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