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Notes provisoires LE202
Chapitre 4
Diodes et applications
4.1 Diodes à jonction
4.1.1 Structure–caractéristique statique
4.1.1.1 Semi-conducteur
La conductivité σd’un matériau est l’inverse de sa résistivité ρ: elle s’exprime en Ω−1m−1. Un semi-
conducteur est un matériau de conductivité intermédiaire entre celle des conducteurs (pour le cuivre par exemple,
ρ≈1,6·10−8Ω·m) et celle des isolants.
Semi-conducteur intrinsèque : conduit très peu à température ambiante, mais sa conductivité augmente
avec la température. L’agitation thermique permet le passage d’électrons de la bande de valence à la bande
de conduction compte tenu de la faible valeur de la bande interdite qui les sépare. L’emplacement vacant dans
le cristal laissé par l’électron, nommé trou est susceptible d’être comblé par un électron de conduction : c’est
la recombinaison électron-trou. La création de paire électron-trou et leur recombinaison en un autre point du
cristal peut être considéré comme un courant de trous, bien qu’aucune charge positive ne se déplace réellement.
Exemples (valence 4) : silicium, germanium, carbone et composés comme l’arséniure de gallium.
Augmenter la conductivité d’une façon mieux contrôlée : par dopage en ajoutant des impuretés se compor-
tant :
– soit en donneurs d’électrons (type N) pour les impuretés pentavalentes (arsenic, phosphore, bismuth, ...)
– soit en accepteurs d’électrons (type P) pour les impuretés trivalentes (aluminium, bore, gallium, ...)
⇒semi-conducteur extrinsèque, porteur de charges majoritaires (électrons pour le type N, trous pour le type P).
Dans ce semi-conducteur, les porteurs minoritaires restent responsables d’une conduction faible qui augmente
avec la température.
4.1.1.2 Jonction P–N
N
P
A anode
K cathode
IDVD
Jonction PN = mise en contact d’un semi-conducteur de type P et d’un de
type N.
Fig. 4.1 – Diode à jonction
La diode est un dipôle passif d’où la convention récepteur.
Diffusion des porteurs majoritaires ⇒recombinaisons dans la zone de transition qui devient une zone d’ap-
pauvrissement ou déplétion avec essentiellement des charges fixes qui créent un champ électrique et donc une
barrière de potentiel s’opposant au passage du courant.
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4.1.1.3 Caractéristique statique de la diode
VD
ID
1
2
3
0
VBR
Fig. 4.2 – Caractéristique statique directe d’une diode à jonction
1
au delà d’un seuil de tension de l’ordre de 0,4 V, croissance
très rapide (exponentielle) du courant direct
2
pour VBR < VD< Vseuil, blocage de la diode, donc courant
très faible (dépendant de la température à cause des minori-
taires)
3
pour VD6VBR, croissance très rapide du courant inverse
(phénomènes Zener et d’avalanche) ⇒destruction de la diode
4.1.2 Modélisations statiques de la diode (hors claquage)
4.1.2.1 Diode idéale sans seuil
VD
0
ID
1
2
Fig. 4.3 – Caractéristique d’une diode sans seuil
1
ID>0⇒VD= 0 : conduction directe
diode = court-circuit
2
VD<0⇒ID= 0 : blocage
diode = circuit ouvert
Diode = interrupteur unidirectionnel
ID
VD
4.1.2.2 Diode idéale avec seuil
VD
0
ID
2
1
V0
Fig. 4.4 – Caractéristique d’une diode avec seuil
1
ID>0⇒VD=V0: conduction directe
diode = source de tension idéale V0
2
VD< V0⇒ID= 0 : blocage
diode = circuit ouvert
Diode = interrupteur unidirectionnel en série avec source de tension idéale
+
V0ID
VD
c
J. Lefrère LE202 37

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4.1.2.3 Diode idéale avec seuil et résistance série
VD
0
ID
2
V0
1
1/r
Fig. 4.5 – Caractéristique d’une diode avec seuil et résistance série
1
ID>0⇒VD=V0+rID: conduction directe
diode = source de tension réelle (V0, r)
2
VD< V0⇒ID= 0 : blocage
diode = circuit ouvert
Diode = interrupteur unidirectionnel en série avec source de tension réelle
+
V0r ID
VD
4.1.2.4 Équation approchée de la caractéristique (hors claquage)
ID=ISexp VD
VT−1
où ISest le courant de saturation, fonction croissante de la température
IS=CT 3exp −∆E
VToù Cest une constante, Tla température absolue de la jonction,
∆Eest la largeur de la bande interdite : ∆E≈1,12 V pour le silicium
et VT=ηkT
qavec k= 1,38 ×10−23 JK−1q= 1,6×10−19 C
16η62 dépend du dopage et de l’ordre de grandeur du courant
À la température ambiante, kT /q ≈26 mV, qui permet deux approximations :
1. si VD≫VT
ID≈ISeVD/VTutilisable en particulier au delà du seuil
2. si VD≪ −VT
ID≈ −IScourant de saturation inverse indépendant de VD
4.2 Polarisation des dipôles (exemple des diodes)
4.2.1 Polarisation d’un dipôle passif
Polariser un dipôle passif = le connecter à un générateur continu pour :
– lui fournir de l’énergie
– lui imposer un point de fonctionnement en statique
Si on suppose le générateur (dipôle actif) linéaire, on peut le représenter par son schéma équivalent de
Thévenin (représentation série ETh =E, RTh =R) ou de Norton (représentation parallèle IN, YNorton).
Conventions de signe :
dipôle
passif
quelconque
dipôle
actif
linéaire
V
A
B
I
⇒
V
I
EV
A
B
I
+
R
Fig. 4.6 – Polarisation d’un dipôle passif
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La droite de charge statique1est la représentation de la relation linéaire imposée par le générateur continu
aux courant et tension dans le dipôle passif :
V=E−RI
I
V
0
P0: point de polarisation
V0RI0
I0
V0/R
E
E/R
droite de charge statique
Fig. 4.7 – Polarisation d’une diode
Le point de polarisation est situé
à l’intersection entre la droite de
charge statique et la caractéristique
(éventuellement non linéaire) du di-
pôle.
4.2.1.0.1 Cas de la diode : éviter la polarisation par source de tension à cause de la croissance exponentielle
du courant en fonction de la tension. Préférer alimenter la diode par une source de courant. Alors RI0≫V0
implique I0=E−V0
R≈E−0,7 V R≈E R. Si on choisit une résistance Rélevée, le courant est donc fixé par E
et R.
4.2.2 Association de dipôles non linéaires
Dans le cas où le circuit comporte plusieurs dipôles non linéaires associés, il est possible de se ramener à la
méthode précédente (voir 4.2.1) en construisant de façon graphique la caractéristique statique de l’association
de ces dipôles :
– en série, à courant fixé, en sommant les tensions ;
– en parallèle, à tension fixée, en sommant les courants.
4.2.2.1 Association diode sans seuil et résistance
R
V1
I10
1/R V1
I1
I2V2
0
I2
V2
1Pour un quadripôle, on distingue la droite d’attaque qui représente les contraintes linéaires imposées côté entrée, de la droite
de charge qui représente les contraintes linéaires imposées côté sortie du quadripôle. Mais pour un dipôle, les deux termes sont
employés dans le même sens.
c
J. Lefrère LE202 39

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I
R
V
0
1/R
I
V
Fig. 4.8 – Association série
R
V
I
1/R
0V
I
Fig. 4.9 – Association parallèle
4.2.2.2 Association de deux diodes avec seuil
IiVi
0 0,7 V
Ii
Vi
Fig. 4.10 – Diode avec
seuil
V
I
0 0,7 V
I
−0,7 V V
Fig. 4.11 – Association de deux
diodes en parallèle tête-bêche
V
I0V
I
1,4 V
Fig. 4.12 – Association de
deux diodes en série
4.3 Dipôles non linéaires en régime variable
Suivant que l’on souhaite ou non modifier la forme d’onde, distinguer en fonction de l’amplitude de la
composante variable les utilisations :
–grands signaux exploitant délibérément la non-linéarité, éventuellement sans polarisation préalable. Le
point de fonctionnement P(t) décrit alors une partie importante de la caractéristique.
⇒traitement graphique ou en modélisant la caractéristique du dipôle par des segments de droites.
Exemples : redresseurs, limiteurs, multiplieurs de signaux, changement de fréquence, ...
–petits signaux : le point de fonctionnement P(t) décrit alors un petit arc sur la caractéristique qui pourra
être assimilé à sa tangente locale. Les signaux alternatifs de faible amplitude ne seront alors pas déformés.
⇒polarisation nécessaire et linéarisation locale.
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