Diode Zener

Diode Zener
Présentation de la diode Zener:
Pour commencer, nous allons définir ce qu’est une diode Zener afin de comprendre son
fonctionnement. Concrètement une diode Zener est un stabilisateur de tension. Cette dernière délivre
une tension stabilisée à ses bornes, égal à la tension de Zener.
Cette diode possède deux bornes, qui sont respectvement positif et négatif, d'ou son appelation
«Dipôle»
On utilise majoritairement les diodes Zener dans les circuits de commande, dans des circuit de
limitation, dans des circuits d’écrêtage.
La diode Zener est une diode qui présente une tension Zener ou tension d'avalanche de valeur
déterminée de 2,4 V à plus de 100 V (certaines diodes Zener comportent une troisième broche qui
permet de régler la tension d'avalanche).
La tension de Zener est plus communément appelée tension de claquage, bien que l'on puisse aussi
rencontrer le terme tension inverse.
Normalement une diode laisse passer le courant électrique dans un seul sens. Les diodes Zener sont
conçues de façon à laisser passer le courant inverse si la tension aux bornes du composant est plus
élevée que le seuil d'avalanche.
L'illustration ci-dessous est la représentation symbolique de la diode Zener. On peut y voir l'anode et
la cathode.
Pour se rappeler laquelle des broches est l'anode ou la cathode voici une petite méthode:
L'annode a la forme d'un «A» allongé et la cathode a la forme d'un «K» retourné.
On peut utiliser ce dipole comme référence detension dans les alimentations stabilisées ou encore
pour proterger un système electronique des pics de tensions.
Les propriétés électriques de cette diode furent découvertes par le physicien américain Clarence
Zener.
Composition, et mode de fonctionnement:
Tout comme les diodes «standarts», les diodes Zeners sont réalisées à partir de Silicium ou de
germanium, qui sont des semiconducteur couramment utilisés en electronique. La seule différence
réside dans les dopages. Les diodes Zener sont plus fortement dopées que le diodes «standart».
Ces dipôles sont composés de deux jonctions: une positive et l'autre négative.
Ces jonctions sont obtenues en effectuant un dopage n et un dopage p du semiconducteur constituant
de ce composants.
Les capacité resistives de ce composant dépendent de sa polarisation:
Lorsque l'on applique une polarisation directe à la diode Zener, sa resistance est très faible (quasi
nulle).
En revanche, si lui on applique une polarisation inverse, sa résistance dépendra de la tension
appliquée aux bornes du dipole ( Sans tenir compte de l'effet avalanche).
Par exemple si on lui applique une tension inverse faible, sa capacité resistive sera elevée. A l'inverse
en appliquant une tension inverse élevée, la capacité sera relativement faible.
Voici une représentation shématique de cet effet:
En considérant la jonction PN non polarisée, on voit aparaitre trois parties qui sont deux
semiconducteurs, notés respectivement semicon1 et semicon2 sur le shéma ci-dessous, ainsi qu'une
barrière de potentielle (notée BP).
Les semi-conducteurs contiennent des charges mobiles (p et n) donc on les considère comme
conducteurs.
La barrière de potentielle ne contient pas de charge, elle est donc assimilable à un isolant, aussi
appelé «diélectrique».
Comme nous l'avons dit précedemment, les diodes Zener sont plus fortement dopées que les diodes
classiques. Cela permet au champ magnétique qui est relativement bas à la base de devenir
suffisamment intense pour que les liaisons de covalence s'affaiblissent et se rompent.
Les porteurs de charges (des éléments de dopage) ainsi libérés sont assez nombreux pour que le
courant augmente brutalement et pour que la tension aux bornes de la diode ne varie pratiquement
pas. C’est ce qui est appelé l’effet Zener, que nous verrons en détails plus tard.
Dans certaines diodes Zener, il est possible que sous l'action du champ électrique interne, les
porteurs de charges minoritaires du silicium de la zone isolante acquièrent une énergie telle qu'il
puisse y avoir ionisation par choc, et le courant croît extrêmement vite. La tension aux bornes de la
diode ne varie pratiquement pas. C’est ce qui est appelé effet d’avalanche, que nous verrons en
détails plus tard.
Voici ci dessous les caractristique parfaite et réelle de la diode Zener:
La caractéristique tension courant f(UZ) = IZ suivante est appliqué pour demontrer les propriétés
resistive citées auparavant.
Dans le sens direct : La diode Zener se comporte comme une diode conventionnelle.C'est à dire que
la diode est passante lorsque Uz > 0,6V et Iz >0 (l'intensité dépend tu reste du circuit), et la diode est
bloquée lorsque Uz < 0,6V.
Dans le sens inverse : La diode présente une résistance faible dès que la tension Zener est atteinte.
En revanche la resistance est très eleve (modèle équivalent: interrupteur ouvert) lorsque la tension
inverse descend en dessou de la valeur Zener. La diode est bloquée.
Conséquences, les utilisations principales de la diode Zener.
Les diodes Zener sont utilisé dans des applications ou l'on peut exploiter leurs caractèristiques
propres.
On l'utilisie notament pour la stabilisation de tension. Le shéma electronique qui réalise cette fonction
s'appelle «circuit régulateur de tension». Par exemple si l'on prendre un circuit composé d'une source
de tension instable (non continue et non périodique) , d'un resistance ainsi qu'une diode Zener, on
aura en sortie, donc aux bornes de la diode Zener une tension stabilisée (continu).
Voici le shcéma qui illustre cette explication:
De plus on peut aussi utiliser les diodes Zener pour réaliser ce que l'on appelle un circuit d'écrétage.
L'écrétage consiste à restreinde les amplitudes du siganle à la tension de Zener lorsque ce signal
dépasse cette la valeure de cette dernière.
Voici un circuit electronique représentant une diode Zener ayant pour rôle l'écrétage du signal.
Et pour finir on peut aussi utiliser la diode zener pour réaliser des circuits générateurs de tension de
référence. Ces circuits permettent d'obtenir, à un endroit précis, une tension continu, qui ne change
pas et qui devient une tension de référence.
Sur ce shéma la tension de référence sera aux bornes de Vz.
La résistance Rs fournit le courant Zener IZ ainsi que le courant de sortie Is (R étant la charge).
Ce montage comporte un inconvénient: il est obligatoire que la charge reste en permanence
connectée au régulateur, car sa déconnexion provoquerait une hausse de courant traversant la diode
Zener. Le courants pouvant alors être supérieure au courant maximal admissible, la diode pourrait
être détruite.