ÉLECTRONIQUE DES CIRCUITS INTÉGRÉS DIODES DOCUMENT DE SYNTHÈSE Ressources pédagogiques: http://cours.espci.fr/site.php?id=37 Forum aux questions : https://iadc.info.espci.fr/bin/cpx/mforum et cliquer sur Électronique dans la liste des forums
1 I. PROPRIÉTÉS 1) Caractéristique courant-tension Définitions des régimes de fonctionnement Polarisation directe : potentiel de la zone p > potentiel de la zone n. Polarisation inverse : potentiel de la zone p < potentiel de la zone n. Propriétés Polarisation directe : le courant varie exponentiellement en fonction de la tension. Polarisation inverse : le courant est très petit ( na µa), et varie peu avec la tension appliquée, tant que la valeur absolue de la tension appliquée est inférieure à celle de la tension de rupture inverse. 2) Modèle de la diode pour les nuls Figure 1 Régimes de fonctionnement Diode passante : parcourue par un courant positif, tension à ses bornes égale à 0,6 Volt indépendamment du courant. Diode bloquée : courant nul, tension à ses bornes inférieure à 0,6 Volts. Figure 2
2 3) Modèle réaliste de la diode en polarisation directe Caractéristique courant-tension (à connaître par cœur) : I = I S exp qv kt 1 q charge de l électron 1,6 10-19 Coulomb, k constante de Boltzmann (1,4 10-23 J K -1 ), T température absolue. I S dépend de la géométrie et du dopage de la diode considérée. Ordre de grandeur à connaître par cœur kt/q 25 mv à la température ambiante (300 K). Justification du modèle de la diode pour les nuls : pour I S = 0,5 pa I V 1 ma 0,53 Volt 10 ma 0,59 Volt 100 ma 0,65 Volt 1000 ma 0,71 Volt Mise en œuvre du modèle réaliste de la diode : Figure 3 4) Grandeurs caractéristiques d une diode Tension de rupture inverse Courant direct en fonction de la tension Courant inverse Capacité différentielle Temps de «recouvrement inverse» Voir Figure 4.
3 Figure 4 II. APPLICATIONS 1) Redressement a/ Redressement simple alternance Nécessite une seule diode (Figure 5). Propriétés Une alternance sur deux est supprimée. 50% de l énergie fournie par le générateur est perdue. Seuls des signaux d amplitude supérieure à 0,6 Volts peuvent être redressés.
4 Figure 5 b/ Redressement double alternance Nécessite au moins deux diodes. On utilise fréquemment un «pont de diodes» constitué de 4 diodes (Figure 6). Propriétés Une alternance sur deux est redressée. Seuls des signaux d amplitude supérieure à 1,2 Volts peuvent être redressés. Animation : http://www.stielec.ac-aix-marseille.fr/cours/ipes/red_mono/red_mono.htm 2) Redressement et filtrage Objectif Engendrer une tension continue à partir d une tension alternative. Utilisation la plus fréquente : engendrer une tension continue pour l alimentation de composants actifs à partir de la tension alternative du secteur («alimentation stabilisée»).
5 Figure 6 Méthode Redresser la tension alternative à l aide d un pont redresseur et appliquer la tension de sortie à un condensateur «de filtrage». Lorsque les diodes du pont redresseur sont bloquées, le condensateur (de capacité C) se décharge dans la résistance de charge R C. Si la constante de temps R C C est grande devant la période du signal redressé, la tension aux bornes du condensateur est à peu près constante, à une «ondulation résiduelle» près (Figure 7). Inconvénients : l ondulation résiduelle dépend de la résistance de charge, donc de l intensité délivrée par l alimentation, le procédé nécessite un condensateur de filtrage de capacité importante, donc volumineux. Pour remédier à ces inconvénients, on met en œuvre des régulateurs, utilisant notamment des diodes Zener (voir section suivante). Informations complémentaires et animation : http://subaru2.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electro/redfilt2.html http://subaru2.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electro/redress.pdf
6 Figure 7 3) Diode Zener (régulation) Figure 8 Définition Une diode Zener est une diode qui est conçue pour être utilisée au voisinage de sa tension de rupture inverse, appelée «tension de Zener». Contrairement aux diodes «de redressement» considérées dans la section précédente, les diodes Zener ne sont pas utilisées pour redresser des signaux. Propriété Une diode Zener peut être modélisée, au voisinage de son point de fonctionnement, comme une source de tension dont la valeur nominale est sa tension de Zener, et dont la résistance interne r Z est très faible (quelques ohms).
7 Application L application principale des diodes Zener est la régulation de tensions préalablement redressées et filtrées. Figure 9 Compléments théoriques et animation : http://subaru2.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/electro/zener.html III. Autres diodes usuelles Diodes électroluminescentes Photodiodes Diodes Schottky