Diode

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Type de diode

Représentation symbolique d'une diode dans un circuit

La diode est un composant électronique qui ne laisse passer le courant électrique que dans un sens.

Sommaire

1 Historique
2 Applications usuelles
- 2.1 Électronique
- 2.2 Électrotechnique
3 Fabrication
4 Fonctionnement théorique
5 Types de diodes
6 Applications élémentaires des diodes
7 Voir aussi
- 7.1 Liens externes

[modifier] Historique

La diode fut inventée en 1904 par John Ambrose Fleming; elle se présentait sous la forme d'un tube électronique ("valve").

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

[modifier] Applications usuelles

[modifier] Électronique

Les diodes sont utilisées dans des montages redresseurs et écréteurs principalement.

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.

[modifier] Électrotechnique

Les diodes sont un des dipôles de base de l'électronique de puissance. Elles peuvent être utilisées en alternatif pour diminuer la puissance fournie par l'alimentation à un récepteur : en supprimant l'une des alternances, elles permettent de diviser par deux la puissance transmise à la charge pour un coût très modique. C'est ce principe qui est utilisé pour obtenir les deux puissances de chauffe des sèche cheveux, la diode étant ou non court circuitée par un interrupteur.

Elles sont fréquemment utilisées dans le domaine de redressement de courant alternatif :

redressement simple alternance : une seule diode est nécessaire.
redressement double alternance : on utilise pour cela un pont de diodes.

[modifier] Fabrication

Les diodes sont fabriquées à partir de semi-conducteurs, son 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 considérée comme un abus de langage.

[modifier] Fonctionnement théorique

[modifier] Caractéristique

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

Caractéristique de la diode : Courbe de I(Ud)

Caractéristique idéale de la diode : Courbe de I(Ud)

[modifier] 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 lors une zone sans porteur de charge, isolante, appelée zone de déplétion. Il existe donc, 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 appelée zone de charge d'espace, ZCE.

Si maintenant l'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 s'étend, 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 varie en fonction de la tension inverse qu'on leur applique ; elles sont utilisées entre autres dans la réalisation d'oscillateurs commandés en tension (OCT, anglais VCO).

les paires électrons-trous créées dans le substrat suite à l'agitation thermique, accélérées par le champ électrique externe, vont pouvoir acquérir une énergie cinétique suffisante pour arracher, par choc contre le réseau cristallin, d'autres électrons, etc. (effet d'avalanche) ;

l'énergie du champ électrique devient suffisante pour permettre aux électrons de valence de passer en bande de conduction (effet Zener). Ces derniers franchissent la jonction par effet tunnel.

Diode Zener

Ces deux phénomènes, dont la prédominance résulte de la concentration en dopant, donnent lieu à l'apparition d'un courant inverse important et non limité, qui aboutit souvent à la destruction du cristal par effet Joule : la diode présente en effet une résistance très 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, lorsque l'on applique une tension « directe », c'est-à-dire que l'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'anode : le courant circule, la diode est dite « passante ».

Lorsqu'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 considérablement 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 apréhender lorsqu'on 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 analogie avec l'hydrodynamique. Considérez une canalisation munie d'un clapet anti retour. Dans un sens, à partir d'une certaine pression du fluide, le clapet va laisser passer du fluide (analogie avec la tension de seil). Dans l'autre sens le fluide ne fera pas ouvrir le clapet. Sauf si la pression est trop forte (analogie avec la tension inverse maximale). L'analogie peut être poussée, et on peut trouver des correspondances avec toutes les autres caractéristiques d'une diode (puissance, allure de la caractéristique...)

[modifier] Autres types de diode

La diode à effet tunnel désigne une diode dont les zones N et P sont hyper-dopées. La multiplication des porteurs entraîne l'apparition 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 lorsque 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 quasiment plus employé actuellement.

La diode Gunn consiste en un simple barreau d'arséniure de gallium (AsGa), 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 signifie qu'un courant continu donne naissance à un courant alternatif ; convenablement exploité, ce phénomène permet de réaliser des oscillateurs microonde 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 placée.

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. En revanche, en direct, la présence de la zone I augmente la résistance interne ; celle-ci, dépendante du nombre de porteurs, diminue quand le courant augmente : on a donc une résistance (alternative) variable, contrôlée par une intensité (continue). Ces diodes sont donc 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.