Créée le, 19/06/2015

 Mise à jour le, 02/09/2016

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Les Diverses Diodes :


2. - LA DIODE


Nous l'avons décrite au paragraphe précédent. Il s'agit d'une jonction. (Voir théorie des semi-conducteurs).

Elle est constituée de deux matériaux, l'un de conductibilité N, l'autre de conductibilité P.

A ces matériaux sont associées deux électrodes, par contact ohmique (c'est-à-dire sans création d'une jonction parasite).

L'une reliée au matériau P, prend le nom d'anode, l'autre au matériau N, celui de cathode.

La figure 4-a représente la diode comme nous l'avons schématisée jusqu'à présent.



Diode_Jonction_PN.gif 



La figure 4-b représente le symbole de cette diode comme vous la rencontrerez désormais dans les schémas d'électronique.



Symbole_de_la_diode.gif



A quoi sert la diode ? Nous avons constaté que, selon le sens de polarisation, elle avait un comportement différent. Polarisée en inverse, il y circule un courant infime (dû aux porteurs minoritaires), tandis que, polarisée en direct, un courant important (dû aux porteurs majoritaires) peut la traverser. En résumé, elle ne laisse passer le courant que dans un seul sens.

Si l'on devait faire une analogie avec la fluidique, on l'assimilerait à un clapet anti-retour.

2.1. - CARACTÉRISTIQUES DE LA DIODE

La figure 5 représente sur un même graphique, la caractéristique complète de la diode.

La zone 1 correspond à la polarisation dans le sens passant ou polarisation directe.



Caracteristique_complete_de_la_diode.gif



Le point repéré par VF, correspond à la prédominance du champ électrique E, dû à la tension de polarisation, sur le champ électrique e, de la barrière de potentiel et permettant le passage important des électrons libres de la zone N vers la zone P.

L'axe du courant représente le courant direct ID ou courant des porteurs majoritaires.

L'axe des tensions représente la tension directe appliquée à la diode.

Les zones 2 et 3 correspondent à la polarisation dans le sens bloqué, ou polarisation inverse.

La zone 2 est la caractéristique inverse utilisable pour une diode de redressement. Dans ce cas, il ne faut pas atteindre la tension d'avalanche VBR.

Le courant inverse est dû aux porteurs minoritaires. En principe dans cette zone, à température fixe, il est théoriquement constant, mais des phénomènes secondaires tendent à augmenter légèrement celui-ci.

La zone 3 est marquée par le point VBR sur l'axe des tensions inverses. Il correspond à une énergie transmise aux électrons porteurs minoritaires par le champ électrique E (engendré par la tension de polarisation inverse), augmenté du champ électrique e (engendré par la barrière de potentiel), telle que, ceux-ci, en arrivant dans la zone N, arrachent des électrons dans le maillage du réseau, qui à leur tour, sont accélérés par ce champ et vont libérer d'autres électrons du maillage avant d'atteindre la cathode (électrode de la zone N).

Ce phénomène est cumulatif, ce qui explique cette augmentation très importante du courant, pour une augmentation négligeable de la tension inverse.

Dans une diode de redressement, non prévue pour fonctionner dans cette région, cet effet s'accompagne d'une forte augmentation de température, que les dimensions de la diode ne peut évacuer. Il y a, dans ce cas, destruction de la jonction. C'est pourquoi ce point prend le nom de : tension de claquage inverse (VBR = breakdown voltage = tension de rupture).



2. 2. - ACTION DE LA TEMPÉRATURE



Pour toute augmentation de température, les donneurs de la zone N, perdront plus facilement leur électron excédentaire. Par conséquent, pour faire circuler les électrons libres de la zone N vers la zone P, le champ électrique E, engendré par la tension de polarisation directe, pourra être plus faible.

La tension de polarisation sera donc moins élevée (figure 6).

La courbe I est translatée en II où l'on remarque que VF' < VF pour une température T' > T.

Temperature_caracteristique_d_une_diode.gif

Le reste de la courbe ne change pratiquement pas. La tension de seuil diminuant, on peut interpréter cela comme une amélioration de la diode.

Dans la partie 2, l'augmentation de température favorise de façon sensible la création des porteurs minoritaires, par conséquent, une augmentation du courant IR.

Cette action est plus gênante dans ce cas car elle altère le phénomène de conduction unilatéral.

Ce phénomène est encore plus accentué avec le germanium, à tel point que l'on peut utiliser ce défaut pour détecter des variations de température.

La diode dont nous avons parlé jusqu'à présent est celle dite de redressement (pour des intensités IF importantes) ou de signal (quand le courant IF reste infèrieur à 100 mA).

Toutes les diodes de redressement sont réalisées avec du silicium ainsi qu'une grande partie des diodes de signal. Toutefois, on en utilise encore qui sont réalisées à partir du germanium, elles sont dites : à pointes. La jonction est faite différemment. Le tableau de la figure 6 bis donne les principales caractéristiques, d'une diode au germanium à pointe, d'une diode au silicium à pointe et d'une diode silicium à jonction.

On observe, dans ce tableau, pour des tensions inverses sensiblement identiques, des courants inverses très différents.

Caracteristiques_pour_3_diodes.gif

La diode à contact pointe au silicium a un courant inverse 60 fois plus faible que dans une diode réalisée avec du germanium. Quant à la diode à jonction, au silicium, son courant inverse est 1200 fois plus faible, mais dans ce cas, il faut prendre en compte une amélioration technologique car, cette dernière est de réalisation plus récente.

On peut constater également que ce courant inverse est 2 fois plus élevé pour la diode 30 P1 lorsque la température passe de 25° C à 55° C (DT de 30° C).

Pour la diode 17 P2, le courant inverse est multiplié par un facteur 200 lorsque la température passe de 25° C à 150° C (DT = 125° C). A cette température de 150° C, ce courant reste comparable à celui observé dans une diode à pointe au germanium à 55° C. A noter que cette diode ne supporterait pas une température de 150° C.

Pour la diode à jonction au silicium, il y a une augmentation de ce même courant d'un facteur 2000 pour une différence de température de 125°. Celui-ci reste inférieure au courant inverse de la diode germanium à 55° C.

Ne figure pas sur ce tableau, la variation de la tension VF en fonction de la température, car ce genre de diode est utilisé pour le traitement des signaux (diode de signal). Le courant d'utilisation moyen étant de 50 mA, pour la diode 30 P1, la tension VF passe de 0,58 V à 0,55 V.

Pour la diode 1N914B (ou 1N4148), la tension VF passe de 0,9 V à 0,75 V (pour IF = 50 mA) quand la température passe de 25° C à 150° C.

A cette valeur de courant, on est encore loin de la valeur maximum admise ; c'est pourquoi dans cette utilisation, la variation de VF n'est pas préoccupante.

Pour terminer, sachez que certaines diodes supportent des tensions inverses de plusieurs milliers de volts (VRM = 40 000 V ; IF = 3 A ; VF = 44 V).

D'autres sont prévues pour des courants directs de plusieurs milliers d'ampères (VRM = 2 000 V ; IF = 2 000 A ; VF = 1,35 V ; IF pendant 10 ms = 15 000 A).

2. 3. - DIODES ÉLABORÉES A PARTIR DE PHÉNOMÈNES REMARQUABLES DE LA JONCTION

      a) La diode varicap

Nous savons que la barrière de potentiel s'élargit quand la jonction est polarisée en inverse. Cette variation est proportionnelle à la tension VR appliquée. Si on assimile cette épaisseur de la barrière au diélectrique d'un condensateur, on peut dire :

      - que plus les électrodes sont écartées, plus la valeur du condensateur est faible (à surface égale et matériau identique).

Dans le cas de la jonction, plus la tension inverse va augmenter, plus la barrière de potentiel s'élargit et plus sa capacité va diminuer.

Ceci correspond pour une valeur de VR de 30 V, par exemple, à une capacité de l'ordre de 3 pF.

Si VR est égale à 3 V, cette même capacité prend la valeur de 30 pF.

Ce phénomène est mis à profit avec les diodes varicap (variation de capacité).

En théorie, cette variation de capacité peut aller de quelques picofarads à un millier de picofarads.

En pratique, elle est limitée de quelques picofarads à une cinquantaine de picofarads. On peut atteindre un rapport de 6 entre la valeur minimale et la valeur maximale.

On utilise ces diodes dans les systèmes d'accord électronique (circuits PLL avec oscillateur commandé par tension) ou les systèmes multiplicateur de fréquence.

      b) La diode zener

La tension d'avalanche, que l'on connais désormais, est mise à profit dans certaines diodes pour servir de référence de tension.

Ce phénomène est réversible, à condition que l'effet cumulatif n'entraîne pas la destruction de la jonction par échauffement.

Les physiciens ont su limiter cet échauffement par un dopage approprié et une géométrie particulière des jonctions.

Il faut noter que pour ces diodes, deux effets sont utilisés :

  • l'effet zener pour les très faibles tensions (inférieures à 6 V)

  • l'effet d'avalanche au-delà de 6 V.

Si l'on injecte dans une telle diode un courant inverse correspondant au franchissement du seuil d'avalanche, des variations importantes de ce courant se traduiront par une tension pratiquement constante aux bornes de la diode tant que l'on restera au delà de la tension d'avalanche.

Ces diodes seront, par conséquent, utilisées comme éléments de référence dans les alimentations de tensions continues régulées.

Elles seront utilisées dans les systèmes écrêteurs. Le signal appliqué à ces diodes n'est pas affecté tant qu'il n'atteint pas le seuil ou coude de zener. Au delà, l'impédance des diodes devenant très faible, le signal est écrêté.

La tension zener de certaines de ces diodes peut atteindre plusieurs centaines de volts. D'autres sont réalisées pour des courants inverses de plusieurs ampères.

      c) Les photodiodes - les photopiles

Dans les semi-conducteurs, l'agitation thermique est source créative de paires électrons / trous. Une autre énergie peut aboutir au même résultat : la lumière.

Une diode, polarisée en inverse, est le siège d'un courant très faible dû aux porteurs minoritaires. Si, dans le boîtier de cette diode, on pratique une fenêtre, la lumière qui va atteindre la jonction augmente le nombre de porteurs minoritaires. Cette augmentation se traduit par une élévation du courant inverse.

Nous sommes en présence d'un détecteur de rayonnement lumineux. C'est la photodiode.

Le courant inverse et le courant de conduction dû au champ électrique e engendré par le déplacement des porteurs majoritaires.

Dans une jonction, la répartition des atomes ionisés crée un champ électrique e.

Ils agissent donc comme le ferait la tension d'une pile. Si on place aux bornes de la jonction un voltmètre dont l'impédance est assez élevée, on peut apprécier cette tension.

Lorsqu'un rayonnement lumineux vient frapper la jonction, si le courant inverse tend à augmenter, tout se passe comme si la tension créatrice du champ e devenait plus grande. Cette augmentation est mise en évidence par le voltmètre. Si le circuit extérieur à la jonction possède une impédance suffisamment grande, nous pouvons constater l'effet de photopile.

      d) La diode LED

La polarisation dans le sens direct s'accompagne d'une émission de lumière.

Le courant de diffusion des porteurs majoritaires, se traduit par le déplacement d'électrons libres de la zone N vers la zone P où ils se recombinent avec les trous de cette zone, en entrant dans le maillage.

Selon les matériaux, ces recombinaisons s'accompagnent d'une émission de protons, dont la fréquence de vibration, propre au matériau, conduit à des émissions de lumière de couleurs différentes. C'est le principe de la diode LED (Light Emetting Diode se qui signifie diode à émission de lumière).

      e) La diode tunnel

Il s'agit d'un semi-conducteur très dopé et qui possède une jonction très mince.

Elles conduisent en inverse et en direct jusqu'à une certaine valeur de IF. Puis quand VF continue d'augmenter, IF décroît. C'est cette plage de résistance négative qui est utilisée, entre autres, dans les amplificateurs UHF ou en commutation très rapide.

      f) La diode Schottky

Elle est constituée d'un semi-conducteur et d'un métal. Elle présente une capacité de jonction très faible, elle trouve son utilisation dans les circuits à très haute fréquence.

      g) La diode P.I.N.

Elle est caractérisée par une tension d'avalanche VBR élevée. La capacité de la jonction reste très faible et la résistance série parasite est fonction de la période du signal appliqué. Elle est utilisée pour ce phénomène dans les circuits de modulation en haute fréquence.

Tous ces composants sont pratiquement utilisés en électronique numérique, ils furent même à l'origine de certains systèmes logiques complets (logique à diodes).

Les photodiodes associées aux diodes LED sont très utilisées dans les systèmes dits : opto-coupleurs.

Ceux-ci permettent d'isoler galvaniquement des circuits dont les potentiels sont très différents.

La fibre optique associée à ces deux éléments permet de transporter des informations numériques dans des milieux très perturbés ou à haut risque (poudreries, houillères...).

 

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