Tout sur les diodes
Une diode est un dispositif électrique permettant au courant de la traverser dans un sens avec beaucoup plus de facilité que dans l’autre. Le type de diode le plus courant dans la conception des circuits modernes est la diode à semi-conducteur, bien que d’autres technologies de diodes existent. Les diodes à semi-conducteurs sont symbolisées dans des diagrammes schématiques tels que la figure ci-dessous. Le terme « diode » est habituellement réservé aux dispositifs à petits signaux, I ≤ 1 A. Le terme redresseur est utilisé pour les dispositifs de puissance, I > 1 A.
Symbole schématique de la diode à semi-conducteur : Les flèches indiquent le sens du passage du courant.
Lorsqu’elle est placée dans un circuit simple de lampe à pile, la diode permet ou empêche le passage du courant dans la lampe, selon la polarité de la tension appliquée. (figure ci-dessous)
Fonctionnement de la diode : (a) Le passage du courant est autorisé ; la diode est polarisée en sens direct. (b) Le passage du courant est interdit ; la diode est polarisée en inverse.
Lorsque la polarité de la batterie est telle que le courant est autorisé à traverser la diode, celle-ci est dite polarisée en direct. À l’inverse, lorsque la batterie est « en arrière » et que la diode bloque le courant, on dit que la diode est polarisée en inverse. Une diode peut être considérée comme un interrupteur : « fermée » lorsqu’elle est en polarisation avant et « ouverte » lorsqu’elle est en polarisation arrière.
La direction de la « tête de flèche » du symbole de la diode pointe dans le sens du courant en flux conventionnel. Cette convention est valable pour tous les semi-conducteurs possédant des « têtes de flèche » dans leurs schémas. L’inverse est vrai en cas de flux d’électrons, où le sens du courant est contraire à la « pointe de flèche ».
Analogie du clapet anti-retour hydraulique
Le comportement du diode est analogue au comportement d’un dispositif hydraulique appelé clapet anti-retour. Un clapet anti-retour permet l’écoulement du fluide à travers lui dans une seule direction comme dans la figure ci-dessous.
Analogie du clapet anti-retour hydraulique : (a) Flux de courant autorisé. (b) Passage du courant interdit.
Les clapets anti-retour sont essentiellement des dispositifs actionnés par la pression : ils s’ouvrent et permettent le passage du courant si la pression qui les traverse est de la bonne » polarité » pour ouvrir la porte (dans l’analogie illustrée, une pression de fluide plus importante à droite qu’à gauche). Si la pression est de « polarité » opposée, la différence de pression à travers le clapet anti-retour fermera et retiendra la porte de sorte qu’aucun écoulement ne se produise.
Comme les clapets anti-retour, les diodes sont essentiellement des dispositifs actionnés par « pression » (actionnés par tension). La différence essentielle entre la polarisation directe et la polarisation inverse est la polarité de la tension chutée aux bornes de la diode. Examinons de plus près le circuit simple batterie-diode-lampe présenté précédemment, en étudiant cette fois les chutes de tension aux bornes des différents composants de la figure ci-dessous.
Mesures de tension du circuit de diode : (a) Biais avant. (b) Biaisé en sens inverse.
Configuration de la diode de polarisation en sens direct
Une diode de polarisation en sens direct conduit le courant et fait chuter une petite tension à travers elle, laissant la plupart de la tension de la batterie chuter à travers la lampe. Si la polarité de la batterie est inversée, la diode devient polarisée en inverse et fait chuter toute la tension de la batterie, n’en laissant aucune pour la lampe. Si l’on considère la diode comme un interrupteur à actionnement automatique (fermé en mode de polarisation directe et ouvert en mode de polarisation inverse), ce comportement est logique. La différence la plus substantielle est que la diode fait chuter beaucoup plus de tension lorsqu’elle conduit que l’interrupteur mécanique moyen (0,7 volt contre quelques dizaines de millivolts).
Cette chute de tension en polarisation directe présentée par la diode est due à l’action de la région de déplétion formée par la jonction P-N sous l’influence d’une tension appliquée. Si aucune tension n’est appliquée aux bornes d’une diode semi-conductrice, une fine région d’appauvrissement existe autour de la région de la jonction P-N, empêchant le passage du courant. (Figure ci-dessous (a)) La région de déplétion est presque dépourvue de porteurs de charge disponibles, et agit comme un isolant:
Représentations des diodes : Modèle de jonction PN, symbole schématique, partie physique.
Le symbole schématique de la diode est représenté sur la figure ci-dessus (b) de telle sorte que l’anode (extrémité pointue) correspond au semi-conducteur de type P en (a). La barre cathodique, extrémité non pointue, en (b) correspond au matériau de type N en (a). Notez également que la bande de cathode sur la partie physique (c) correspond à la cathode sur le symbole.
Configuration de la diode à polarisation inverse
Si une tension de polarisation inverse est appliquée aux bornes de la jonction P-N, cette région de déplétion s’étend, résistant davantage à tout courant la traversant. (Figure ci-dessous)
La région de déplétion s’étend avec la polarisation inverse.
Tension de polarisation directe
À l’inverse, si une tension de polarisation directe est appliquée aux bornes de la jonction P-N, la région de déplétion s’effondre en devenant plus mince. La diode devient moins résistive au courant qui la traverse. Cependant, pour qu’un courant soutenu traverse la diode, la région de déplétion doit être entièrement écrasée par la tension appliquée. Il faut pour cela une certaine tension minimale, appelée tension directe, comme l’illustre la figure ci-dessous.
L’augmentation de la polarisation directe de (a) à (b) diminue l’épaisseur de la région de déplétion.
Pour les diodes au silicium, la tension directe typique est de 0,7 volt, nominal. Pour les diodes au germanium, la tension directe n’est que de 0,3 volt. La composition chimique de la jonction P-N qui compose la diode est à l’origine de sa tension directe nominale, ce qui explique pourquoi les diodes au silicium et au germanium ont des tensions directes si différentes. La chute de tension directe reste approximativement constante pour une large gamme de courants de diode, ce qui signifie que la chute de tension de la diode n’est pas comparable à celle d’une résistance ou même d’un interrupteur normal (fermé). Pour la plupart des analyses simplifiées de circuits, la chute de tension aux bornes d’une diode conductrice peut être considérée comme constante au chiffre nominal et non liée à l’intensité du courant.
Équation de la diode
En réalité, la chute de tension directe est plus complexe. Une équation décrit le courant exact à travers une diode, étant donné la tension chutée aux bornes de la jonction, la température de la jonction et plusieurs constantes physiques. Elle est communément appelée l’équation de la diode :
Le terme kT/q décrit la tension produite au sein de la jonction P-N sous l’action de la température, et est appelé la tension thermique, ou Vt de la jonction. À température ambiante, cette tension est d’environ 26 millivolts. Sachant cela, et en supposant un coefficient de « non-idéalité » de 1, nous pouvons simplifier l’équation de la diode et la réécrire comme suit :
Il n’est pas nécessaire de connaître l' »équation de la diode » pour analyser des circuits simples à diodes. Comprenez simplement que la tension chutant aux bornes d’une diode conductrice de courant varie effectivement en fonction de la quantité de courant qui la traverse, mais que cette variation est assez faible sur une large gamme de courants. C’est pourquoi de nombreux manuels disent simplement que la chute de tension aux bornes d’une diode conductrice à semi-conducteurs reste constante à 0,7 volt pour le silicium et 0,3 volt pour le germanium.
Cependant, certains circuits utilisent intentionnellement la relation exponentielle inhérente courant/tension de la jonction P-N et ne peuvent donc être compris que dans le contexte de cette équation. En outre, puisque la température est un facteur dans l’équation de la diode, une jonction P-N polarisée en sens direct peut également être utilisée comme un dispositif de détection de la température, et ne peut donc être comprise que si l’on a une compréhension conceptuelle de cette relation mathématique.
Fonctionnement en polarisation inverse
Une diode en polarisation inverse empêche le courant de la traverser, en raison de la région de déplétion étendue. En réalité, une très petite quantité de courant peut traverser et traverse une diode à polarisation inverse, appelée courant de fuite, mais elle peut être ignorée pour la plupart des objectifs.
La capacité d’une diode à résister aux tensions de polarisation inverse est limitée, comme pour tout isolant. Si la tension de polarisation inverse appliquée devient trop importante, la diode connaîtra un état connu sous le nom de claquage (figure ci-dessous), qui est généralement destructeur.
La tension de polarisation inverse maximale d’une diode est connue sous le nom de tension inverse de crête, ou PIV, et peut être obtenue auprès du fabricant. Comme la tension directe, la cote de PIV d’une diode varie avec la température, sauf que la PIV augmente avec l’augmentation de la température et diminue lorsque la diode devient plus froide – exactement l’inverse de la tension directe.
Courbe de la diode : montrant le genou à 0,7 V de polarisation directe pour Si, et le claquage inverse.
Typiquement, l’indice PIV d’une diode générique » redresseuse » est d’au moins 50 volts à température ambiante. Des diodes ayant un PIV de plusieurs milliers de volts sont disponibles pour des prix modestes.
REVUE:
- Une diode est un composant électrique agissant comme une valve à sens unique pour le courant.
- Lorsqu’une tension est appliquée aux bornes d’une diode de telle sorte que la diode laisse passer le courant, on dit que la diode est polarisée en direct.
- Lorsque la tension est appliquée aux bornes d’une diode de telle sorte que la diode interdit le courant, la diode est dite polarisée en inverse.
- La tension chutée aux bornes d’une diode conductrice polarisée en direct est appelée tension en direct. Forward voltage for a diode varies only slightly for changes in forward current and temperature, and is fixed by the chemical composition of the P-N junction.
- Silicon diodes have a forward voltage of approximately 0.7 volts.
- Germanium diodes have a forward voltage of approximately 0.3 volts.
- The maximum reverse-bias voltage that a diode can withstand without « breaking down » is called the Peak Inverse Voltage, or PIV rating.
RELATED WORKSHEETS:
- Rectigying Diodes Worksheet
- PN Junctions Worksheet