
On crée crée un champ
électrique ⃗⃗⃗⃗
𝐸′′ supérieur à 𝐸⃗ . Les
électrons peuvent donc circuler de N à P. Il y a ainsi
apparition d’un courant
MODÈLES DE LA DIODE
La diode parfaite peu être assimilée à un interrupteur :
Ouvert : I = 0 A
Fermé : I ≠ 0 A
U (V)
0.57
0.59
0.61
0.62
0.63
0.64
0.65
I (mA)
0.898
1.943
2.1
2.74
3.63
4.3
4.73
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La diode réelle : elle comporte une zone de claquage. c’est une zone dans laquelle on ne peut pas
travailler car le courant est très important et les réseaux cristallins cassent. Quand on arrive à la
tension seuil (U0), le courant augmente fortement. Cette tension seuil correspond aux 0.6V mesurés
au début.
Ud > Useuil pour qu’il y ait conduction
Un autre défaut de la diode réelle est sa résistance dynamique (R d). Elle explique l’inclinaison de la
courbe caractéristique.
Loi des mailles : ∑ 𝑈 = 0
On a donc l’équation d’une droite. Si U d = 0, id = U/R et si Ud = U, Id = 0.
Si on modifie U, on aura une autre droite de charge, parallèle. La résistance permet de protéger la
diode. On on doit limiter le courant Id (Id max).
LE REDRESSEMENT DE COURANT
Ce genre de dispositif permet d’éviter les tensions négatives. Mais on n’obtient toujours pas de courant
continu. De plus, on perd environ la moitié de la puissance (une moitié est utilisée et pas l’autre). Pour palier à
ce problème, on peut utiliser un condensateur à point milieu (redressement à deux alternances).
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C’est donc mieux mais on n’obtient toujours pas de courant
continu.
On peut également utiliser un pont de Graatz :
Première demi-période
D1 passante
D2 bloquante
D3 bloquante
D4 passante
Deuxième demi-période
D1 bloquante
D2 passante
D3 passante
D4 bloquante
On n’a donc toujours pas de courant continu.
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LE CONDENSATEUR
LE CIRCUIT RC
Le temps de charge dépend de RC = τ (constante de temps). Plus τ est petit et plus le temps de charge est
court. Pour décharger le condensateur, on coupe l’alimentation. Le circuit de décharge est alors :
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On va pouvoir insérer le condensateur dans le circuit de
redressement et filtrage par capacité. On améliore le
redressement puisqu’on commence à se rapprocher de plus
en plus d’un courant continu.
CARACTÉRISTIQUE DU REDRESSEMENT
Plus le taux d’ondulation est petit et meilleur est le redressement. Si on fait la même chose sur une double
alternance, on diminue la période et donc le redressement est encore meilleur.
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