Diode

La diode est un composant électronique. C'est un dipôle non-linéaire et polarisé. Le sens de branchement de la diode a par conséquent une importance sur le fonctionnement du montage.



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Définitions :

  • Une diode électroluminescente est un composant électronique qui émet une lumière quand elle est parcourue par un courant électrique. Les modems, et en particulier les modems ADSL, comportent différentes diodes indiquant l'état de fonctionnement de l'appareil et de la connexion. (source : assistance.orange)

La diode (du grec di deux, double ; hodos voie, chemin) est un composant électronique. C'est un dipôle non-linéaire et polarisé (ou non-symétrique). Le sens de branchement de la diode a par conséquent une importance sur le fonctionnement du montage.

Il existe de nombreuses familles de composants électroniques dont la désignation contient le mot diode et tous ces composants sont réalisés autour d'une jonction P-N.
Sans précision supplémentaire, ce mot sert à désigner un dipôle qui ne laisse passer le courant électrique que dans un sens. Ce dipôle est aussi nommé diode de redressement car il est utilisé pour réaliser les redresseurs qui permettent de transformer le courant alternatif du secteur en courant continu.

Symbole d'une diode dans un circuit
Différents types de diode

Historique

Avant l'avènement des semi-conducteurs, les diodes existaient sous la forme de tubes électroniques nettement moins pratiques à mettre en œuvre.

Applications usuelles

Électronique

Les diodes sont utilisées dans des montages redresseurs et écrêteurs essentiellement.
Comme composant discret (composant utilisé isolément), elles peuvent servir de détrompeur dans un circuit où la polarité est indispensable au bon fonctionnement en empêchant la circulation du courant dans le mauvais sens.

Électrotechnique

Les diodes sont un des dipôles de base de l'électronique de puissance.

Les diodes sont souvent utilisées dans le domaine de redressement de courant alternatif :

Fabrication

Les diodes sont fabriquées à partir de semi-conducteurs. Leur principe physique de fonctionnement est utilisé dans de nombreux composants actifs en électronique.

Une diode est créée en accolant un substrat riche en électrons libres (semi-conducteur type N, métal) à un substrat déficitaire en électrons (semi-conducteur type P, trous majoritaires).

Une diode est la jonction de deux semi-conducteurs : l'un dopé "P" l'autre dopé "N".

Seule la diode Gunn échappe à ce principe : n'étant constituée que d'un barreau monolithique d'AsGa, son appellation diode doit être reconnue comme un abus de langage.

Fonctionnement théorique

La diode, à la manière d'un clapet, ne permet le passage du courant que dans un sens. C'est un dipôle polarisé, l'anode et la cathode sont par conséquent repérées sur le composant.

Caractéristique

Courbes caractéristiques d'une diode normale et d'une diode parfaite, en convention récepteur.

Pour une diode "signal" (diode type "1N4148"), l'équation mathématique entre la tension "Vj" aux limites de la diode et le courant "I" qui la traverse est la suivante :

                          I = Io . [ exp (Vj/Vo) - 1]

avec :

     Vo = 26 mV à T = 293 K   (T: température de jonction)
     Io = constante spécifique au type de diode considéré (Io a la dimension d'un courant)

Modélisation de la diode avec la caractéristique :

Avec la caractéristique on peut modéliser une diode passante par l'association d'une force électromotrice U_S \, (la tension de seuil) qui s'oppose au passage du courant en série avec une résistance R_D \, (la résistance dynamique).

La diode dont la caractéristique dans le sens passant est représentée ci-dessus peut être modélisée par l'association de U_S = 0,72 V \, et R_D = 30 m\Omega \,. La résistance dynamique de la diode est la pente de sa caractéristique.

Dans certain cas il sera judicieux de négliger l'un ou l'autre de ces paramètres :

Quand la diode est dite idéale, on suppose implicitement que ces deux paramètres sont nuls.

Principe de fonctionnement

Lors de l'aboutement des deux cristaux, les électrons surabondants de la partie N ont tendance à migrer vers la partie P pour y boucher les «trous». Il se crée alors une zone sans porteur de charge, isolante, nommée zone de déplétion. Il existe par conséquent, à l'équilibre thermodynamique, une différence de potentiel entre la partie N et la partie P (dite potentiel de jonction)  ; celle-ci est de l'ordre de 0, 7 V pour les diodes à substrat silicium, 0, 3 V pour le germanium et les diodes Schottky ; elle est plus importante pour certains substrats type III-V comme GaAs ou les diodes électroluminescentes. Le champ électrique est maximal aux abords de la jonction, dans une zone nommée zone de charge d'espace, ZCE.

Si désormais on applique une tension positive côté N et négative côté P, la jonction «se creuse» : les électrons de la section N sont attirés vers l'extrémité du barreau, un phénomène symétrique se produit côté P avec les trous : la ZCE couvre, aucun courant ne peut circuler, la diode est dite «bloquée» ; elle se comporte alors comme un condensateur, une propriété mise à profit dans les varicaps, diodes dont la capacité fluctue selon la tension inverse qu'on leur applique ; elles sont utilisées entre autres dans la réalisation d'oscillateurs commandés en tension (OCT, anglais VCO).

Diode Zener

Ces deux phénomènes, dont la prédominance résulte de la concentration en dopant, donnent lieu à la naissance d'un courant inverse important et non limité, qui aboutit fréquemment à la destruction du cristal par effet Joule : la diode présente en effet une résistance particulièrement faible dans cette plage de fonctionnement. Si ce courant est limité au moyen de résistances externes, la diode en avalanche se comporte alors, du fait de sa faible résistance interne, comme un générateur de force contre-électromotrice quasi-parfait : cette propriété est à l'origine de l'utilisation des diodes dites Zener dans la régulation de tension continue. On peut aussi utiliser une diode Zener comme source de bruit.

En revanche, quand on applique une tension «directe», c'est-à-dire qu'on applique une tension positive du côté P et négative du côté N, pourvu que cette tension soit supérieure à la barrière de potentiel présente à l'équilibre, les électrons injectés du côté N franchissent l'interface N/P et terminent leur course soit en se recombinant avec des trous, soit à l'anule : le courant circule, la diode est dite «passante».

Quand un électron «tombe» dans un trou (recombinaison), il passe d'un état libre à un état lié ; il perd de l'énergie (différence entre le niveau de valence et le niveau de conduction) en émettant un photon ; ce principe est à l'origine des diodes électroluminescentes ou DEL, dont le rendement dépasse énormément celui des sources de lumière domestiques : lampes à incandescence, lampes à halogène. Une DEL dont le substrat a été façonné pour servir de réflecteur aux photons peut donner lieu à du pompage optique, aboutissant à un rayonnement laser (Diode laser).

Le fonctionnement d'une diode n'est pas simple à appréhender quand on n'a pas fait d'études à caractère scientifique. Une manière plus simple et imagée pour comprendre le fonctionnement d'une diode est de réaliser une ressemblance avec l'hydrodynamique. Considérez une canalisation pourvue d'un clapet anti-retour. Dans un sens, à partir d'une certaine pression du fluide, le clapet va laisser passer le fluide (ressemblance avec la tension de seuil). Dans l'autre sens, le fluide ne fera pas ouvrir le clapet, sauf si la pression est trop forte (ressemblance avec la tension inverse maximale). L'ressemblance peut être poussée, et on peut trouver des correspondances avec l'ensemble des autres caractéristiques d'une diode (puissance, allure de la caractéristique... ). La diode est aussi utilisée pour la régulation de puissance électrique.

Autres types de diode

La diode à effet tunnel sert à désigner une diode dont les zones N et P sont hyper-dopées. La multiplication des porteurs entraîne la naissance d'un courant dû au franchissement quantique de la barrière de potentiel par effet tunnel (une telle diode a une tension de Zener nulle). Sur une faible zone de tension directe, la diode présente une résistance négative (le courant diminue quand la tension augmente, car la conduction tunnel se tarit au profit de la conduction «normale»), une caractéristique exploitée pour réaliser des oscillateurs. Ce type de diode n'est presque plus employé aujourd'hui.

La diode Gunn consiste en un simple barreau d'arséniure de gallium (GaAs) , et exploite une propriété physique du substrat : les électrons s'y déplacent à des vitesses différentes (masse effective différente) suivant leur énergie (il existe plusieurs minima locaux d'énergie en bande de conduction, suivant le déplacement des électrons). Le courant se propage alors sous forme de bouffées d'électrons, ce qui veut dire qu'un courant continu donne naissance à un courant alternatif ; convenablement exploité, ce phénomène sert à réaliser des oscillateurs micro-ondes dont la fréquence se contrôle à la fois par la taille du barreau d'AsGa et par les caractéristiques physiques du résonateur dans lequel la diode est positionnée.

Une diode PIN interpose, entre ses zones P et N, une zone non-dopée, dite intrinsèque (d'où I). Ces diodes, polarisées en inverse, présentent des capacités extrêmement faibles, des tensions de claquage élevées. Par contre, en direct, la présence de la zone I augmente la résistance interne ; celle-ci, dépendante du nombre de porteurs, diminue lorsque le courant augmente : on a par conséquent une résistance (alternative) variable, contrôlée par une intensité (continue). Ces diodes sont par conséquent soit utilisées en redressement des fortes tensions, soit en commutation UHF (du fait de leur faible capacité inverse), soit en atténuateur variable (contrôlé par un courant de commande continu).

La photodiode génère un courant à partir des paires électrons-trous produites par l'incidence d'un photon suffisamment énergétique dans le cristal.

La diode électroluminescente ou led, en premier lieu cantonnée aux signalisation économe en courant, gagne depuis les années 2000 le monde de l'éclairage (lampes de poche, éclairages de secours, balisage) depuis qu'on a pu en fabriquer dans le début des années 90 des bleues, puis des blanches. Certaines (DELLs au nitrure de gallium ou GaN) sont déjà assez puissantes pour des phares de voitures et lampadaires (peut-être solaires, comme dans le PNR du Luberon) et un projet européen vise à en faire des éclairages domestiques (20% de la production électrique allemande alimente l'unique éclairage) capables de rivaliser avec les lampes basse consommation des années 1990-2000.

nanoDEL

Des nanoDELs devrait surtout en Europe dans le cadre d'un programme SMASH [1] faire l'objet dès 2010 de recherches soutenues par la Commission européenne jusqu'en 2013 (12 millions €) [2].

Types de diodes

Applications des diodes

Diodes d'usage général et de puissance

Diodes électroluminescentes

Diodes gunn

Diodes varicap

Voir aussi

Liens externes

Notes et références

  1. (SMASH ; Smart Nanostructured Semiconductors for Energy-Saving Light Solutions), programme de 3 ans coordonné par OSRAM Opto Semiconductors GmbH (Allemagne)
  2. Dépêche IDW, Communiqué de l'Université technique de Braunschweig - - 08/01/2010 et Bulletin ADIT Allemagne numéro 466 (15/01/2010)

Recherche sur Amazone (livres) :



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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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