EL_CHap3

7/25/2019 EL_CHap3

1/23

Chapitre 3

FICHE DU TROISIEME CHAPITRE

Titre :

LES DIODES

Objectif :

Comprendre les Rappeler le fonctionnement des diodes.

Expliquer le fonctionnement des circuits diodes.

Pr-requis :

Lois et thormes gnraux de l'lectronique.

Clsses :Niveau des !.".E.#.

El!e"ts #e c$"te"u :

"emi$conducteurs %& et N

(onction &$N

)finition d'une diode

&olarisation Caractristiques limites d'utilisation

Etude de quelques circuits diodes.

Cours Electronique/M. Ben AMMAR ISET de Sfax 2

7/25/2019 EL_CHap3

2/23

Chapitre 3

LES DIODES

% - &"rlits%'% - Les se!i-c$"#ucteurs

Les semi$conducteurs sont des matriaux %"ilicium* germanium ... qui* une tempratuream+iante %,-C* ne sont ni +on isolant ni +on conducteur. &lus que la temprature augmente

plus que la conducti+ilit d'un semi$conducteur est leve.

/n distingue deux t0pes 1les semi$conducteurs intrinsques2les semi$conducteurs extrinsques* o+tenu par dopage %t0pe & * #0pe N.

%'%'% - Se!i-c$"#ucteurs i"tri"s(ques

3n cristal de silicium ou de germanium pur %dans lequel chaque atome est form par un atomede silicium est un semi$conducteur intrinsque.

%'%') - Se!i-c$"#ucteurs extrinsques

Le dopageest l'a4out d'atome d'impuret un cristal pur pour augmenter le nom+re d'lectronsli+res %ou le nom+re de trous. 3n cristal dop s'appelle un semi$conducteur extrinsque.5uand les lectrons sont les porteurs ma4oritaires et les trous sont les porteurs minoritaires* les

semi$conducteur est de type % N pour ngatif 2 dans le cas contraire il est de type !%& pourpositif.

%') * +$"cti$" P,

"i on dope une partie d'un semi conducteur intrinsque avec des atomes - lectronspriphriques %le semi conducteur devient extrinsque de t0pe N et l'autre avec des atomes 6lectrons priphriques %extrinsque de t0pe &* on cre une 4onction* qui est la limite desparation entre les deux parties.


7/25/2019 EL_CHap3

3/23

Chapitre 3

La 4onction &N est la 7one de rencontre des semi$conducteurs de t0pes & et N. Les lectronsdu c8t N ont tendance diffuser dans toutes les directions. Certains d9entre aux diffusent travers la 4onction et forment la 7one de dpltion.

%')'%- quilibre s"s ."rteur'

"ig. #.$. %quili&re au ni'eau de la (onction.

Au voisinage de la jonction* les trous de la 7one & vont neutraliser les lectrons li+res de la7one N %il 0 a diffusion des charges. Ce phnomne va s'arr:ter quand le champ lectrique Eintcr par les atomes donneurs ou accepteurs %qui vont devenir respectivement des charges ; et$ va :tre suffisant pour contrarier le mouvement des charges mo+iles. Ceci constitue une

+arrire de potentiel pour les porteurs ma4oritaires. &ar contre* cette +arrire de potentiel vafavoriser le passage des porteurs minoritaires %conduction lectrique.Les deux courants antagonistes %diffusion des ma4oritaires et conduction des minoritaires

s'quili+rent et leur somme est nulle en rgime permanent et en l'a+sence de champ lectriqueextrieur.

%')')- A/ec u" ."rteur e" se"s #irect'

La +arrire de potentiel interne emp:che donc toute circulation de courant. "i on appliqueun champ externe l'aide d'un gnrateur en +ranchant le p8le ; sur la 7one & et le p8le $ sur la7one N* on peut annuler les effets du champ interne et permettre au courant de circuler 1 le

phnomne d'attraction des lectrons li+res de la partie N par les trous de la partie & %diffusionn'est plus contrari* et le gnrateur va pouvoir in4ecter des lectrons dans la 7one N et lesrepomper par la 7one &.

Le courant de conduction constitu par les porteurs minoritaires prend une valeur !findpendante du champ extrieur.

Le courant total est la somme des deux courants* soit pratiquement le courant direct d< auxporteurs ma4oritaires ds que la tension atteint la centaine de m=.

La diode est alors polarise dans le sens direct* et un courant relativement intense peutcirculer 1 de quelques di7aines de milliampres pour des diodes de signal quelques ampres

pour des diodes de redressement standard* voire des centaines d'ampres pour des diodesindustrielles de trs forte puissance.

aa A/ec u" ."rteur e" se"s i"/erse.


7/25/2019 EL_CHap3

4/23

Chapitre 3

"i on +ranche le gnrateur dans le sens inverse du cas prcdent* on renforce le champlectrique interne* et on emp:che le passage des porteurs ma4oritaires 1 les lectrons li+res sontrepousss dans la 7one N et les trous dans la 7one & 2 on accentue la sparation des charges%7one de dpltion.

&ar contre* les porteurs minoritaires %trous pour la 7one N et lectrons li+res pour la 7one &peuvent traverser la 4onction et re+oucler par le gnrateur 1 ils forment le courant inverse !fqui dpend essentiellement de la temprature.

Le champ extrieur repousse les charges qui vont se trouver une distance sensi+lementproportionnelle >=>* crant ainsi une capacit proportionnelle cette distance* donc >=>.Cette capacit est inhrente toute 4onction de semi conducteurs* et va constituer la principalelimitation %en rgime linaire tout du moins au fonctionnement haute frquence descomposants lectroniques %diodes* transistors et circuits intgrs les emplo0ant.

) - Di$#es 0 j$"cti$"

)'% - Dfi"iti$"

3ne diode 4onction est un dip8le non linaire dont le r8le dans la plus part des circuitslectriques est de ne laisser passer le courant lectrique que dans un seul sens.En tant que composant lectronique* une diode 4onction est une simple 4onction!enfermedans un +o?tier protecteur.

)') - S1!b$les

)*+lectrode reli+e , la -one ! est l*Anode.)*+lectrode reli+e , la -one est la catode.

"ig. #.. Sy0&oles de la diode , (onction..

)'2 - Crctristique c$ur"t3te"si$"'

- Crctristique .l$ble'

Le courant tant ngligea+le pour une tension =d @ =p$=n ngative 4usqu' la tension =c ditetension de claquage. Au dessus d'un certain seuil =o de tension =d positive* le courant directcroit trs rapidement avec =d.Le seuil =o %+arrire de potentiel dpend du semi conducteur intrinsque de +ase utilis. !l estd'environ B*,= pour le germanium et B*= pour le silicium.La caractristique a la forme suivante 1


A

K

A

K

A

K

A : Anode

K : Cathode

7/25/2019 EL_CHap3

5/23

Chapitre 3

"ig. #.#. Caract+ristique co0plte.

b - Crctristique #irecte 45#6 78

"ig. #.1. Caract+ristique directe d*une diode.

"ur ce t0pe de diode au silicium* le courant croit asse7 rapidement au del de B*D=. C'est unediode de redressement supportant A en direct et BB= en tension inverse.

Autour de zro'La caractristique passe par l'origine. &our =d ngatif* le courant tend rapidement vers la limite$!f %courant de fuite* car le courant de diffusion d< aux porteurs ma4oritaires va s'annuler.

c - Crctristique i"/erse 45#9 78 : P"$!("e #e clqu.e'

5uand la tension applique dpasse la valeur spcifie par le fa+ricant* le courant dcro?t

%attention 1 il est d4 ngatif trs rapidement. "'il n'est pas limit par des lments externes*il 0 a destruction rapide de la diode. )eux phnomnes sont l'origine de ce rsultat 1

phnone d!avalanche :quand le champ lectrique au niveau de la 4onction devient tropintense* les lectrons acclrs peuvent ioniser les atomes par chocs* ce qui li+re d'autreslectrons qui sont leur tour acclrs !l 0 a divergence du phnomne* et le courantdevient important.

phnone "ner 1 les lectrons sont arrachs aux atomes directement par le champlectrique dans la 7one de transition et crent un courant qui devient vite intense quand latension =d atteint une valeur =7 dite tension Fner.

"i on construit la diode pour que le phnomne Fner l'emporte sur le phnomne d'avalanche%en s'arrangeant pour que la 7one de transition soit troite* on o+tient une diode Fner. /n


7/25/2019 EL_CHap3

6/23

Chapitre 3

utilise alors cette diode en polarisation inverse. L'effet 7ner n'est pas destructif dans ce cas.Ces diodes sont trs utilises pour la rgulation de tension.

# - quti$"'

"ig. #.2. )in+arit+ de )og 3I4 fonction de 5.

La cour+e Gig. ,. % l'exception de la 7one de claquage rpond asse7 +ien la formulesuivante* explique par la thermod0namique statistique 1

/H 1Ifest le courant de fuiteqla charge de l'lectron @ *E$IC;constante de Jolt7man @ *6KE$,6 (MTtemprature a+solue

La loi logarithmique O est +ien illustre par les figures 6 et P. La cour+e exprimentales'loigne toutefois de la thorie aux forts courants* oH le modle n'a pas tenu compte d'autres

phnomnes dont les chutes de tension ohmiques dans le semi conducteur.A noter que sur la figure P* le courant maxi reprsent est gal au Bme admissi+le par cettediode.

e - Effet #e l te!

7/25/2019 EL_CHap3

7/23

Chapitre 3

"ig. #.6. R+sistance dyna0ique.

La rsistance d0namique tant l'inverse de la pente de la caractristique en un point donn* onpeut la dduire par drivation de la formule O 1

C'est la rsistance d0namique au point de fonctionnement %=d * !d. Elle est fonction ducourant de polarisation !d au point tudi.La figure - donne la valeur de rd en fonction de la tension de la diode 1 les variations sont trsimportantes.

)'= - 5leurs crctristiques li!ites

Le choix d'une diode se fait sur les catalogues des constructeurs* en tenant compte descaractristiques limites suivantes 1

=RRQ 1 tension inverse de pointe rptitive maximale 2=R"Q 1 tension inverse de pointe non rptitive maximale 2

!G@ !B 1 courant mo0en direct maximal 2!GRQ 1 courant de pointe direct rptitif maximum 2!G"Q 1 courant de pointe direct non rptitif maximum 2#( 1 temprature maximale de la 4onction.

)'> - A'% - %(reA

7/25/2019 EL_CHap3

8/23

Chapitre 3

"ig. #.7. Caract+ristique id+ale.

)'>') - )(!eA'2 - 2(!eA

7/25/2019 EL_CHap3

9/23

Chapitre 3

Crctristiques 5t0ax

; "acteur de for0e " < -D*,

===

r0oy

reff

I

I"

; Taux d?ondulation < ,*, == "


7/25/2019 EL_CHap3

10/23

Chapitre 3

2') * Re#resse!e"t #$uble lter""ce

2')'% * A/ec tr"sf$ #$uble e"r$ule!e"t'

"ig. #.$$. Redresse0ent a'ec transfo dou&le sortie.

Le montage prcdent prsente l9inconvnient de ne laisser passer que la moiti ducourant que peut dlivrer le transformateur. &our remdier cela* on utilise un transformateuravec deux enroulements secondaires que l9on c+le de manire ce qu9ils dlivrent destensions en opposition de phase sur les diodes./n notera la chute de tension dans les diodes 1 elle devient non ngligea+le quand les tensionsalternatives sont fai+les %P= cr:te dans l9exemple ci$dessus.)ans ce cas* tout se passe comme si on avait deux montages identiques celui de la Gig. I quifonctionnent l9un pour l9alternance positive* l9autre pour l9alternance ngative. /n vrifie +ien%Gig. et , que le courant dans la charge est tou4ours orient dans le m:me sens.

"ig. #.$. Alternance positi'e. "ig. #.$#. Alternance n+gati'e.

Les diodes sont plus sollicites que pour le montage simple alternance 1 en effet* la diode quine conduit pas devra supporter en plus de la tension aux +ornes de son secondaire detransformateur* la tension aux +ornes de la rsistance. Au total* elle devra supporter une

tension =Rdou+le de celle requise dans le montage simple alternance* soit deux fois latension cr:te prsente sur chacun des secondaires.

2')') * A/ec

7/25/2019 EL_CHap3

11/23

Chapitre 3

"ig.#.$1. Redresse0ent a'ec pont de diodes.

!l existe une autre manire de faire du redressement dou+le alternance* ne ncessitant pasun transformateur dou+le enroulement 1 on utilise P diodes montes en pont. )es ponts tous

faits sont disponi+les dans le commerce* permettant de rduire le nom+re de composants dumontage.

Lorsque la tension aux +ornes du transformateur est positive* ) et )P conduisent* et quandelle est ngative* ), et )6 conduisent %Gig. P et -.

"ig. #.$2. Alternance positi'e. "ig. #.$6. Alternance n+gati'e.

Chaque diode n9a supporter qu9une fois la tension cr:te du secondaire du transformateur%contre deux fois pour le montage prcdent* mais en revanche* on a deux tensions directes dediode en srie. La puissance totale dissipe dans les diodes est dou+le par rapport la solution

prcdente.

=aleurs caractristiques

; Tension 0oyenne aux &ornes de la carge < max

,L

B max

,

'sin%

, tT

ttr0oy

5

dtt5T55 ===

S Tension efficace aux &ornes de la carge

Documents

EL_CHap3