diodes

Une diode laisse passer le courant dans un sens de l'anode vers la cathode et pas dans l'autre .

Les diodes sont caractérisées par la tension de seuil et l' intensité maximal .

la diode conduit le courant en sens unique de l' anode à la cathode .De plus , la tension de l' anode doit être de 0,7 V supérieur à celle de la cathode pour que la diode conduise le courant ; cette tension s' appelle la tension de seuil .

Il y a une tension de seuil qui apparaît 0,6 V à 0,7 V environ pour une diode au silicium (0.4V pour une diode au germanium).

La zone où la diode est bloquée, c'est a dire que Vd < 0.7V
Dans cette zone, on peut considérer que le courant Id est nul, mais il ne l'est pas totalement.

La zone où la diode est passante, c'est à dire que Vd > 0.7V
Dans cette zone, Vd reste proche de la tension de seuil (0.7V), mais augmente légèrement avec le courant.

Le courant sera limité par le reste du circuit et ne doit pas dépasser la valeur maximale supportable par la diode , au risque de détruire celle-ci .

1.4.1.1.Le codage JEDEC des diodes est un code couleur qui ressemble a celui des résistantes.
La diode possède de 2 à 4 bagues. le nom de la diode se détermine de la façon suivante:
Le préfixe est généralement 1N
Le suffixe se détermine avec la couleur des bagues:

La bague la plus prés du bord et la plus épaisse indique le 1er chiffre ainsi que la cathode , viennent ensuite les bagues 2 ,3 ou 4.Si la premier bague est noir suivit de 2 bagues de couleur ne pas tenir compte , elle sert de repère pour la cathode ( Ex: noir , rouge , rouge seul les deux bagues rouge ont une signification).

Ce codage s' applique pour les composants semi-conducteurs (diodes , transistors , LED , phototransistors , circuits intégrés..).Il se compose d' une suite de lettres suivit de la référence du constructeur .

AA112 ; Diode signal au Germanium référence 112 .
BY228 ; Diode de redressement rapide au silicium référence 228 .

Pour les diodes zéners la 3 em lettre avec deux chiffre indique la série ( X55 , X84 , X85 , Y74 ...) puis la lettre après le signe - donne la tolérance du composant ( A = 1% , B = 2% , C = 5% , D = 10% , E = 20 % ) .

BZX55-C6V2 ; Diode zéner au silicium série X55 avec une tolérance ( C ) de 5% et de tension 6,2 Volts ( le V servant de virgule ).

BC 547 B ; Transistor au silicium référence 547 la dernière lettre indique le niveau de gain mais nous verront cela dans le chapitre Transistors .

1.4.1.3.Il y a des cas ou il n' y a rien de marqué dessus sauf un anneau noir pour repérer la cathode :

Mais assez souvent, les références sont directement écrites sur les diodes.

Par exemple, s' il y a 1N4148 c'est une diode de signal, c'est a dire qu'elle sert a transmettre des informations, elle est relativement rapide, mais elle ne supporte pas trop de courant (200 mA , 75V max ).Ont trouve aussi la diode 1N914 sur d' ancien schémas .

LL34 ou SOT23 représente le type de boîtier ; pour les boîtier LL34 ce sont des anneaux de couleurs qui indique le type de diode , pour les boîtiers SOT23 il a un code d'inscrit dessus ( JC , A7p , p5B , pA3 .... ) .De plus certains CMS peuvent contenir plusieurs diodes comme le montre la figure ci dessous .

Ce sont deux diodes dans un même boîtier avec un point commun ( Anode Commun Cathode ) .

TYPE	Tension Max	Intensité Max	Boîtier
1N4001	50v	1A	DO41
1N4002	100v	1A	DO41
1N4003	200v	1A	DO41
1N4004	400v	1A	DO41
1N4005	600v	1A	DO41
1N4006	800v	1A	DO41
1N4007	1000v	1A	DO41
1N5408	1000V	3A	DO27A
1N1348	600V	6A	DO4
BY229	1000V	7A	TO220

- les diodes zeners ou diode a effet de claquage conduisent le courant comme une diode classique mais aussi en inverse avec une tension de claquage précise.

- les diodes leds sont des diodes qui ont la particularité de s' éclairer ; suivant le type de fabrication elles seront rouge , jaune , verte , bleu .

- les diodes schottky sont plus rapide et peuvent conduire de fort courant .

- les diodes varicap se comportent comme des condensateurs dont la capacité varie avec la tension de polarisation de la diode.

1.6.1.les diodes de commutations servent à transmettre une information le plus souvent en tout ou rien.

Le circuit centrale 4017 envoi depuis ces sorties Q4 et Q9 des informations transmissent par D9 et D10 , si le switcher SW1B se ferme les diodes D15 et D16 peuvent modifier les informations sans que cela provoque un court circuit au niveau des sorties du 4017.

Dans cette exemple ont réalise une fonction ET à diode ; si e1 et e2 sont au + c'est a dire au niveau haut la sortie s = 1 donc aussi au niveau haut maintenant si e1 = 0 c'est a dire au niveau bas alors s = 0 et si e2 = 0 alors s = 0 .
Si e1 = 0 et e2 = 0 alors s = 0 ; pour ce montage il faut bien e1 ET e2 au niveau 1 pour que la sortie soit à 1.

Pour les fonctions logiques ET , OU , NAND , NI les explications ce trouveront dans les DOSSIERS NUMÉRIQUES.

Dans ce cas présent la diode sert de protection pour le transistor Q2 , en effet la bobine du relais induit un courant qui serait fatale pour le transistor .La diode court circuite le courant induit de la bobine mais ne laisse pas passer le courant lorsque Q2 est alimenté.

Ici ont utilise une diode de redressement comme dé trompeur ; pour éviter tout dégâts en cas de branchement de l' alimentation à l' envers .

Dans un cristal de silicium pur, chaque atome possède quatre électrons périphériques engagés dans des liaisons covalentes avec quatre atomes voisins. Si on remplace un atome de silicium par un autre d'un élément chimique n'ayant que trois électrons périphériques (par exemple du bore), un des atomes voisins de l'intrus se trouve privé de liaison et possède donc un électron non lié, susceptible de quitter l'atome et de conférer à l'environnement une charge négative. Un tel silicium sera dit " dopé n ". Dans le cas d'un intrus ayant cinq électrons (par exemple du phosphore), on obtient un excès de charges positives et le cristal est " dopé p ". Si on accole une région n et une région p, les électrons de la région n auront tendance à migrer vers la région p, mais, ce faisant, ils créent un déséquilibre de charge qui entraîne l'apparition d'un champ électrique intense au niveau de la jonction, où une étroite zone vide de charges, donc isolante, apparaît.

Si on relie les deux parties de la jonction à une source de tension, zone n vers le côté + et zone p vers le côté -, cette tension fait apparaître sur la zone isolante un champ électrique qui renforce le champ préexistant et augmente l'épaisseur de la barrière isolante : aucun courant ne peut passer. Si, en revanche, on renverse le sens des connexions, le champ résultant est de sens opposé au champ préexistant. Il s'en retranche, diminuant d'autant la barrière isolante jusqu'au moment où le champ change de sens, la barrière isolante ayant disparu : le courant peut alors circuler à travers la jonction.

Un tel dispositif, qui laisse passer le courant dans un sens et pas dans l'autre, constitue une diode, déjà utilisable en tant que telle pour transformer un courant alternatif en courant continu.

différents types de diodes, qui sont des composants non linéaires, permettent de réaliser des fonctions comme le redressement du courant, la stabilisation d'une tension, la création de tensions oscillantes, etc.

Le modèle le plus simple de diode est la jonction P-N, obtenue en juxtaposant dans un morceau de semi-conducteur (en général du silicium), une zone enrichie en atomes donneurs d'électrons (zone N) et une zone comportant des atomes accepteurs d'électrons (zone P). Par suite du déplacement des porteurs P et N à travers la frontière entre les deux zones, il se forme une barrière isolante, siège d'un champ électrique dirigé de N vers P. Lorsqu'on applique une différence de potentiel entre les deux zones, l'effet est radicalement différent suivant la polarité. Si le pôle positif de la tension appliquée est du côté N (polarisation inverse), le champ électrique résultant renforce le champ spontané de la jonction, augmentant la barrière isolante : aucun courant ne passe (il passe en fait un très faible courant, indépendant de la tension appliquée). À l'opposé, si le pôle positif est du côté P (polarisation directe), le champ de jonction s'affaiblit jusqu'à disparaître et le courant peut passer. Ce courant croît bien vite avec la tension appliquée et devient rapidement destructeur pour la jonction. On a ainsi réalisé un dispositif redresseur qui, alimenté par une tension alternative, ne laisse passer le courant que dans un sens. Cette fonction de rectification du courant constitue la principale application de ce type de diode.

Il existe d'autres types de diodes assurant d'autres fonctions, comme les diodes Zener, qui permettent une régulation de tension en imposant entre leurs bornes une tension indépendante du courant qui les traverse. On peut également citer les diodes tunnel, dont la caractéristique courant-tension (courbe donnant le courant qu'elles laissent passer en fonction de la tension appliquée) a une forme ondulante présentant une zone où le courant décroît lorsque la tension croît. Une telle caractéristique fortement non linéaire engendre dans un circuit adapté aux oscillations.

Cette section, essentiellement descriptive, a pour objet de donner au lecteur des modèles simples de semi-conducteurs intrinsèques et extrinsèques de type n ou de type p. La connaissance de ces modèles permet, par la suite, de rendre compte du comportement des dispositifs à semi-conducteurs tels que diode, transistor bipolaire, transistors à effet de champ, etc.

Un cristal de semi-conducteur intrinsèque est un solide dont les noyaux atomiques sont disposés aux noeuds d'un réseau géométrique régulier. La cohésion de cet édifice est assurée par les liens de valence qui résultent de la mise en commun de deux électrons appartenant chacun à deux atomes voisins de la maille cristalline. Les atomes de semi-conducteur sont tétravalents et le cristal peut être représenté par le réseau de la figure 1:

L'électron qui possède une énergie suffisante peut quitter la liaison de valence pour devenir un électron libre. Il laisse derrière lui un trou qui peut être assimilé à une charge libre positive; en effet, l'électron quittant la liaison de valence à laquelle il appartenait démasque une charge positive du noyau correspondant. Le trou peut être occupé par un autre électron de valence qui laisse, à son tour, un trou derrière lui: tout se passe comme si le trou s'était déplacé, ce qui lui vaut la qualification de charge libre. La création d'une paire électron libre - trou est appelée génération alors qu'on donne le nom de recombinaison au mécanisme inverse.

La température est une mesure de l'énergie cinétique moyenne des électrons dans le solide. On comprend dès lors que la concentration des électrons libres et des trous dépende très fortement de la température.

Le silicium a un nombre volumique d'atomes de 5× 10²² par cm³. A 300K (27° C), le nombre volumique des électrons libres et des trous est de 1,5× 10¹⁰ cm^-3, soit une paire électron libre - trou pour 3,3× 10¹² atomes.

Le nombre volumique des atomes dans le germanium est de 4,4× 10²² par cm³. A 300K, le nombre volumique des électrons libres et des trous est 2,5× 10¹³ cm^-3, soit une paire électron libre - trou pour 1,8× 10⁹ atomes.

2.2.1.2. Description: semi-conducteur extrinsèque de type n
Un semi-conducteur dans lequel on aurait substitué à quelques atomes tétravalents des atomes pentavalents est dit extrinsèque de type n (Fig. 2)

Quatre électrons de la couche périphérique de l'atome pentavalent prennent part aux liens de valence alors que le cinquième, sans attache, est libre de se mouvoir dans le cristal. L'électron libre ainsi créé neutralise la charge positive, solidaire du réseau cristallin, qu'est l'atome pentavalent ionisé.

Le dopage est l'action qui consiste à rendre un semi-conducteur extrinsèque. Par extension, ce terme qualifie également l'existence d'une concentration d'atomes étrangers: on parle de dopage de type n. On donne le nom d'impuretés aux atomes étrangers introduits dans la maille cristalline. Dans le cas d'un semi-conducteur extrinsèque de type n, les impuretés sont appelées donneurs car chacune d'entre elles donne un électron libre.

Les dopages courants sont d'environ 10¹⁶ à 10¹⁸ atomes par cm³. On peut admettre que le nombre volumique des électrons libres est égal au nombre volumique des impuretés et que le nombre volumique des trous (charges libres positives) est négligeable. Étant données ces considérations, on établit le modèle de semi-conducteur représenté à la figure 3 dans lequel n'apparaissent que les charges essentielles, à savoir: les électrons libres et les donneurs ionisés. Les charges fixes sont entourées d'un cercle.

Si l'on introduit des atomes trivalents dans le réseau cristallin du semi-conducteur, les trois électrons de la couche périphérique de l'impureté prennent part aux liens de valence, laissant une place libre. Ce trou peut être occupé par un électron d'un autre lien de valence qui laisse, à son tour, un trou derrière lui. L'atome trivalent est alors ionisé et sa charge négative est neutralisée par le trou (voir fig. 4). Le semi-conducteur est alors extrinsèque de type p.

Les impuretés, dans un semi-conducteur extrinsèque de type p. sont appelées accepteurs au vu de leur propriété d'accepter un électron situé dans un lien de valence.

On peut faire les mêmes considérations qu'au paragraphe 1.8 concernant le nombre volumique des trous: il est approximativement égale au nombre volumique des impuretés. Le nombre volumique des électrons libres est alors considéré comme négligeable. Il s'ensuit un modèle, représenté à la figure 5, dans lequel n'apparaissent que les charges prépondérantes: les trous et les accepteurs ionisés.

Le dopage non uniforme d'un semi-conducteur, qui met en présence une région de type n et une région de type p, donne naissance à une jonction pn. Dans la présente section, on étudie, qualitativement, les phénomènes qui ont pour siège la jonction pn. On donne également la relation exponentielle qui lie courant et tension dans une telle jonction.

2.2.2.1. Description
Soit le semi-conducteur à dopage non uniforme de la figure 6 qui présente une région p à nombre volumique d'atomes accepteurs constant suivie immédiatement d'une région n à nombre volumique de donneurs constant également. La surface de transition entre les deux régions est appelée jonction pn abrupte. Du fait de la continuité du réseau cristallin, les gaz de trous de la région p et d'électrons de la région n ont tendance à uniformiser leur concentration dans tout le volume à disposition. Cependant, la diffusion des trous vers la région n et des électrons libres vers la région p provoque un déséquilibre électrique si bien que, dans la zone proche de la jonction, la neutralité électrique n'est plus satisfaite. On trouve, dans la région p, des atomes accepteurs et des électrons, soit une charge locale négative, et dans la région n, des atomes donneurs et des trous, soit une charge locale positive. Il s'est donc créé un dipôle aux abords de la jonction et, conjointement, un champ électrique. Une fois l'équilibre atteint, ce champ électrique est tel qu'il s'oppose à tout déplacement global de charges libres.

2.2.2.2. Définitions
La région dans laquelle la neutralité n'est pas satisfaite est appelée zone de déplétion ou zone de charge spatiale alors que les autres régions sont dites régions neutres.

Le champ électrique interne créé par le dipôle est nommé champ de rétention de la diffusion car il s'oppose à toute diffusion des charges mobiles.

2.2.2.3. Assertion
Généralement, la concentration des charges mobiles dans la zone de charge spatiale est négligeable vis-à-vis du nombre volumique des charges fixes. On idéalise cet état de fait et l'on admet qu'il n'y a pas de charges mobiles dans la zone de déplétion (voir fig. 7).

2.2.2.4. Propriété
Il existe, entre la région p et la région n, une barrière de potentiel énergétique pour les charges mobiles. L'existence de cette barrière se traduit par une différence de potentiel électrique liée au champ de rétention de la diffusion.

Preuve

L'existence de la barrière de potentiel est mise en évidence par le travail W_p qu'il faut fournir pour faire passer un trou de la région neutre p à la région neutre n ou pour faire passer un électron en sens contraire (voir fig. 8)

Dans les diodes dites VARI CAP, on utilise la propriété de variation de la capacité de transition en fonction de la tension moyenne appliquée. On a recours à de tels éléments en radio, par exemple, pour réaliser des circuits oscillants dont la fréquence de résonance est réglée au moyen d'une tension.

La largeur de la zone de déplétion dépend de la hauteur de la barrière de potentiel et, par conséquent, de la tension appliquée. Or, pour varier les dimensions de cette zone, on doit introduire ou retirer des charges mobiles qui neutralisent les charges fixes des atomes ionisés. Dans la description de la jonction en régime dynamique, on traduit ce comportement capacitif par la notion de capacité de transition.

dans laquelle le paramètre m est compris entre 1/3, pour une jonction progressive linéaire, et 1/2, pour une jonction abrupte.

2.2.3.4 Définition
Soit Q_T la charge de la zone de déplétion dans la région neutre n. Un accroissement dU_B de la hauteur de la barrière de potentiel, égal à l'accroissement dU de tension appliqué à la jonction, provoque un accroissement dQ_T de la charge Q_T (voir figure 12).

On appelle capacité de transition la capacité différentielle définie par la relation:

2.2.3.5. Description
Comme pour tout condensateur plan, la capacité de transition se calcule d'après la relation:

ou e est la permittivité du semi-conducteur, A la section de la jonction et l la largeur de la zone de déplétion.

Comme la largeur de la zone de déplétion dépend de la tension U appliquée (12), la capacité de transition varie également en fonction de U selon la relation:

où C_T0 est la capacité de transition à tension nulle; elle a pour expression:

A la figure 13, on a représenté l'allure de la capacité de transition en fonction de la tension appliquée à la jonction.