Qu’est-ce qu’une diode ? Diode en pratique Utiliser une LED

Les diodes sont des composants qui ne laissent passer le courant que dans un sens.

Sens qui est indiqué arbitrairement par une flèche. Les diodes sont formées de deux cristaux semi-conducteurs en Silicium (Si) ou en Germanium (Ge) accolés et dopés N et P. Le courant électrique circule dans le sens P ⇒ N.

Lorsque la diode est passante, l’anode est reliée au + et la cathode au –. En sens inverse, la résistance de la diode est très importante (plusieurs centaines de kΩ). La cathode de la diode est repérée au K (inversé dans notre schéma ci-contre) du dessin et par une bague de couleur sur le composant. Le boîtier métallique des diodes de puissance est relié à la cathode ; un pas de vis permet de fixer la diode sur un radiateur pour dissiper plus de puissance.

Courbes et caractéristiques de fonctionnement d’une diode

Les diodes ont une chute de tension dans le sens direct de 0,6 ou 0,7 V pour les diodes au Silicium et 0,3 V pour celles au Germanium. En sens direct, dès que la tension augmente au dessus du seuil (0,7 ou 0,3 V selon le cas), l’intensité dans la diode augmente très vite.

En sens inverse, les diodes ont une résistance interne très élevée : plus la tension est élevée, plus leur barrière de potentiel, isolante (voir plus loin en italique), s’élargit et plus faible est la valeur de la capacité : c’est l’effet Varicap.

Les diodes peuvent supporter des tensions inverses importantes jusqu’à leur tension de claquage ou d’avalanche (tension Zener).
A ce moment, la résistance de la diode devient nulle. Cet état peut être réversible (diode Zener) ou irréversible (destruction ou claquage d’une diode de redressement).

Le germanium et le silicium sont les cristaux semi-conducteurs les plus courants. Lorsqu’ils sont purs, ils ont une forte résistivité car ils ne possèdent pas d’électrons libres (pour le Silicium, ρ = 640 Ωm). En revanche, lorsque certains types d’impuretés comme l’antimoine (symbole chimique : Sb), l’arsenic (As), le bore (B) ou le gallium (Ga) sont introduits en quantités infimes (10^-8), le cristal devient conducteur. Les impuretés ajoutent des électrons libres ou, au contraire, des trous (manque d’électron) et dopent le cristal. Celui-ci sera de type N si des électrons libres sont ajoutés (N comme négatif, comme la tension des électrons libres) ou de type P si des trous sont ajoutés (P comme positif, comme la tension créée par le manque d’électrons).

Dans les cristaux dopés N, les électrons se déplacent en chassant les électrons déjà en place dans les atomes d’impureté et qui sont instables car ils ne sont pas liés à d’autres atomes. Dans les cristaux dopés P, ce sont toujours les électrons qui se déplacent mais, dans ce cas, ils bouchent les trous créés par les impuretés. Les trous sont des particules fictives qui se déplacent en sens inverse des électrons. La jonction est la frontière entre la zone du cristal dopée P et l’autre zone dopée N.

En l’absence de tension aux bornes de la diode, les électrons de la zone N se recombinent avec les trous de la zone P aux alentours de la jonction, créant la barrière de potentiel très résistante
(plusieurs MΩ) car aucun courant ne peut circuler. Lorsque la diode est alimentée en sens inverse (zone N reliée au + et zone P reliée au –), les électrons désertent la zone N, attirés par la tension positive et les trous de la zone P sont bouchés par les électrons apportés par la tension négative ; la diode devient très résistante et la barrière de potentiel s’élargit. En revanche, quand la diode est alimentée en sens direct, les électrons de la zone N sont attirés par le potentiel positif branché sur la zone P et se recombinent avec les trous présents de l’autre côté de la jonction. La tension de seuil est nécessaire pour que les électrons puissent « sauter » la barrière de potentiel. Chaque recombinaison trou/électron s’accompagne de l’émission d’un photon ou de chaleur (et donc de bruit dont le niveau variera en fonction du semi-conducteur employé).

Montage des diodes

Lorsque les diodes sont utilisées pour redresser du courant alternatif, elles sont associées à un condensateur électrochimique de forte valeur : le condensateur permet de lisser la tension à la sortie du redresseur.

Le redressement mono-alternance ne nécessite qu’une seule diode : seule une alternance traverse la diode.

Pour redresser les deux alternances du courant alternatif, on emploie soit un transformateur à point milieu et deux diodes soit un transformateur classique et un pont de diodes : un transformateur à point milieu coûte plus cher et tient plus de place qu’un transformateur classique mais la chute de tension dans un pont de diodes est double car le courant traverse deux diodes.

Dans le montage avec transformateur à point milieu, lors de la première alternance, la diode du haut du schéma est passante et le courant circule à partir de la masse dans la partie haute de l’enroulement du transformateur. Le courant ne peut aller que vers le condensateur car la diode du bas du schéma est à ce moment bloquée (sens non passant). Lors de la seconde alternance, le courant circule à partir de la masse dans la partie basse de l’enroulement du transformateur puis dans la diode du bas du schéma ; le courant est ensuite amené au condensateur car c’est au tour de la diode du haut d’être bloqué.

Dans le pont de diodes, les diodes sont toutes dans le même sens et leurs flèches sont dirigées vers le condensateur de filtrage. Lors d’une alternance, seules les deux diodes d’une diagonale du pont sont passantes et lors de l’autre alternance, seules les deux diodes de l’autre diagonale sont passantes.

La diode Varicap

reconnaissable à son double trait sur la cathode représentant le condensateur, est montée en sens inverse (non passant) et permet de remplacer un condensateur variable. Sa capacité est commandée par la tension inverse présente à ses bornes. Plus cette tension est élevée, plus la barrière de potentiel qui est isolante s’élargit, plus sa capacité est faible (effet de l’augmentation de l’épaisseur du diélectrique dans un condensateur). La diode Varicap sera montée avec des condensateurs qui isoleront sa tension de commande. Les diodes Zener sont parfois utilisées dans cette fonction car elles sont plus courantes (et moins chères) que les Varicap et leur capacité est plus forte que celle des simples diodes de redressement.

La diode Zener

reconnaissable à sa forme en Z (deux représentations possibles, voir ci-contre), est montée en sens inverse (non passant) et utilisée en stabilisateur de tension : lorsque la tension aux bornes de la charge est supérieure à la tension d’avalanche de la diode, elle devient brusquement passante : la tension diminue aux bornes de la charge puis la diode redevient isolante lorsque la tension est inférieure à sa tension d’avalanche. On peut comparer son fonctionnement à celui d’une soupape de cocotte-minute libérant de la vapeur lorsque la pression est trop importante.

Les LED

Une diode électroluminescente (abrégé en LED, de l’anglais : Light-Emitting Diode, ou DEL en français). Reconnaissables à leur éclair ou leurs flèches, émettent un photon à chaque recombinaison électron/trou dans la zone P de la diode (transition radiative). La couleur émise et la tension de seuil dépendent du semi-conducteur utilisé : infra-rouge = 1,5 V – arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) ; rouge = 2 V – AlGaAs ; vert = 3 V – nitrure de gallium (GaN) ; bleu = 3,3 V – carbure de silicium (SiC). Une résistance limite l’intensité à environ 20 mA.

Diode en commutation

Enfin, les diodes peuvent être utilisées comme des commutateurs pour courant alternatif et remplacent les relais électromécaniques. Dans le schéma ci-contre, lorsque l’interrupteur est ouvert, aucun courant ne passe dans la diode si le courant alternatif n’atteint pas la tension de seuil de la diode. Quand l’interrupteur est fermé, un courant parcourt la diode et la composante alternative passe au travers des deux condensateurs.

Les diodes PIN sont adaptées pour fonctionner dans les commutateurs HF à la place des diodes jonction classiques : ces diodes ont une courbe de réponse lente, obtenue en intercalant une couche semi-conducteur non dopée, donc isolante, entre les deux couches P et N, ce qui donne une jonction PIN (Positif, Isolant, Négatif). En cas de coupure de l’alimentation, la diode PIN reste passante plus longtemps qu’une diode jonction PN classique. De même, lorsque la diode PIN n’est pas alimentée, elle reste bloquée même lorsque la tension HF à l’entrée dépasse la tension de seuil (0,7V), contrairement à ce que fait une diode jonction PN au silicium.

Les diodes Schottky

Utilisées en HF dans les mélangeurs en anneau et dans les ponts de redressement d’alimentation (voir ci-dessous). Ces diodes, obtenues par la liaison entre un semi-conducteur et un métal (à la manière d’une détection à galène), permettent une commutation très rapide et génèrent une faible tension de seuil (0,25 V) mais elles ont une tension inverse limitée et un courant inverse plus élevé que les diodes jonction PN classiques.

Les diodes Gunn

placées en parallèle sur un résonateur (cavité) et une charge, étaient utilisées dans les oscillateurs hyperfréquence et dans les étages multiplicateurs hyperfréquence (à partir de 10 GHz). Leurs principaux défauts étaient l’instabilité en fréquence des cavités ainsi que leur bruit de phase élevé.

Diodes dans une alimentation

Les diodes au silicium font chuter la tension d’un peu plus de 0,7 volt à chaque passage, soit un peu plus de 1,4 volt en tout pour un redressement par pont de diodes, comme présenté ci-dessous. Le condensateur de filtrage maintient la valeur de la tension de sortie à sa valeur de crête.

Le courant dans les diodes n’existe que lors du « remplissage » du condensateur de filtrage puis, ensuite, que lors de sa « remise à niveau », c’est-à-dire un temps très court compris entre le moment où la sinusoïde atteint la tension du condensateur qui s’est déchargé et le maximum de la sinusoïde. Le courant instantané passant dans les diodes est donc nettement supérieur au courant moyen délivré par l’alimentation. Tant qu’aucun courant ne parcourt les diodes (aucune charge et aucun courant de fuite dans les condensateurs), celles-ci ne font chuter la tension : le condensateur est alors chargé à la valeur crête sans déduire 0,7 volt par diode. Après le condensateur de filtrage (de type chimique), on trouve un étage de stabilisation ou de régulation avant la charge. La charge est l’ensemble des équipements branchés sur l’alimentation.

La charge est vue par l’alimentation comme une résistance variable car les équipements branchés consomment une intensité variable pour une tension d’alimentation fixe. Un stabilisateur est monté en parallèle sur la charge (stabilisation par diode Zener, par exemple). Un régulateur est monté en série avec la charge après le condensateur et a besoin d’une tension de référence stabilisée. Dans les alimentations, les deux montages sont souvent combinés : un stabilisateur constitué d’une diode Zener donne la tension de référence au régulateur qui est bâti autour d’un (ou de plusieurs) transistor « ballast » monté en collecteur commun.