Mis à jour le mardi 21 février 2017
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La diode

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Dans ce chapitre, nous allons nous éloigner légèrement des phénomènes que l'on a vus jusqu'à maintenant et nous diriger vers une branche incontournable de l'électronique : les semi-conducteurs...

La diode

Au temps de notre aire technologique, nous sommes fréquemment en présence d'une électronique bien particulière qui nous permet de jouir de ses bienfaits. Pour exemple, quelque chose de devenu complètement anodin : la lumière qui s'allume automatiquement avec la détection de présence.

Eh bien, imaginez seulement que vous disposiez d'un tel système dans vos toilettes ! Vous ouvrez la porte pour entrer dans vos toilettes et la lumière s'allume ! :magicien: Quel bonheur ! Mais le pire est à venir, car le contraire serait fâcheux ! Oui, dès lors que vous allumeriez la lumière la porte s'ouvrirait d'un seul coup et c'est la honte assurée ! :honte:

Afin de résoudre ce genre de problème (en réalité celui-ci n'existe pas, c'est un exemple pour bien vous montrer l'utilité de ce qui suit), les électroniciens ont inventé : la diode.

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Qu'est-ce que la diode ?

Une diode possède deux bornes : c’est un dipôle. Plus précisément, la diode est un dipôle passif non-linéaire et non-symétrique. L’intérêt principal de la diode, comme nous l’avons vu dans le chapitre sur les jonctions PN, est de ne laisser passer le courant que dans un sens, et pas dans l’autre. Ci-contre, vous pouvez admirer un modèle de diode extrêmement courant : la diode Silicium 1N4004.

Jusqu'à présent nous n'avons vu que des composants linéaires, c'est-à-dire qui ne modifiaient que l'amplitude ou la phase d'un signal appliqué à son entrée. Le comportement de la diode est donc une nouveauté pour nous.

Avant de commencer

Analogie : un clapet

L'analogie des fluides avec l'électronique est pratique car utilisable pour comprendre plusieurs phénomènes.

Pour ceux qui habitent près de marais salants, n'avez-vous jamais remarqué des espèces de "portes" qui séparent la mer des marais ? Ces portes permettent la régulation du niveau de l'eau dans le marais. Explications.

Lorsque l'eau du marais a un niveau plus élevé que celui de la mer, la porte s'ouvre pour laisser s'écouler ce surplus d'eau. A l'inverse, si le niveau de la mer est plus élevé que celui du marais, la porte se ferme pour éviter de retrouver ce surplus d'eau. Ce système agit donc comme un clapet qui laisse passer le courant hydraulique dans un sens unique.

Eh bien le fonctionnement des diodes est similaire à celui-ci. Si vous avez compris ce passage, alors vous avez tout compris (ou presque) !

Symbole

Les normes européenne et américaine adoptent le même et unique symbole pour la diode :

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Polarité

La diode possède deux bornes qui ont chacune un nom pour repérer le sens. Il s'agit de : l'anode et de la cathode, souvent désignées respectivement par A et K.

Sur le symbole, la cathode est la borne représentée par la barre verticale :

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Rappelez-vous les jonctions PN. L'anode correspond à la zone P et la cathode à la zone N.

Régime continu

Utilisation

Vous avez vu dans le chapitre précédent comment fonctionne un diode à l'échelle atomique. Maintenant, il va falloir apprendre à s'en servir ! Et rien de plus simple à l'horizon ! :)

Sens interdit

Vous vous souvenez de l'analogie que j'ai faite avec les marais ? Eh bien c'est ici l'occasion de mettre en pratique ce que j'avais expliqué.

La diode agit comme un clapet qui ne laisse passer le courant que dans un seul sens. Regardez plutôt :

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Figure 1 : diode polarisée correctement

La diode étant polarisée en direct, un courant circule, et donc l'ampoule s'allume.

Si on inverse le sens de la diode, celle-ci est alors polarisée en inverse. Aucun courant ne circule et la lampe reste éteinte :

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Figure 2 : polarisation inverse de la diode, l'ampoule reste éteinte

Pourquoi ça fonctionne ?

Tout est question de potentiel... Appelons $\(U_A\)$ et $\(U_B\)$ les potentiels respectivement à l'anode et à la cathode de notre diode :

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Figure 3 : potentiels aux bornes d'une diode

Pour que la diode soit passante, il suffit que le potentiel $\(U_A\)$ soit supérieur au potentiel $\(U_B\)$. Inversement, pour que la diode soit bloquée, le potentiel $\(U_B\)$ doit être plus grand que le potentiel $\(U_A\)$.

Caractéristiques

Tension de seuil

Lorsque vous soufflez dans un ballon de baudruche, vous devez vaincre son élasticité afin de le remplir d'air. Il en est de même pour la diode. (Non, ne soufflez pas dans la diode ça ne sert à rien et en plus vous paraitrez pour un(e) idiot(e) :-° )

Pour que la diode devienne passante il faut que le potentiel $\(U_A\)$ soit supérieur au potentiel $\(U_B\)$ d'une valeur correspondant au type de diode utilisé :

$\[U_A > U_B + U_{seuil}\]$

On appelle cette tension : tension de seuil. On dit aussi que la diode a un seuil de polarisation. Pour les diodes au silicium, la tension de seuil est en moyenne de 0,6V ; pour les diodes au germanium, elle est de 0,25V.

Donc si j'utilise une diode au silicium (ce qui est vrai dans la quasi-totalité des cas), pour que la diode soit passante, il faut que :

$\[U_A > U_B + U_{seuil}\]$

$\[U_A > U_B + 0,6V\]$

Voici la caractéristique d'une diode polarisée en direct. On voit que le courant commence à croitre dès la tension de seuil passée :

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Figure 4 : tension de seuil d'une diode (au silicium) polarisée en direct

Courant de fuite

Lorsque l'on polarise une diode en inverse, elle bloque le courant mais possède un léger défaut qui se nomme le courant de fuite. En fait, la diode laisse passer une infime partie du courant qui lui est admis en inverse. Autrement dit, elle ne bloque pas parfaitement le courant. Ce courant est tellement faible (quelques nano-ampère nA) qu'il est négligé dans quasiment la totalité des cas.

Tension de claquage

La tension de claquage est la tension pour laquelle la diode "claque" ou "grille" car la polarisation inverse a été trop forte. Heureusement, la diode ne claque pas dès qu'on la branche à l'envers puisque son but est justement d'éviter les inversions de polarité dans des montages (c'est un exemple, la diode a en effet plus de raison d'être utilisée que ça). Elle possède donc une tension de claquage qui se situe très haute pour certaines : elle est de l'ordre de 1000V, pour d'autre elle est de 60V. Tout dépend des caractéristiques de la diode choisie.

Voici la caractéristique d'une diode ayant une tension de claquage de 800V :

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Figure 5 : fonction de transfert d'une diode (les valeurs ne sont pas à prendre en compte, seul l'ordre de grandeur est important)

Sur ce graphique, on peut visualiser la tension de claquage et la tension de seuil. Attention cependant aux échelles qui sont différentes sur chaque axe !

Régime variable

Là, ça va être très simple : la diode a un comportement identique, que ce soit en régime continu ou en régime alternatif. Bon, nous allons quand même voir quelques fonctions réalisées par la diode en ce régime. Cette fois c'est bien du régime variable dont je vais parler, celui qui englobe le régime alternatif, périodique et quelconque.

Suppression d'alternance

Nous avons vu que la diode ne laissait passer le courant que si elle est polarisée en direct. Et bien que se passe-t-il si on lui fournit un signal alternatif ? o_O

Soit le montage suivant :

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Figure 6 : diode en régime variable - polarisation directe

Le signal appliqué aux bornes de la diode (et du résistor) est sinusoïdal (il pourrait très bien être carré, triangulaire ou quelconque ; ce qui importe c'est le principe) :

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Figure 7 : signal à appliquer au montage

A votre avis et d'après ce que je viens de vous apprendre, quelle sera l'allure du signal aux bornes du résistor ?

J'espère que vous avez cherché au moins !

Réponse :

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Figure 8 : signal appliqué à la diode, en bleu ; signal aux bornes du résistor, en rouge

Pourquoi le signal a cette forme ?

Pour répondre, il faut utiliser ce que l'on a vu précédemment. Analysons un peu.

1ère observation :
Les alternances négatives du signal de départ (signal bleu) ont disparu. La diode les a en effet bloquées car elle a eu à ce moment un potentiel plus élevé sur sa cathode que sur son anode :

$\[U_{cathode} > U_{anode}\]$

Par exemple, imaginons que la tension varie entre 5 et -5V. On sait tous que 0 (zéro) est supérieur à n'importe quel nombre négatif, donc :

$\[0V > - 5V\]$

La diode est par conséquent bien bloquée.

2ème observation :
Concentrons-nous sur les alternances positives. Le seuil de la diode (ici au silicium) joue un rôle sur la forme finale du signal. Ceci toujours à cause des potentiels. On a vu précédemment que le potentiel sur l'anode de la diode doit être supérieur au potentiel sur sa cathode plus la tension de seuil de la diode : $\(U_A > U_B + U_{seuil}\)$ pour que celle-ci devienne passante.

Dans notre cas, on a :

$\[U_A > U_B + U_{seuil}\]$

$\[U_A > 0V + 0,6V\]$

$\[U_A > 0,6V\]$

Donc, il faut que le potentiel sur l'anode de la diode soit d'au moins 0,6V pour que celle-ci devienne passante. Et c'est le cas lorsque le signal commence à "monter" et dépasse ce seuil.

La diode a supprimé l'alternance négative du signal.

Et si on branche la diode dans l'autre sens ?

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Figure 9 : diode en régime variable - polarisation inverse

Comme ceci ? A votre avis ? :pirate:

Réponse :

Il va se passer exactement la même chose que précédemment, mais le signal aura "perdu" ses alternances positives : il ne lui reste que les alternances négatives :

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Figure 10 : signal appliqué à la diode, en bleu ; signal aux bornes du résistor, en rouge

(Je vous dispense des explications, en espérant que vous avez compris le principe :-° )

La diode Zener

Préambule

Une diode Zener, c'est quoi ?

La diode Zener est une diode similaire à la diode standard. Elle ne conduit que dans un sens unique et dispose d'une tension de seuil. Bon, quel intérêt alors ? Eh bien son utilisation n'est fait qu'en la branchant "à l'envers". Ce que l'on cherche, c'est la tension de seuil inverse de la diode Zener.

Mais, tu ne nous as pas dit qu'une diode grille lorsqu'elle est branchée à l'envers ?

Euh, pas exactement. Ce que j'ai dit, c'est qu'une diode standard peut-être connectée à l'envers, mais qu'il ne faut pas lui appliquer une tension inverse plus grande que sa tension inverse supportée. Or, c'est justement ce que l'on recherche avec une diode Zener. En effet, une diode Zener s'utilise en polarisation inverse et lorsqu'on lui applique une tension supérieure à la tension inverse qu'elle peut supporter : elle claque !

Mais alors, quel intérêt si l'on ne peut l'utiliser que pour une unique fois, me direz-vous ! La diode Zener nous réserve une surprise : elle claque sans pour autant être détruite ! Ainsi, on peut continuer à l'utiliser.

Symbole

Il n'existe pas de norme américaine ou européenne pour la diode Zener. Elle a plusieurs symboles :

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Figure 11 : symboles de la diode Zener

Fonctionnement

Polarisation directe

Regardons ensemble le fonctionnement de la diode Zener en polarisation directe. Pour cela, observez le schéma suivant :

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Figure 12 : polarisation directe d'une diode Zener -
On suppose que la tension du générateur est suffisamment grande pour éclairer l'ampoule et dépasser le seuil de la diode

Ce schéma ne vous rappel t-il pas quelque chose ? Si bien sûr ! C'est celui que je vous ai présenté lorsque je vous ai montré le fonctionnement d'une diode standard !

Au final, en polarisation directe, ce n'est rien d'autre qu'une diode normale ? :euh:

C'est exact et c'est pourquoi on ne s'attardera pas là dessus.

Polarisation inverse

En fait, l'intérêt principal de la diode Zener est de la brancher dans le sens opposé. Dès que la tension inverse à ses bornes est plus élevée que sa tension de claquage, la diode devient passante et le potentiel à ses bornes prend alors la valeur de sa tension de claquage.

Voilà une suite du même montage, à des valeurs de tension différentes, qui vous permettra de mieux comprendre son fonctionnement :

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Figure 13a : polarisation inverse de la diode Zener -
tension inverse inférieure à la tension Zener

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Figure 13b : polarisation inverse de la diode Zener -
tension inverse supérieure à la tension Zener, l'ampoule s'éclaire

A savoir :

  • la diode Zener que j'ai utilisée à une tension de seuil inverse de 6V

  • l'ampoule est correctement allumée lorsqu'elle est alimentée sous 6V

Observations

La diode Zener ne devient passante que lorsque la tension appliquée à ses bornes dépasse sa tension de seuil. Sachez d'ailleurs que la tension de seuil inverse d'une diode Zener est tout simplement appelée tension Zener.

Une fois que l'on a dépassé la tension Zener de la diode, le fait d'augmenter la tension fournie par le générateur ne change en rien la tension aux bornes de la diode. Dans notre exemple, la tension aux bornes de la diode reste approximativement égale (on verra pourquoi) à sa tension Zener.

Courbe caractéristique

Afin d'avoir une approche plus rigoureuse que ce schéma animé, je vous propose de regarder la courbe caractéristique des tensions pour la diode Zener. Vous verrez qu'elle est similaire à celle d'une diode standard :

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Figure 14 : Courbe caractéristique d'une diode Zener en fonction des tensions

Je vous disais que la tension aux bornes de la diode Zener est approximativement égale à sa tension Zener nominale. C'est à dire, pour notre diode à tension Zener de 6V, eh bien la tension à ses bornes sera de 6V (lorsque la tension qui lui est appliquée est supérieure ou égale à sa tension Zener), mais plus la tension à ses bornes augmentera, plus la tension Zener va "varier". En fait, cette tension Zener n'est pas stable face au courant traversant la diode. Elle va donc légèrement augmenter avec le courant. Parfois cela peut-être gênant, on préfèrera utiliser d'autres dispositifs plus performants. S'il s'agit de réguler une tension, par exemple, on utilisera plutôt un régulateur intégré.

Équivalence

Le dernier point à voir avec la diode Zener est son équivalence avec un composant. Vous l'aurez peut-être deviné, bien que ce ne soit pas évident, la diode Zener est équivalente à un générateur de tension. Plus précisément, elle agit comme un générateur de tension en limitant la tension qui lui est appliquée.

Tension appliquée aux bornes de la diode inférieure à la tension Zener

Lorsque la tension Zener est plus grande que la tension appliquée aux bornes de la diode, la tension aux bornes de la diode est égale à la tension fournie par le générateur.

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Figure 15 : tension Zener supérieure à la tension du générateur

On peut donc remplacer la diode par un interrupteur ouvert, car c'est comme si elle n'était pas connectée au montage :

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Figure 16 : la diode Zener est équivalente à un interrupteur ouvert
lorsque sa tension Zener est supérieure à la tension à ses bornes

Jusque-là, rien de bien sorcier.

Tension appliquée aux bornes de la diode supérieure à la tension Zener

A présent, la tension aux bornes du générateur est supérieure à la tension Zener de la diode :

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Figure 17 : tension Zener inférieure à celle du générateur

Quelle que soit la tension appliquée aux bornes de la diode, elle sera toujours égale à sa tension Zener ! On en conclut que cette diode peut alors être remplacée par un générateur de tension constante :

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Figure 18 : diode Zener équivalente à un générateur de tension
dès que la tension appliquée à ses bornes est supérieure à sa tension Zener

Diversité des diodes

Cas d'utilisation de la diode

Si vous saviez ô combien la diode est utile et présente de partout ! Je vous donne une liste assez sommaire des applications possibles de la diode.

Redressement

On utilise souvent un pont de diode pour redresser la tension alternative fournie sur le secteur EDF : on oriente les tensions et courants positifs vers un point du circuit et faire de même pour les tensions et courants négatifs.

Pour cela il est courant d'utiliser un pont de diode, dont voici le schéma :

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Figure 1 : schéma d'un pont de diode

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Figure 2 : tension en entrée du pont de diode (en haut), tension en sortie du pont de diode (en bas) -
source Wikipédia

Nous aurons l'occasion d'en reparler, il ne s'agit là que d'une brève présentation.

Protection

On peut employer une diode pour protéger des montages. On rencontre alors deux types de protection différents :

  • Dans un cas, son rôle est de protéger un circuit qui grillerait si on inversait sa polarité. Pour exemple, il suffirait de brancher les piles à l'envers (dans n'importe quel appareil électronique) pour que celui-ci grille / brûle / fume / explose ! :o

  • Dans un autre cas, elle permet de protéger les portes logiques dont les sorties ont été reliées entre elles.

Détection ou démodulation

Pour recevoir la radio à modulation AM, il y a besoin de supprimer les alternances négatives du signal reçu. Pour ce faire, on met une diode en sortie de l'antenne de réception (bien sûr tout se passe dans le poste radio :p ).

Circuit préférentiel

C'est notre exemple que l'on a étudié tout le long de ce chapitre : la diode oriente le courant dans un circuit spécifique qui en commande un autre, mais pas l'inverse.

Autres diodes

Des diodes, il en existe de tous types ! On en recense vraiment beaucoup dont les propriétés sont toutes aussi intéressantes les unes que les autres. Voici une liste assez sommaire des diodes les plus courantes :

  • Diode Très Haute Tension (THT) : c'est une diode dont le fonctionnement est identique à celui des diodes standards, sauf qu'elle peut fonctionner sur des tensions dépassant largement le kilo-Volt (>> 1000V). Bien entendu, avoir une telle propriété n'est pas sans défaut, sa tension de seuil est elle aussi largement plus élevée qu'une diode standard au silicium.

  • Diode en réseau : là, c'est simplement plusieurs diodes intégrées dans un seul boitier, elles constituent un réseau car elles sont reliées par leurs anodes ou leurs cathodes. Leur fonctionnement est identique aux diodes standards

  • Diode varicap : Cette diode est plus particulière que les autres. On la branche "à l'envers" et elle se comporte alors comme un condensateur de très très faible valeur, dont la capacité est variable selon la tension inverse appliquée à ses bornes.

  • LED : Vous connaissez surement, cette diode est rigoureusement identique (niveau fonctionnement) à une "diode normale", mais elle a la capacité de s'éclairer. De nos jours, il s'agit de la diode la plus employée dans notre quotidien : on en trouve de partout !

  • Photodiode : voilà le cas d'une autre diode très particulière, elle réagit aux ondes électromagnétiques qui la frappent. Chaque photodiode possède une sensibilité particulière : aux rayonnements du spectre visible de la lumière, aux infra-rouges, aux ultra-violets, ou encore à d'autres gammes de rayonnements. On se sert énormément des modèles sensibles aux infra-rouges pour les communications sans fil (pour les télécommandes notamment). On les utilise uniquement connectée en inverse pour servir de récepteur..

  • Diode Schottky : elle fonctionne comme les diodes à jonction semi-conducteurs mais sont fabriquées à base d’une jonction métal - semi-conducteur. Leur vitesse de commutation est très élevée et leur tension de seuil plus faible que les diodes à jonction semi-conducteur. Elle est donc très utilisée pour les circuits de régulation de puissance.

Il existe encore plein de diodes, mais je ne les connais pas toutes et puis leur intérêt dans ce cours reste très limité.

Maintenant que vous êtes initiés aux semi-conducteurs, vous allez pouvoir continuer avec ces types de composants en abordant le transistor...

Exemple de certificat de réussite
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