Athénée Royal de Pepinster. Electrotechnique. La diode à jonction

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1 La diode à jonction I Introduction La diode est le semi-conducteur de base. Son fonctionnement est assimilable à celui d un interrupteur qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens. C est la diode qui va permettre de redresser le courant alternatif issu du secteur et autoriser la fabrication d alimentations stabilisées. En transmission de données, elle nous permet de démoduler simplement un signal modulé en amplitude. Dans la catégorie des diodes, on trouve aussi des diodes de régulation (diodes Zener) qui ont un comportement de source de tension. Dans ce cours, nous n étudierons que les diodes à jonction dites de signal. Nous aborderons les notions de point de polarisation, droite de charge statique et fonctionnement dynamique. II La jonction P-N: diode à jonction Une diode à jonction est la juxtaposition de deux semi-conducteurs, l un de type P et l autre de type N : Symbole électrique : Convention récepteur : V D et I D sont positifs. La diode à jonction -1-

2 Nous allons étudier le comportement électrique de la diode: que se passe t-il lorsqu on applique une tension aux bornes de la diode? Le comportement d une diode peut se déduire de sa caractéristique électrique courant tension. III Caractéristique statique d une diode - Caractéristique courant tension III.1 Relevé expérimental On observe l évolution du courant traversant la diode en fonction de la tension à ses bornes à l aide du montage expérimental suivant : La tension continue E est variable. En polarisation directe: La tension varie de 0 à +Emax. Les mesures nous donnent : La diode à jonction -2-

3 Première constatation: la caractéristique est non linéaire En polarisation inverse : La tension E varie de -E max à 0. Les mesures nous donnent : III.2 Interprétation de la caractéristique La caractéristique nous indique que la diode est un dipôle non linéaire. - En polarisation directe: La croissance du courant en fonction de la tension est d abord exponentielle, puis elle tend à devenir linéaire : en prolongeant la partie rectiligne AB, cette droite coupe l axe des tensions en un point d abscisse Vo (voir figure ci contre) : La diode à jonction -3-

4 Pour une diode au silicium Vo = 0,6V à 0,7V. Pour une diode au germanium Vo = 0,3V. On constate la présence d un seuil réel de tension Vs au dessous de laquelle le courant I D reste nul. Pour la diode 1N914, on a Vs = 0,5V. On préfère utiliser le seuil pratique de tension qui est l abscisse Vo définie précédemment. Cette valeur est plus importante que Vs : elle va nous permettre de linéariser la caractéristique. On dit que la diode est passante ou conductrice (elle laisse passer le courant) dès que la tension V D aux bornes de la diode devient supérieure ou égale à Vo. La diode est alors polarisée en directe et le courant croît assez rapidement au delà de la tension Vo. - En polarisation inverse : - Le courant croît très lentement avec la tension inverse. Cet effet est dû à un mauvais isolement de la jonction donnant naissance à des courants de fuite. Le courant inverse est très faible (de l ordre du nano ampère) et on pourra le négliger (Id = 0). On dit que la diode est bloquée : elle ne laisse pas passer le courant, Id=0. La diode est alors polarisée en inverse. Claquage d une jonction (polarisation en inverse) : Le courant inverse augmente très fortement au delà d une certaine tension inverse, appelée tension de claquage (elle varie entre 10 et 1000 Volts suivant le type de diode). L emballement thermique qu entraîne la tension de claquage détruit la diode dans la plupart des cas. La diode à jonction -4-

5 IV Modélisation de la diode en régime statique L équation de la caractéristique statique de la diode n est pas très simple ni très pratique. On va donc chercher à modéliser la diode. Le modèle doit être un compromis entre la simplicité et la fidélité. - Simple : on ne retient que les caractéristiques, grandeurs importantes pour le montage étudié. - Fidèle : le modèle utilisé doit fournir des résultats valables, réalistes. IV.1 Diode avec seuil et résistance En directe, la caractéristique est une exponentielle au départ, puis elle tend à devenir linéaire. On peut donc assimiler la caractéristique à une droite à partir de V d = V o. On rappelle que Vo est l abscisse obtenue en prolongeant la partie rectiligne AB de la courbe réelle. La diode à jonction -5-

6 En inverse, on néglige le courant qui est très faible : I D = 0 La diode à jonction -6-

7 IV.2 Diode avec seuil On néglige la résistance interne de la diode et on ne tient compte que de sa tension de seuil. La diode est alors équivalente à une source de tension continue idéale Vo (en directe) : V D = Vo quel que soit la valeur du courant I D. IV.3 Diode idéale On néglige la tension de seuil et la résistance interne de la diode. Ce modèle est utile pour des pré-calculs, surtout si les diodes sont dans des circuits où les tensions sont élevées (Vo est alors négligeable devant les autres tensions du circuit). La diode est assimilée à un court-circuit en polarisation directe et à un circuit ouvert en polarisation inverse. La diode à jonction -7-

8 V Point de polarisation, droite de charge, régime dynamique V.1 Droite de charge statique Soit le montage suivant : La droite d équation Vd = E - R.Id représente la droite de charge statique du montage. La diode à jonction -8-

9 L intersection Po entre la droite de charge statique et la caractéristique de la diode représente le point de fonctionnement du circuit encore appelé point de polarisation. V.2 Fonctionnement en régime variable : régime dynamique On superpose à la tension continue E un petit signal alternatif d amplitude maximale e o (e o est faible) : La diode à jonction -9-

10 Le point de polarisation Mo «se déplace», sur la caractéristique de la diode, au maximum entre M1 et M2. On constate que i D (t) et v D (t) sont sensiblement sinusoïdaux. On peut alors considérer que le système travaille en régime linéaire. La tension aux bornes de la diode subit donc de petites variations autour du point de fonctionnement Po (de même que le courant). La portion de courbe entre M1 et M2 peut en effet être assimilée à un segment de droite dont la pente est appelée résistance dynamique (ou résistance différentielle) de la diode : La diode à jonction -10-

11 Tant que l on travaille sur la petite portion M1, M2 de la caractéristique de la diode, on peut modéliser cette dernière, en régime dynamique, par sa résistance r d. Attention : La résistance dynamique est une caractéristique qui dépend du point de polarisation considéré. Si on modifie le point de polarisation, la résistance dynamique va varier. Cette notion n a de sens que pour des petits signaux (e o << E). VI Utilisation des diodes VI.1 Redressement (principe utilisé dans les alimentations continues) Nous allons étudier le principe de fonctionnement du redressement simple alternance. Le montage est le suivant : VI.1.1 Détermination de l état électrique de la diode On suppose que la diode est idéale. On utilise donc la caractéristique idéale qui nous donne : Condition de blocage: Vd <0 et Id = 0 Condition de conduction: Vd = 0 et Id >0 L équation propre au circuit est: ve(t) = Vd + R.Id = Vd + Vs La diode à jonction -11-

12 Hypothèse: la diode est bloquée => Id = 0 d où Vs = 0 d où Vd = Ve < 0 La diode est bloquée pour l alternance négative de ve(t) et on a alors Vs = 0. Hypothèse: la diode est passante => Vd = 0 d où ve(t) = R.Id et Id >0 d où Vs = R.Id = ve(t) La diode est passante pour l alternance positive de ve(t) et on a alors Vs = ve(t). La diode à jonction -12-

13 VI.2 Filtrage de la tension redressée La tension redressée est fortement ondulée. Pour réduire cette ondulation, on procède à un filtrage de la tension redressée à l aide d une capacité placée en parallèle sur la charge R. Le circuit étudié est donc : A t=0 (mise sous tension), la capacité est déchargée. On a donc vs(t) = vc(t) = 0. D où ve(t) = v D (t) > 0: la diode est donc passante. La diode est passante => vd = 0 et id >0 d où ve(t) = vs(t) > 0 Ainsi, la capacité C se charge. Au delà de Te/4, la tension ve(t) commence à décroître (il y a changement de pente). Elle décroît plus rapidement que ne peut le faire la tension aux bornes de la capacité. On dit que la capacité freine l évolution de vs(t). On a donc ve(t) < vs(t) ce qui bloque la diode (vd < 0). Ainsi, à partir de t=t/4 la diode est bloquée => i D = 0 La capacité se décharge à travers R. Sa tension vs(t) va diminuer jusqu'à l instant où la tension ve(t) redevient plus grande que vs(t). Rappel: τ = R*C >> T, ainsi la capacité n a pas le temps de se décharger complètement sur une période T (vs(t) ne s annule pas). La diode à jonction -13-

14 En t = t2, on a ve(t) = vs(t) = Vs min Ainsi, à partir de t=t2 la diode conduit puisque vd = 0. La capacité se charge de nouveau jusqu en t3 instant où la tension ve(t) commence à décroître. En régime permanent, la tension vs(t) varie entre Vs max et V smin. La diode à jonction -14-