sciences et technologies de l'industrie et du développement durable Etude des caractéristiques des diodes CI1 : circuits logiques

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1 sciences et technologies de l'industrie et du développement durable Etude des caractéristiques des diodes Spe sin CI1 : circuits logiques TP 1. La diode 1.1. Découverte de jonction PN Russel Ohl étudiait les méthodes pour recevoir des ondes à une fréquence élevée. Les tubes qui constituaient les composants de l'époque étant trop lents pour répondre aux besoins, il se tourna alors vers l'étude des matériaux semi conducteur. Pour effectuer ses expériences il réalisait des plaquettes de semi conducteur. Un jour, en 1939, il constata qu'une plaquette avait un défaut (une fissure) et que cette plaquette défectueuse générait une tension et un courant lorsque cette dernière était éclairée. En étudiant cette plaquette, voulant comprendre le phénomène. Il constata que la fissure avait empêché l'uniformisation des impuretés dans le matériau. Il venait de découvrir la Jonction PN et les effets photovoltaïques Evolution et utilisation de la diode à jonction PN La jonction PN depuis sa découverte, a été l'objet d'un grand nombre d'études. Ces études ont permis la diversification des diodes, il serait exhaustif de toutes les citer, mais nous trouverons principalement : Signal Redressement Zéner * Schottky A effet tunnel TP_diode sin.docx Lycée Jules Ferry Versailles 1/10

2 2. Fonctionnement d'une diode à jonction PN Symbole et définitions Symbole : A D 1 K A : K : Anode Cathode i F v F i F : courant direct à l'état passant (F : Forward) v F : tension directe à l'état passant 2.2. Fonctionnement Constitution : Les composants électroniques utilisent les propriétés conductrices de certaines substances solides particulières appelées semi-conducteurs. Ces semi-conducteurs, dont le plus utilisé est le silicium (Si), sont des solides cristallisés. Ils se caractérisent par une disposition régulière des atomes qui les constituent. Pour un semi-conducteur intrinsèque, c est à dire un cristal pur, tous les électrons restent localisés au voisinage de leurs atomes respectifs. Il n y a pas d électrons libres et les cristaux covalents sont isolants. Toutefois cela n'est vrai qu'au 0 K (-273,15 C), dès lors que la température est supérieure, il y a un phénomène d'agitation thermique, certains électrons arrivent à se libérer laissant place à un trou. Si Si Si Trou (place vide) Si Si Si Electron libre, libéré de l attraction des noyaux Si Si Si Le dopage : Les propriétés d un cristal semi-conducteur peuvent être modifiées en ajoutant quelques atomes étrangers. Cette opération s appelle le dopage et peut être de deux types (P ou N), suivant la nature des atomes ajoutés (L'ajout est très faible, de 1 pour à 1 pour ). Pour créer une zone P, on ajoute des atomes trivalents (trous majoritaires) de type Bore ou Aluminium. Pour créer une zone N, on ajoute des atomes pentavalents (électrons majoritaires) de type phosphore ou Bore. En dopant une même pastille de Si en créant une zone P et une zone N, on crée une jonction PN. TP Lycée Jules Ferry Versailles 2/10

3 La jonction PN à l'équilibre : Le terme jonction PN désigne la surface de séparation entre deux régions de dopage différent. Les électrons libres, très nombreux dans la région N, diffusent dans la région P. De même les trous de la région P, diffusent dans la région N. Ces porteurs mobiles, de charges opposées, se recombinent dans une petite zone, dite de transition, qui s étend de part et d autre de la jonction. Dans la zone de transition, il n y a plus que des charges fixes ( - du coté P et du coté N), ce qui fait disparaître localement la neutralité électrique du matériau. Cette zone est aussi appelée zone de déplétion, car les porteurs mobiles ont quasiment disparus, ou encore zone de charge d espace. Zone de charge d espace P N Charges fixes (-) uniquement Charges fixes () uniquement Champ électrique résultant 2.3. Polarisation de la jonction Polarisation inverse : En polarisant négativement la région P et positivement la région N, la zone de charge d espace s élargit au fur et à mesure que la tension appliquée augmente. Le champ électrique résultant est encore plus grand qu avant la polarisation extérieure. Aucun électron ne peut passer de N vers P. P AUGMENTATION de la zone de charge d espace N Electrode Métallique Electrode Métallique Source de tension extérieure TP Lycée Jules Ferry Versailles 3/10

4 Polarisation directe : En polarisant négativement la région N et positivement la région P, la zone de charge d espace se réduit au fur et à mesure que la tension appliquée augmente. Le champ électrique résultant se réduit et de nombreux électrons peuvent passer de N vers P. Une jonction PN polarisée en direct est donc conductrice. Le courant qui la traverse est dû essentiellement à la diffusion des porteurs majoritaires (électrons de N attirés par les trous de P), il circule donc dans le sens de P vers N. P REDUCTION de la zone de charge d espace N Electrode Métallique Electrode Métallique Source de tension extérieure 2.4. Synthèse du fonctionnement d'une diode à jonction Une diode est un semi conducteur à commutation naturelle, elle laisse passer un courant limité par la résistance R lorsqu'elle est... et la chute de tension à ses bornes est de... Lorsqu'elle est polarisée en inverse, la courant qui la traverse est... et la chute de tension à ses bornes est négative et égale à... TP Lycée Jules Ferry Versailles 4/10

5 3. Etude expérimentale de la caractéristique statique d'une diode Caractéristique directe et inverse d'une diode. Schéma du montage d essai : La diode étudiée expérimentalement est de type : 1N4004 (diode de redressement) ma i F U R D1 1N4004 v F V Données constructeur : Préparation : Essais : Déterminer la valeur de la résistance R permettant de limiter le courant I F à 25mA lorsque l alimentation fournit sa tension maximale : 15V. Réaliser le montage. (Le faire vérifier) Relever la caractéristique directe de la diode I F = f (V F ) en faisant varier la tension de source U de 0 jusqu'à 15V. Pour cela, établir un tableau des relevés sous Excel. relever un maximum de points au voisinage de 0,5V. Inverser le sens de la diode sur le montage précédent. Vérifier que le courant dans la diode montée en inverse, est nul. Compléter le tableau précédent de la caractéristique I F = f (V F ) correspondant à la diode montée en inverse TP Lycée Jules Ferry Versailles 5/10

6 Exploitations : Tracer la caractéristique I F (V F ) à l'aide d'excel. La pente de la caractéristique I F (V F ) peut être assimilée à la résistance dynamique R d de la diode. Déterminer la valeur de cette résistance dynamique en utilisant R d = V F / I F. La précision apportée à la mesure doit être maximale. Peut-on assimiler une diode réel à l'état passant en linéarisant sa caractéristique avec le schéma équivalent suivant : V F0 I F R d V F0 V F Donner l'équation de V F en fonction de V F0, R d et I F. Calculer V F lorsque la diode est parcourue par un courant constant de 250mA. Le fait que la chute de tension ne soit pas nulle lorsque la diode est conductrice engendre -t-il des pertes? Calculer ces pertes pour I F = 250mA. Etude de la diode 1N4148 (diode de signal) Reprendre les mesures et l analyse précédente avec la diode 1N4148. Relever sur le même tableau I F (V F ). Tracer la caractéristique I F (V F ) à l'aide d'excel. Comparer les deux caractéristiques (valeur de V F0, R d,...) Déterminer la puissance perdue dans la diode pour Imoy = Ieff = 250mA. Etude de la diode BZXC5V1 (diode zéner) Reprendre les mesures et l analyse précédente avec la diode BZXC5V1. Relever sur le même tableau I F (V F ). Tracer la caractéristique I F (V F ) à l'aide d'excel. Que constatez vous lorsque la tension inverse atteint 5,1V? Est ce destructeur pour la diode? Conclusions D'après vos relevés, une diode de redressement ou de signal peut-elle véhiculer un courant inverse? Et pour une diode zéner? Peut-elle supporter une tension négative à l'état bloqué? Peut-on contrôler sa mise en conduction ou bien son blocage? Peut-on dire que la commutation d'une diode est naturelle? Les différences en régime statique sont-elles très importantes? quelle diode privilégieriez vous pour une application en régime statique ou lent? justifier la réponse. TP Lycée Jules Ferry Versailles 6/10

7 3.2. Modèles de la diode Le tableau suivant montre 4 modèles de la diode. Suivant l'étude que l'on souhaite mener, on choisit l'un des modèles. Modèle Caractéristique Utilisation Réel Ce modèle ne s'utilise que pour une utilisation particulière de la diode dans la zone au voisinage de 0. On peut utiliser la diode comme un capteur de température. Idéalisé ou semi réel R d I d = T k/q T T en degré K K constante de Boltzmann 1, q charge d'un électron -1, Classique Parfait TP Lycée Jules Ferry Versailles 7/10

8 4. Exemples d'utilisation 4.1. Montage redresseur simple alternance 4.2. Montage redresseur double alternance 4.3. La DEL La DEL est une diode électroluminescente qui émet une lumière de couleur précise lorsqu'elle est polarisé en direct. Attention, en inverse une diode DEL ne supporte qu'une faible tension de l'ordre de 3 à 5 V. TP Lycée Jules Ferry Versailles 8/10

9 5. Exercices d'application TP Lycée Jules Ferry Versailles 9/10

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