Diodes: jonction PN, polarisation, redressement, Zener
Ce cours approfondi traite des diodes, des composants semi-conducteurs essentiels en électronique. Nous étudierons en détail la jonction PN, les différents types de polarisation, les applications de redressement et les caractéristiques des diodes Zener. La compréhension des diodes est fondamentale pour concevoir et analyser une grande variété de circuits électroniques. Nous utiliserons MathJax pour faciliter la compréhension des formules.
La Jonction PN
La jonction PN est la base de la diode. Elle est formée en joignant un semi-conducteur de type P (dopé avec des accepteurs, créant des trous) et un semi-conducteur de type N (dopé avec des donneurs, créant des électrons). À l’interface, les électrons du côté N se recombinent avec les trous du côté P, créant une zone de déplétion dépourvue de porteurs libres. Un champ électrique se forme dans cette zone, empêchant tout flux de courant supplémentaire en l’absence de tension externe.
\( W \propto \sqrt{V_{bi} – V} \)
Où \(V_{bi}\) est le potentiel de barrière intégré de la jonction PN.
La caractéristique courant-tension idéale de la diode est donnée par l’équation de Shockley:
\( I = I_S (e^{\frac{V}{nV_T}} – 1) \)
Où :
- I est le courant de diode
- \(I_S\) est le courant de saturation inverse
- V est la tension aux bornes de la diode
- n est le facteur d’idéalité (généralement entre 1 et 2)
- \(V_T\) est la tension thermique (\(V_T = \frac{kT}{q} \approx 26 \text{ mV à température ambiante}\))
Exemple 1: Calcul du Courant de Diode
Une diode a un courant de saturation inverse de \(10^{-12} \text{ A}\) et un facteur d’idéalité de 1. Calculez le courant de la diode à une tension directe de 0.7 V à température ambiante.
Solution: Nous utilisons l’équation de Shockley : \( I = I_S (e^{\frac{V}{nV_T}} – 1) \) En substituant les valeurs : \( I = 10^{-12} (e^{\frac{0.7}{1 \times 0.026}} – 1) \approx 10^{-12} (e^{26.92} – 1) \approx 10^{-12} \times 4.31 \times 10^{11} \approx 0.431 \text{ A} \) Le courant de la diode est d’environ 0.431 A.
Exemple 2: Influence de la Température sur le Courant de Saturation Inverse
Le courant de saturation inverse d’une diode double tous les 10°C. Si \(I_S = 1 \text{ nA}\) à 25°C, quelle est la valeur de \(I_S\) à 55°C ?
Solution: L’augmentation de température est de 30°C, soit 3 intervalles de 10°C. Donc, le courant de saturation inverse est multiplié par \(2^3 = 8\). \(I_S (55^\circ C) = 8 \times I_S(25^\circ C) = 8 \times 1 \text{ nA} = 8 \text{ nA} \) Le courant de saturation inverse à 55°C est de 8 nA.
Polarisation de la Diode
La polarisation d’une diode se réfère à l’application d’une tension externe à la jonction PN. Il existe deux types de polarisation :
- Polarisation directe: La borne positive de la source de tension est connectée au côté P de la diode, et la borne négative est connectée au côté N. Cela réduit la largeur de la zone de déplétion, permettant au courant de circuler facilement lorsque la tension dépasse une certaine valeur (la tension de seuil, généralement d’environ 0.7 V pour le silicium).
- Polarisation inverse: La borne positive de la source de tension est connectée au côté N de la diode, et la borne négative est connectée au côté P. Cela élargit la zone de déplétion, empêchant le flux de courant (à l’exception d’un petit courant de fuite) jusqu’à ce que la tension inverse atteigne une valeur critique (la tension de claquage).
| Polarisation | Tension Appliquée | Comportement |
|---|---|---|
| Directe | Positive (V > 0) | Conduit le courant (si V > V_seuil) |
| Inverse | Négative (V < 0) | Bloque le courant (sauf courant de fuite) |
Exemple 3: Analyse d’un Circuit avec Diode Polarisee en Direct
Une diode en silicium (V_seuil = 0.7 V) est connectée en série avec une résistance de 1 kΩ et une source de tension de 5 V. Calculez le courant dans le circuit.
Solution: En supposant que la diode est polarisée en direct, la tension aux bornes de la résistance est \(V_R = V_{source} – V_{diode} = 5 – 0.7 = 4.3 \text{ V} \) Le courant dans le circuit est \( I = \frac{V_R}{R} = \frac{4.3}{1000} = 0.0043 \text{ A} = 4.3 \text{ mA} \) Le courant dans le circuit est de 4.3 mA.
Exemple 4: Analyse d’un Circuit avec Diode Polarisee en Inverse
Une diode a un courant de fuite de 10 nA lorsqu’elle est polarisée en inverse avec une tension de -10 V. Calculez la puissance dissipée par la diode.
Solution: La puissance dissipée est \( P = V \times I = 10 \times 10 \times 10^{-9} = 10^{-7} \text{ W} = 100 \text{ nW} \) La puissance dissipée est de 100 nW.
Redressement
Le redressement est une application importante des diodes. Il consiste à convertir une tension alternative (AC) en une tension continue (DC). Les circuits de redressement utilisent la caractéristique unidirectionnelle de la diode pour bloquer le courant dans une direction et le laisser passer dans l’autre.
Il existe plusieurs types de circuits de redressement :
- Redressement simple alternance: Utilise une seule diode pour ne laisser passer que la moitié positive (ou négative) de la tension AC. C’est le type de redressement le plus simple, mais il est peu efficace.
- Redressement double alternance: Utilise un pont de diodes ou un transformateur à point milieu pour utiliser les deux moitiés de la tension AC. Il est plus efficace que le redressement simple alternance.
- Redressement filtré: Utilise un condensateur pour lisser la tension DC redressée, réduisant les ondulations.
| Type de Redressement | Nombre de Diodes | Efficacité | Tension de Sortie (DC) |
|---|---|---|---|
| Simple Alternance | 1 | Faible | \(V_{peak} / \pi\) |
| Double Alternance (Pont) | 4 | Moyenne | \(2V_{peak} / \pi\) |
Diodes Zener
Les diodes Zener sont des diodes spécialement conçues pour fonctionner en polarisation inverse dans la région de claquage. Contrairement aux diodes ordinaires, les diodes Zener maintiennent une tension constante (la tension Zener, \(V_Z\)) lorsqu’elles sont polarisées en inverse au-delà de leur tension de claquage, ce qui les rend utiles pour la régulation de tension.
Les diodes Zener sont utilisées dans les circuits de régulation de tension pour maintenir une tension de sortie constante malgré les variations de la tension d’entrée ou de la charge.
Exemple 5: Régulateur de Tension avec Diode Zener
Une diode Zener avec \(V_Z = 5.1 \text{ V}\) est utilisée dans un régulateur de tension. La tension d’entrée varie de 8 V à 12 V, et la résistance série est de 200 Ω. Calculez le courant minimum et maximum à travers la diode Zener si la résistance de charge est de 1 kΩ.
Solution: Courant à travers la résistance de charge: \(I_L = \frac{V_Z}{R_L} = \frac{5.1}{1000} = 5.1 \text{ mA}\) Courant total minimum: \(I_{min} = \frac{V_{in,min} – V_Z}{R_S} = \frac{8 – 5.1}{200} = 14.5 \text{ mA}\) Courant Zener minimum: \(I_{Z,min} = I_{min} – I_L = 14.5 – 5.1 = 9.4 \text{ mA}\) Courant total maximum: \(I_{max} = \frac{V_{in,max} – V_Z}{R_S} = \frac{12 – 5.1}{200} = 34.5 \text{ mA}\) Courant Zener maximum: \(I_{Z,max} = I_{max} – I_L = 34.5 – 5.1 = 29.4 \text{ mA}\) Le courant minimum à travers la diode Zener est de 9.4 mA et le courant maximum est de 29.4 mA.