DIODES

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DIODES
I. CARACTÉRISTIQUES D’UNE DIODE À FONCTION PN
I.1 Diode à jonction PN
Une diode à jonction PN est constituée de deux semi-conducteurs de même nature (silicium ou germanium), dopés
différemment : l’un de type N (les électrons sont les charges électriques mobiles), l’autre de type P (les trous positifs
sont les charges électriques mobiles).
• Représentation d’une diode :
• On peut démontrer que la caractéristique de ce dipôle récepteur peut s’écrire :
exp 1
d
dS
B
qu
iI kT
η
=
−
avec q = 1,6×10-19 C ; kB = constante de Boltzmann =1,38×10-23 J.K-1 ;
T = température thermodynamique (en K),
η
coefficient compris entre 1 et 2.
Application numérique diode au silicium à 25 °C = 300 K : 25 mV
B
kT
q= ; IS
≈
10-12 A.
Il existe des limitations en intensité et en tension afin d’éviter un claquage destructif de la diode. En TP, il faut faire
attention à ne pas dépasser la puissance maximale pouvant être dissipée par la diode.
I.2 Linéarisation par morceaux
anode cathode anode cathode
ud
id
ud (en volts)
id (en ampères)
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 00.20.4 0.6
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
id (en ampères)
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
Pente Gd
seuil V0 = 0,6 V
ud (en volts)

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Pour ud supérieure à 0,5 V, le courant augmente fortement. On peut modéliser cette zone par une droite de pente Gd
(conductance dynamique) i
u
∆
=∆ très importante et d’abscisse à l’origine 0,6V. On a donc deux zones de
fonctionnement :
• Si ud ≥ V0 :
()
0ddd
iGuV=−. La diode est passante. En posant 1
d
d
RG =, on a 0ddd uRiV=+. C’est la même
caractéristique qu’un générateur de tension de fem V0 en série avec une résistance Rd (ordre de grandeur 30 Ω).
Comme un dipôle est entièrement déterminé par sa caractéristique, la diode passante est équivalente au dipôle
suivant :
Remarque : la diode ne fournit aucun courant. Le générateur V0 s’oppose au passage du courant.
• Si ud ≤ V0 : id = 0. La diode est bloquée. La diode est équivalente à un interrupteur ouvert.
On fera donc des hypothèses de fonctionnement sur la diode, ce qui permet de remplacer un dipôle non linéaire par un
dipôle linéaire et d’appliquer les théorèmes généraux vus au 1er chapitre. Il ne faut pas oublier de vérifier les
hypothèses de fonctionnement :
• Si on suppose que la diode est passante, alors on a 0d uV≥. Il faut vérifier à la fin des calculs que la diode est
bien passante, c’est à dire que 0
d
i≥.
• Si on suppose que la diode est bloquée, alors on a 0
d
i
=
. Il faut vérifier à la fin des calculs que la diode est bien
bloquée, c’est à dire que 0d uV≤.
I.3 Diode avec seuil
On peut souvent considérer la pente comme infinie. On a alors le modèle suivant :
• Si ud = V0 : 0
d
i≥. La diode est passante. La diode est équivalente à un générateur de tension de fem V0.
ud (en volts)
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
Droite
verticale
seuil V0 = 0,6 V
id (en ampères)
id
udud
id
Rd
V
0
id
udud
Attention au sens du
générateur de tension V0 par
rapport à celui de la diode.
⇔
⇔

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Remarque importante : le générateur de tension s’oppose au passage du courant.
• Si ud ≤ V0 : id = 0. La diode est bloquée. La diode est équivalente à un interrupteur ouvert.
On fera dans les exercices des hypothèses de fonctionnement sur la diode.
• Si on suppose que la diode est passante, on a donc 0d uV
=
. Il faut vérifier à la fin des calculs que la diode est
bien passante, c’est à dire que 0
d
i≥.
• Si on suppose que la diode est bloquée, on a donc 0
d
i
=
. Il faut vérifier à la fin des calculs que la diode est bien
bloquée, c’est à dire que 0d uV≤.
I.4 Diode idéale
La tension de seuil V0 vaut environ 0,2 V pour une diode au germanium et 0,6 V pour
une diode au silicium. Dans de nombreux cas, les tensions dans le montage
comportant des diodes sont très supérieures à la tension de seuil, on peut donc
négliger V0.
Le modèle de la diode idéale consiste à prendre V0 = 0 V.
On a la caractéristique suivante :
• Si ud = 0 : 0
d
i≥. La diode est passante. La diode est équivalente à
interrupteur fermé.
Remarque : Le fait de supposer la diode passante ne donne aucun renseignement sur l’intensité.
• Si ud ≤ 0 : id = 0. La diode est bloquée. La diode est équivalente à un interrupteur ouvert.
• Si on suppose que la diode est passante, on a donc 0
d
u
=
. Il faut vérifier à la fin des calculs que la diode est
bien passante, c’est à dire que 0
d
i≥.
• Si on suppose que la diode est bloquée, on a donc 0
d
i
=
. Il faut vérifier à la fin des calculs que la diode est
bien bloquée, c’est à dire que 0
d
u≤.
II. DIODE ZENER
id
udud
id
V
0
id
udud
ud
id
id
udud
id
udud
⇔
⇔
⇔
⇔

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On a l’effet Zener1 lorsque la tension aux bornes de la diode est inférieure à une tension inverse (- VZ0 avec VZ0 qui peut
varier de 2,6 V à 200 V). La diode est alors parcourue par un fort courant inverse2. Pour une tension supérieure à VZ0, la
diode Zener a la même caractéristique qu’une diode normale.
On peut souvent négliger la tension de seuil V0 et considérer des parties de droites : c’est le modèle de la diode Zener
idéale.
On a donc 3 zones de fonctionnement :
• Si ud = 0 : id ≥ 0. La diode est passante.
• Si -VZ0 ≤ ud ≤ V0 : id = 0. La diode est bloquée.
• Si ud = –VZ0 : id ≤ 0. C’est l’effet Zener.
1 La diode Zener est souvent utilisée comme diode stabilisatrice de tension.
2 Il existe des limites à ne pas dépasser sous peine de destruction du composant.
-5 -4 -3 -2 -1 01
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
Tension Zener -VZ0
seuil V0 = 0,6 V
ud (en volts)
id (en ampères)
-5 -4 -3 -2 -1 01
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
Tension Zener -VZ0
ud (en volts)
id (en ampères)
ud
id

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III. MÉTHODE DE RÉSOLUTION DES CIRCUITS NON LINÉAIRES
Les théorèmes généraux vus dans le premier chapitre ne sont valables que pour des circuits linéaires. On ne peut
donc pas étudier directement le circuit comprenant des éléments non linéaires. Si on applique une tension
sinusoïdale à l’entrée, la sortie ne sera pas sinusoïdale contrairement aux circuits linéaires, on aura donc un
enrichissement du spectre. On pourra utiliser un analyseur de spectre pour étudier les harmoniques qui constituent
la distorsion du signal.
• On fait des hypothèses de fonctionnement pour se ramener à des zones de fonctionnement linéaire. L’énoncé
précise quel modèle de diode doit être utilisé.
• Ces hypothèses étant faites, on calcule les différentes tensions ou intensités recherchées.
• Il faut à la fin des calculs vérifier les hypothèses pour s’assurer que c’est bien cohérent. Il ne faut jamais
oublier cette dernière étape qui valide les calculs précédents…
Remarque : Le mode de fonctionnement de la diode est souvent intuitif. Le choix de la bonne hypothèse ne
pose en général pas de problème mais pour être rigoureux dans le raisonnement, il est préférable de suivre
cette démarche. Il faut prouver avant d’affirmer !!!
IV. REDRESSEMENT SIMPLE ALTERNANCE
IV.1 Montage avec une diode idéale
On considère le montage suivant comportant une résistance R et
une diode idéale. On prend Ve de la forme :
(
)
sin
em
VE t
ω
=.
a) 1ère hypothèse
• Supposons que la diode est passante : 0
d
u
=
.
• La tension de sortie vaut : Se
VV=.
• Vérification des hypothèses : Se
d
VV
iRR
==. Pour que 0
d
i≥, il faut que 0
e
V≥.
b) 2ème hypothèse
• Supposons que la diode est bloquée : 0
d
i
=
.
• La tension de sortie vaut : 0
S
V=.
• Vérification des hypothèses : de
uV=. Pour que 0
d
u
≤
, il faut que 0
e
V
≤
c) Conclusion
• Si 0
e
V≥, la diode est passante et Se VV
=
.
• Si Ve ≤ 0, la diode est bloquée et 0
S
V
=
.
On a donc la caractéristique suivante :
R
VeVS
ud
id
Ve
VS