Electronique Analogique - 2ème partie - Les diodes

IUT Louis Pasteur – Mesures Physiques
Electronique Analogique
2ème semestre – 2ème partie
Damien JACOB
08-09
Les diodes
I.
Conduction dans le solide
1. Introduction
Un matériau conducteur est un matériau qui contient beaucoup d’électrons libres pouvant
participer au courant électrique.
Un bon conducteur contient entre 10ଶ଼ et 10ଷ଴ ݁ ି ݈ܾ݅‫ݏ݁ݎ‬/݉ଷ , tandis qu’un isolant
contient entre 10଻ et 10ଵଶ ݁ ି ݈ܾ݅‫ݏ݁ݎ‬/݉ଷ .
D’autre part, les semi-conducteurs contiennent entre 10ଵ଺ et 10ଶଶ ݁ ି ݈ܾ݅‫ݏ݁ݎ‬/݉ଷ
(ils sont souvent constitué de Silicium).
2. Conduction
Un atome de Silicium possède 4 électrons sur sa couche externe.
Sur le schéma ci-contre, on observe la mise en commun d’1
électron de chacun des atomes de Silicium pour former une
liaison covalente.
→ structure cristalline
Chaque atome « voit » donc 8 électrons sur sa couche.
Tout se passe comme s’il y avait 2 types de courants :
• Un courant de charges négatives : les porteurs sont les électrons.
• Un courant de charges positives : les porteurs sont des « trous ».
3. Dopage
On cherche à améliorer les performances de conduction du Silicium en le dopant.
Le dopage consiste à injecter des atomes dans le cristal de Silicium qui vont soit libérer des
électrons libres, soit une charge positive (« trou »).
On distingue deux types de dopage :
• Dopage de type ࡼ : atome possédant 5 ݁ ି sur la couche externe
→ 4 ݁ ି pour former des liaisons covalentes
→ 1 ݁ ି libre qui libère une charge positive
• Dopage de type ࡺ : atome possédant 3 ݁ ି sur la couche externe
→ besoin de 4 ݁ ି sur leur couche externe (règle de l’octet), il vont donc capturer
1 ݁ି.
II.
Jonction ࡼࡺ
1. Description
La jonction ࡼࡺ consiste en la mise en contact d’un
bout de Silicium dopé ܲ avec un bout de Silicium
dopé ܰ.
Les charges « noires » sont des charges fixes.
Les charges « rouges » sont des charges mobiles.
On obtient des courants de recombinaison de différents types :
• Courant d’électrons
• Courant de trous
La recombinaison des charges mobiles entraine une
neutralisation.
→ Apparition de zones vides de charges mobiles
= zones de charges d’espace
Les atomes ionisés fixés engendrent la création d’un champ électrique ‫ܧ‬ሬԦ qui va s’opposer
au déplacement des charges.
→ situation d’équilibre : plus aucun courant
→ diode à jonction ܲܰ
2. Diode à jonction ࡼࡺ polarisée dans le sens direct
Le potentiel le plus élevé est appliqué sur l’anode (ܲ).
Le potentiel le moins élevé est appliqué sur la cathode (ܰ).
ܸௗ : tension de seuil
≈ 0,6 ܸ à ܱ, 7 ܸ pour une diode au Silicium
‫ܸݍ‬஺௄
− 1൰
‫ܫ‬ௗ = ‫ܫ‬௦ exp ൬
‫ܶܭ‬
‫ ݍ‬: charge de l’électron = 1,6. 10ିଵଽ ‫ܥ‬
‫ ܭ‬: constante de Boltzmann
= 1,38. 10ିଶଷ ‫ܬ‬. ‫ି ܭ‬ଵ
ܶ : température de la jonction ሾ‫ܭ‬ሿ
Tant que ܸ஺௄ < ܸௗ , le courant ‫ܫ‬ௗ est très petit (≈ ܱ)
→ La diode est bloquée, elle ne conduit pas le courant.
• Quand ܸ஺௄ ≥ ܸௗ , alors ܸ஺௄ ≈ ‫ ܥ‬௧௘ = ܸௗ
→ Le courant peut augmenter et circuler, la diode conduit le courant.
•
ܸௗ est lié au champ électrique ‫ܧ‬ሬԦ au sein de la jonction. Il faut que l’alimentation extérieure
compense ‫ܧ‬ሬԦ afin que les électrons puissent circuler.
Symbole d’une diode :
3. Jonction ࡼࡺ polarisée en inverse
Le potentiel le plus élevé est appliqué sur la cathode (ܰ).
Le potentiel le moins élevé est appliqué sur l’anode (ܲ).
ܸ௘ : tension de claquage
Limite à gauche (pointillé rouge) : destruction par
effet thermique
4. Modélisation de la diode à jonction
• Si ܸ஺௄ < ܸௗ → diode bloquée → ݅ = 0
• Si ܸ஺௄ ≥ ܸௗ → diode passante → ݅ ≠ 0
Ce sont les caractéristiques d’un interrupteur :
• Diode bloquée ≡ interrupteur ouvert
• Diode passante ≡ interrupteur fermé
a. Diode idéale (parfaite)
൜
ܸௗ = 0 ܴௗ = 0
tension de seuil nulle
La diode est passante pour ܸ஺௄ ≥ ܸௗ , soit
pour ܸ ≥ ܸௗ = 0
ܸ஺௄ = 0
ܸ
൝
‫ܫ‬ௗ =
ܴ
La diode est bloquée pour ܸ஺௄ ≤ ܸௗ , soit
pour ܸ ≤ ܸௗ = 0
ܸ = ܸ
ቄ ‫ܭܣ‬
‫ = ݀ܫ‬0
b. Diode avec seuil (idéalisée)
Diode bloquée
ܸ஺௄ = ‫ܸ < ܧ‬ௗ
‫ܫ‬ௗ = 0
Diode passante
ܸ஺௄ = ܸௗ
‫ܫ‬ௗ =
Hypothèses :
• diode passante pour ܸ௘ < ܸௗ
ܸ஺௄ = ܸௗ
ܸ௦ = ܸ௘ − ܸௗ = ܴ݅
ܸ௘ − ܸௗ
݅=
ܴ
→ ‫ ܴ݅ = ܧ‬+ ܸௗ
→
݅=
‫ ܧ‬− ܸௗ
ܴ
‫ ܧ‬− ܸ݀
ܴ
c. Diode idéalisée avec une tension de seuil et une résistance
Diode bloquée
III.
Diode passante
Redressement
1. Simple alternance
On utilise une diode parfaite :
(ܸௗ = 0 ; ܴௗ = 0)
•
Alternance positive ܸ஺ > ܸெ
•
Alternance négative ܸெ > ܸ஺
݅ veut circuler de ‫ ܣ‬vers ‫ܯ‬
→ sens passant
→ ܸ௘ > ܸௗ = 0
→ ܸ௦ = ܸ௘
݅ veut circuler de ‫ ܯ‬vers ‫ ܣ‬et vers ‫ܭ‬
→ impossible, car sens bloqué de la diode
→ ܸ௦ = 0
‫=ܫ‬0
→ Suppression des alternances de ܸ௘
→ Seule une alternance sur deux est conservée.
→ on obtient finalement un redressement simple alternance.
Et inversement, si on utilise une diode idéalisée avec une tension de seuil ܸௗ = 0,6 ܸ
2. Redressement double alternance
Exemple : redressement double alternance avec transformation à point milieu :
IV.
Stabilisation
1. Diode Zener
symbole
ܸௗ ≈ 0,6 ܸ ∶ tension de seuil
ܸ௭ : tension de Zener
: comprise entre 3 et 50 ܸ
Les diodes Zener sont utilisées pour faire de la régulation de tension, à l’inverse d’une diode
classique de redressement.
2. Montage régulateur élémentaire
ܸ௭ = 45 ܸ
ܴ = 200 Ω
ܸ௘ = 40 ܸ
40 < ܸ௘ < 60 ܸ
ܴ௦ = 1,8 ݇Ω
→
ܸ௦ =
ܴ‫ܸ݁ ݏ‬
‫ܦ‬௭ ܾ݈‫ݑݍ݋‬é݁
ܴ + ܴ‫ݏ‬
ܸ௦ : tension aux bornes de ܴ௦ et de ‫ܦ‬௭ .
Donc, pour débloquer la diode Zener, il faut ܸ௦ = ܸ௭ , soit :
ܴ௦ ܸ௘
= ܸ௭
ܸ௦ =
ܴ + ܴ௦
ܸ݁ =
ܸ‫ ܴ( ݖ‬+ ܴ‫ ) ݏ‬1800 + 200
=
= 50 ܸ
ܴ‫ݏ‬
1800
→ A partir du moment ou ܸ௘ > 50 ܸ , la diode Zener se débloque.