Les diodes

diodes

Introduction

Avec le transistor, la diode est la figure emblématique de toute l’électronique. En effet le développement de l’industrie électronique prend son départ avec l’invention des diodes à vide et à
galène. C’est grâce à sa fonction de valve électrique que la diode a été utilisée pour détecter et démoduler les ondes radio. Comme son nom l’indique, la diode est un élément actif comportant deux électrodes désignées généralement par anode et cathode. Plusieurs catégories de composants appartiennent à la famille des diodes :

Les diodes de redressement et de détection : jonction PN, diodes Schottky

  • Les diodes à capacité variable : diodes varicap
  • Les diodes de régulation : diodes Zener
  • Les diodes électroluminescentes : LED (Light Emitting Diode)
  • Les photodiodes (PD)
  • Les diodes laser
  • Les diodes à effet tunnel

La jonction PN

Constitution et principe de fonctionnement simplifié

La diode PN résulte de la jonction de deux éléments semi-conducteurs généralement en silicium. L’un des éléments a subit un dopage type P, l’autre un dopage type N.

 

diode à jonction PN

La mise en contact des deux zones semi-conductrices engendre une diffusion de porteurs – vers la zone P et de porteurs + vers la zone N. Il en résulte à la jonction une zone vide de porteurs mobiles appelée zone de déplétion. Cette zone est le siège d’un champ électrique d’équilibre L’application d’une polarisation directe supérieure à environ 0,6 V permet de vaincre le champ électrique de la zone de déplétion créant ainsi la circulation du courant électrique => la diode devient passante. L’application d’une polarisation inverse accroît l’épaisseur de la zone de déplétion =>la diode est bloquée.

polarisation diode

Courbe caractéristique

En examinant en détail la relation courant-tension d’une jonction PN polarisée, on constate que le courant obéit à la tension appliquée selon la loi exponentielle suivante :

Courbe caractéristique

Ordre de grandeur du courant IS de 10-14 à 10-8 A pour les composants discrets. Dans le cas d’une diode polarisée par une tension VD supérieure à 100 mV, la relation précédente peut être réduite à :

\( I_S=exp\Bigg[\frac{V_{D}}{V_{T}}\Bigg]\)  (2)

courant tension diode

croissance exponentielle du courant est fortement marquée après une tension de seuil VD0 . Pour une jonction en silicium VD0 s’établit environ entre 0,6 et 0,7 volt. On considère alors la diode passante. Sous une polarisation inverse (VD < 0 ) le courant circulant dans le sens N => P est extrêmement faible et vaut – IS . On considère alors la diode bloquée. VRMAX est la tension inverse maximale admissible.

Note dans un état passant et pour un courant ID constant, la tension VD est sensible à la température. Elle accuse une variation DVD/ DVT=-2mV/°C. Cette propriété peut être mise à profit pour réaliser un capteur thermométrique.

Polarisation d’une diode à l’aide d’une résistance

Compte tenu de sa caractéristique abrupte, une diode PN doit être polarisée sous une tension d’environ VD0 pour être passante. L’attaque directe de la diode par un générateur de tension est délicate et risquée. En effet tout dépassement de la valeur VD0 engendre la circulation d’un courant ID élevé pouvant entraîner la destruction du composant. La méthode la plus simple est de mettre une résistance de limitation de courant en série avec la diode. Dans ce cas nous avons :

\(I_{D}=\frac{U-V_{D}}{R}\)  (3)

Le point de polarisation Q (encore appelé point de fonctionnement) est caractérisé par le couple (\( I_DQ ,V_DQ\) ). Il correspond ici au point d’intersection entre les fonctions (2) et (3).

Résistance dynamique d’une diode passante

Considérons le point Q caractérisé par le couple (\( I_DQ ,V_DQ\) )

La relation (2) devient :

\(I_{DQ}=I_S exp(\frac{V_{DQ}}{V_{T}}) \)

En considérant de très faibles variations de tension autour de VDQ nous pouvons écrire :

résistance dynamique

Nous en déduisons l’expression de la résistance dynamique de la diode autour de son point de polarisation : \(rd=V_{T}/I_{DQ}\)

Notes : Pour un courant de polarisation IDQ de 1 mA, la résistance dynamique est d’environ 25 W. La résistance dynamique d’une diode diminue lorsque le point de fonctionnement s’élève. Elle doit être prise en compte dès lors que l’on cherche à superposer un signal variable sur la tension de fonctionnement.

Caractéristiques simplifiées – Modèles électriques

La détermination mathématique du point de polarisation précédent nécessite de rechercher la solution VD qui satisfait l’équation:

équation modèle simplifié

Cette détermination n’est pas aisée car d’une part la solution analytique n’est pas triviale et d’autre part le paramètre IS est rarement connu avec précision. Fort heureusement il est possible d’approcher la solution en exploitant une des modélisations simplifiées qui suivent.

modèle parfait diode

Modèle diode parfaite sans seuil

  • Sous polarisation négative, elle se comporte en interrupteur ouvert pour lequel ID = 0, pour VD < 0
  • Dans le sens passant, elle n’oppose aucune résistance à la circulation du courant et une tension nulle est relevée à ses bornes : VD = 0 , pour ID > 0 . Elle est dans ce cas assimilable à un interrupteur fermé.

Modèle diode parfaite avec seuil

Il s’agit du modèle le plus utilisé car il prend en compte le défaut principal d’une diode réelle, à savoir la chute de tension que celle-ci engendre à l’état passant.

  • Pour VD < VD0 le modèle électrique associé est un interrupteur ouvert
  • VD reste égale à VD0 à l’état passant

Modèle diode avec seuil et résistance dynamique

On peut exploiter ce modèle s’il est nécessaire de tenir compte de la résistance dynamique de l’état passant

  • Pour VD < VD0 le modèle électrique associé est toujours un interrupteur ouvert
  • Pour VD ³ VD0 la diode en conduction engendre une chute de tension égale à VD = VD0 + RD*ID

Modèle d’une jonction PN en hautes fréquences (HF)

Tout dipôle constitué d’éléments en regard présente un effet capacitif. La jonction PN n’échappe pas à cette loi physique. Le modèle prenant en compte l’effet capacitif est représenté en figure ci après. En régime de hautes fréquences, l’impédance capacitive intervient et rend partiellement conductrice la diode en inverse.

Modèle d'une jonction PN en HF

Application au redressement de signaux alternatifs

Redressement monoalternance

Redressement monoalternance

Redressements double alternance

Redressements double alternance

Principe de fonctionnement du pont de Graetz: 

Principe de fonctionnement du pont de Graetz

Doubleur de tension à diodes

Doubleur de tension

Application à la détection de l’enveloppe d’un signal variable

Enveloppe d’un signal variable – Définition

L’enveloppe d’un signal correspond à la forme prise par son amplitude maximale au cours du temps.

Enveloppe d’un signal variable

Détecteur d’enveloppe simple

Le détecteur d’enveloppe simple consiste en un redresseur à diode associé à un condensateur.

Détecteur d’enveloppe

Le circuit R//C « mémorise » l’amplitude crête du signal avec une constante de temps t = RC. Cette constante doit être choisie :

  • ni trop courte sinon la décharge du condensateur apparaît à chaque alternance du signal x(t)
  • ni trop longue afin de suivre l’évolution de l’enveloppe.
  • On choisit THF << t << TBF

Soit par exemple la moyenne géométrique donnée par \(\tau = \sqrt{T_{HF} \cdot T_{BF}}\)

Une application courante de la détection d’enveloppe concerne la démodulation d’amplitude.

La diode Zener

Courbe caractéristique

La particularité de la diode Zener réside dans le quadrant négatif de sa courbe caractéristique.

Courbe diode Zener

Dans le sens direct la diode Zener se comporte comme une jonction PN classique. En sens inverse, elle reste bloquée tant que VR (= -VD ) reste inférieure à un seuil noté VZ . A partir de ce seuil la diode Zener conduit en inverse de façon très abrupte : la tension inverse mesurée à ses bornes est stabilisée à VZ . Elle est pratiquement indépendante du courant.

Application à la régulation de tension

Montage de base

Pour être utilisée en stabilisateur de tension, la diode Zener doit être polarisée en mode inverse. Le montage de base est représenté en figure ci-après. R est appelée la résistance ballast.

Stabilisation d'une tension par une diode Zener

Caractéristique de transfert VS = f(VE) du montage

VE est ici une tension positive. Lorsque la Zener ne conduit pas, c’est à dire lorsque VE est de valeur insuffisante, le montage se comporte comme un pont diviseur de tension:

\( V_{S}=V_{E}\frac{R_{L}}{R+R_{L}}\)

Le montage reste dans ce mode de fonctionnement jusqu’à ce que VS atteigne VZ. Cette limite est atteinte lorsque

\( V_{E}=V_{Z}\frac{R_{L}+R}{R}\)

A partir de cette tension d’entrée, la tension de sortie reste stabilisée à VZ

tension de sortie VZ

La photodiode

Constitution et caractéristiques de fonctionnement

Sous polarisation inverse, le courant circulant dans une jonction PN classique est très faible. Dans ce cas en effet, les porteurs électriques, électrons et trous, attirés respectivement par l’électrode de polarité contraire s’éloignent de la jonction. Il se créé une zone isolante vide de porteurs appelée zone de déplétion.

La photodiode est conçue pour permettre la réception du flux lumineux F. Lorsque la longueur d’onde l du rayonnement est inférieure au seuil photoélectrique lS du matériau constituant la jonction, il se forme des paires électrons-trous dans la zone de déplétion qui contribue à la création d’un courant inverse. Ainsi le courant circulant dans une photodiode polarisée en inverse est proportionnel au flux lumineux reçu ; il est pratiquement indépendant de la tension de polarisation. On améliore les performances d’une photodiode en insérant une couche de semi-conducteur intrinsèque (non dopée) entre les couches P et N ; la structure est appelée PIN. Les courbes caractéristiques d’une photodiode en fonction du flux sont reproduites F en figure ci-après.

photodiode en fonction du flux incident

Modes d’utilisation

 

Nous pouvons considérer deux modes d’utilisation selon que l’on polarise ou non la photodiode par une tension externe.

  • En mode photoconducteur une source de tension E polarise la photodiode en inverse. Celle-ci est en mode récepteur. Le courant IR , proportionnel au flux, est converti en tension par la résistance R.

photodiode mode conducteur

équation mode conducteur

Note : le mode photoconducteur étant linéaire et rapide, il est adapté pour réaliser la mesure de flux lumineux .

  • En mode photovoltaïque, aucune source externe de polarisation n’est utilisée. La photodiode fonctionne en générateur électrique autonome. Les cellules photovoltaïque utilisées pour produire de l’électricité sont des photodiodes de grande surface de réception lumineuse (15 cm*15 cm environ).

mode photovoltaïque

Autres types de diodes

La LED

Présentation

On appelle électroluminescence l’émission d’un rayonnement lumineux due à une excitation électronique dans un matériau. Dans le cas d’une diode électroluminescente (LED), il s’agit de l’émission spontanée de lumière provoquée par l’injection des électrons à travers une jonction PN particulière polarisée en direct. Les semi-conducteurs utilisés pour réaliser la conversion de l’énergie électrique en énergie lumineuse sont souvent des composés à base de gallium. La tension de seuil d’une LED est supérieure à celle d’une diode classique (environ 1,6 V pour de l’arséniure de gallium). Elle est en relation directe avec l’énergie (donc la fréquence) du photon émis.

Dès son développement dans les années 1970 la LED a révolutionné le monde de l’affichage lumineux. Ce succès est du à une très bonne fiabilité, une faible consommation électrique et une grande facilité d’emploi. Les nombreuses applications des LED concernent principalement :

  • les voyants, témoins et indicateurs lumineux ;
  • les afficheurs et les panneaux de signalisation ;
  • les télécommandes infrarouges ;
  • les émetteurs optiques pour transmission par fibre optique ;
  • les optocoupleurs qui assurent une transmission avec isolation galvanique ;
  • l’éclairage ;
  • les fourches et capteurs optiques, les détecteurs de passage …

Caractéristiques électriques principales d’une LED

La LED a un comportement électrique sensiblement identique à celui d’une jonction PN. Son seuil de conduction VD0 est cependant plus élevé et dépend de la longueur d’onde lumineuse dominante. Les autres caractéristiques électriques importantes sont :

  • le courant direct moyen qu’elle peut supporter en permanence. Il est compris entre 10 et 50 mA pour une LED à usage général ;
  • le courant direct crête qu’elle peut supporter en régime implusionnel ;
  • la tension inverse maximale VRmax admissible sans dommage. Vis à vis de la tension inverse, la LED est plus fragile qu’une jonction PN et la limite courante de VRmax est de –5 volts.

Caractéristiques optiques

En pratique, les trois caractéristiques optiques que l’on doit prendre en compte pour choisir une LED sont :

  • La couleur liée à la longueur d’onde dominante du spectre d’émission lumineuse. On trouve des LED à usage général dans les teintes bleue, verte, jaune, orange, rouge et proche infra rouge. On construit également des LED à émission ultraviolette et à spectre blanc.
  • Le diagramme de directivité. Il traduit la distribution angulaire du faisceau d’émission. Dans une application de signalisation, on préférera un cône d’émission large.

cône d’émission LED

La diode Schottky

La diode Schottky est réalisée à partir d’un jonction métal-semiconducteur. Elle doit sa popularité à son faible seuil de tension directe et à sa rapidité de commutation. Ces particularités la destinent en priorité à la détection des signaux radiofréquence. La figure ci-après établit la comparaison entre la courbe caractéristique d’une diode Schottky et celui d’une jonction PN classique.

Comparaison des caractéristiques d’une diode Schottky et d’une jonction PN

On constate les différences suivantes :

  • La tension de seuil d’une diode Schottky (0,3 V) est plus faible que celui d’une jonction PN (0,6 V)
  • Le courant inverse de la jonction PN est plus faible que celui de la diode Schottky

La diode Varicap

La diode varicap doit être polarisée en inverse. Elle présente dans ce cas une capacité qui décroît avec la tension selon une loi approchée du type :

équation La diode Varicap

L’exposant n = 0,5 est valable pour les diodes varicap de type planar-épitaxial.

caractéristiques diode Varicap

Ordre de grandeur des valeurs courantes rencontrées : Vmin < V < Vmax, V0 = 0,7 volt ; Vmin = 2 volt ; Vmax = 20 volt ; C0 = 30 pF

La diode varicap est utilisée dans de nombreuses applications radiofréquence. Elle sert notamment à réaliser des oscillateurs à fréquence variable (VCO).

La diode laser (DL)

Pour simplifier, la diode laser est une LED structurée en cavité résonante. 2 cotés latéraux parfaitement parallèles sont dotés de miroirs réfléchissants et orientés vers l’intérieur. L’une des surfaces réfléchissante est quasiment parfaite, la seconde transmet partiellement la lumière. Comme pour la LED, la circulation d’un courant dans le sens direct produit l’émission spontanée de lumière dans la jonction. Au dessus d’un certain seuil de courant, les photons engendrés par électroluminescence stimulent à leur tour l’émission cohérente d’autres photons créant ainsi une amplification laser. La longueur de la jonction détermine la longueur d’onde du flux émis.

structure diode laser

La diode à effet tunnel

Il s’agit d’une diode dont la courbe caractéristique présente une partie à pente décroissante (résistance dynamique négative). Cette particularité est exploitée pour réaliser des oscillateurs HF.

Ressources (PDF)