ISSLg - Cours d'électronique - Électronique (ELO)
Les diodes : théorie, la jonction PN
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La jonction PN

Lorsqu'on met en contact un semi-conducteur de type P avec un semi-conducteur de type N, les électrons excédentaires du type N vont s'empresser d'aller remplir les trous du type P dans la zone de contact. Il se forme une zone sans porteur à cheval sur la zone P (là où les trous ont été remplis) et sur la zone N (là où les électrons sont partis).

La région d'appauvrissement est la région à l'interface de la jonction PN qui ne contient aucun porteur majoritaire (ni trou, ni électron). C'est une zone mal-isolante car il n'y a plus de porteur, elle se comporte comme un semi-conducteur pur. Elle forme une barrière de potentiel, c'est à dire que seuls les électrons qui ont une certaine énergie pourront la traverser.


La polarisation directe

Lorsque qu'on applique le + d'une alimentation sur la zone P et le - de l'alimentation sur la zone N en augmentant progressivement le voltage, on dit que la jonction est en polarisation directe. La polarisation directe vient retirer des électrons à la zone P en y recréant des trous, et vient ajouter des électrons à la zone N.
La polarisation directe réduit la zone d'appauvrissement.

En réduisant l'épaisseur de la zone d'appauvrissement, on réduit également son pouvoir isolant et un courant commence à circuler. Au-delà d'une certaine tension, appelée tension de seuil, la zone d'appauvrissement a complètement disparu, la jonction se comporte alors comme un excellent conducteur, on dit qu'elle est passante. La conduction est tellement bonne qu'il faut limiter le courant (par exemple avec une résistance en série) pour ne pas brûler la jonction avec un courant excessif !

La polarisation inverse
Lorsque qu'on applique le - d'une alimentation sur la zone P et le + de l'alimentation sur la zone N en augmentant progressivement le voltage, on dit que la jonction est en polarisation inverse. La polarisation inverse vient boucher des trous dans la zone P par ajout d'électrons alors que dans la zone N elle vient retirer des électrons.
La polarisation inverse augmente la zone d'appauvrissement.

En augmentant l'épaisseur de la zone d'appauvrissement, on augmente également son pouvoir isolant et le courant de fuite augmente nettement moins vite que la tension ; on dit que la jonction est bloquante. Mais la zone d'appauvrissement ne peut pas s'agrandir à l'infini, au-delà d'une certaine tension inverse, appelée tension de claquage, la barrière de potentiel n'arrive plus à s'opposer à la tension inverse ; le courant de fuite n'est plus maîtrisé et augmente considérablement. Si on ne limite pas ce courant de fuite (par exemple avec une résistance en série), la diode risque de se détruire par claquage !


Les caractéristiques des diodes

La zone de type P s'appelle Anode (A). La zone de type N s'appelle Cathode (K).
Les caractéristiques en polarisation directe prennent l'indice "f" (pour "forward").
Les caractéristiques en polarisation inverse prennent l'indice "r" (pour "reverse").
La diode ne permet le passage du courant que depuis son anode (A) vers sa cathode (K) au-delà d'une certaine tension de seuil, on dit alors qu'elle est passante.
Lorsqu'elle est passante, la puissance thermique que la diode doit pouvoir dissiper est égale au produit de sa tension de seuil par le courant qui la traverse :
Pth = Uf * If
Comme la tension de seuil varie peut, on définit plutôt le courant maximum qu'elle peut supporter.

 Le courant maximum (Ifmax) qu'elle peut conduire en sens passant (polarisation directe).
Le courant croît de manière exponentielle avec la tension aux bornes de la diode, il faut donc veiller à limiter ce courant (R série ou protection contre les surcharges) ! Si le courant est intermittent, c'est le courant moyen qui ne doit pas dépasser ce maximum, tout en restant en-deçà d'un courant instantané limite (Ipeak) généralement donné par le fabriquant (sinon c'est le I²t qui est donné en A²µs, par exemple avec 9A²µs on peut se permettre 3A pendant 1µs, ou 1A pendant 9µs).

La tension de seuil (Uf) est généralement mesurée à 10% de Ifmax. Elle dépend principalement du semi-conducteur utilisé : Ge = 0,3V ; Si = 0,7V ; LED = 1,5V (IR) à 3,5V (Bleu). Elle diminue lorsque la température augmente, les diodes sont ainsi parfois utilisées comme capteur de température.

La tension inverse maximale (Urmax) est la tension inverse à ne pas dépasser pour éviter le claquage de la diode.

Le courant de fuite (Ir) est le courant en sens bloquant, il dépend peu de la tension inverse tant que l'on ne s'approche pas du claquage.

La capacité (Cr). En effet une jonction PN bloquée, c'est deux conducteurs séparés par une zone d'appauvrissement isolante, c'est donc une capacité parasite (quelques pF) qui devient gênante lorsqu'on monte en fréquence (au-delà de 1MHz). Cette capacité diminue lorsque la tension inverse augmente, car l'épaisseur de la zone d'appauvrissement augmente (formule du C = ε * S / d). Cette propriété est parfois utilisée pour réaliser des oscillateurs commandés en tension par exemple pour les récepteurs radio (sélection des différentes stations de radio).


La modélisation des diodes

La diode est un composant non symétrique (elle n'est passante que dans un seul sens).
Par convention, la tension aux bornes de la diode et le courant la traversant sont positifs en mode passant et négatifs en mode bloquant.
Hors claquage, l'équation (diagramme tension / courant) de la diode est une exponentielle :


I = I0 * ( exp(U/U0) - 1 )           
        où       I0 dépend du modèle de diode (Ifmax) et est de l'ordre de grandeur du courant de fuite (I0 = Ir);
        et        U0 = 25mV à 25°C (augmente avec la température absolue) pour le Silicium (varie selon le semi-conducteur utilisé ?).

Modèle très simple
Ce modèle est uniquement valable pour le redressement.
Tension appliquée
par le circuit (Vc) à la diode
 Mode de fonctionnement
de la diode
 Tension aux bornes de
la diode (U)
 Courant à travers
la diode (I)
Supérieure à la tension de seuil
 Uf < Vc
 Passante
 Égale à la tension de seuil
U = Uf
 Positif et à calculer
0 < I
Inférieure à la tension de seuil
Vc < Uf
 Bloquante
Égale à la tension appliquée
U = Vc
 Nul
I = 0
Les cases orange sont les valeurs évidentes.
La case verte est à calculer suivant les autres composants du circuit (souvent simplement avec la loi d'Ohm).

 Modèle complet
On regarde en premier lieu si elle est passante : le courant peut-il la traverser de l'anode à la cathode (A=>K).
Ensuite on regarde la tension appliquée par le circuit (Vc) par rapport à la tension de seuil (si passante) ou de claquage (si bloquante).

NB : le courant de fuite a été exagéré et la tension de claquage réduite.
Sens du courant
 Tension appliquée
par le circuit (Vc) à la diode
 Mode de fonctionnement
de la diode
 Tension aux bornes de
la diode (U)
 Courant à travers
la diode (I)
Passant
A => K
 Supérieure à la tension de seuil
  Uf < Vc
 Passante
 Égale à la tension de seuil
U = Uf
 Positif et à calculer
0 < I
Inférieure à la tension de seuil
Vc < Uf
 Sous-passante
Positif et parfois à calculer
Souvent : U = Vc
Positif, égal au courant de fuite
I = Ir

Bloquant
K => A
  En deça du claquage
-Urmax < Vc < 0
 Bloquante
 Négatif et parfois à calculer
Souvent : U = Vc 		Négatif, égal au courant de fuite
I = - Ir
Au-delà du claquage
Vc < -Urmax 		Claquante Égale à la tension de claquage
U = -Urmax 		Négatif et à calculer
I < 0
Les cases orange sont les valeurs évidentes.
Les cases verte sont à calculer suivant les autres composants du circuit (souvent simplement avec la loi d'Ohm).
 Les cases bleu ne sont à calculer que si le courant de fuite n'est pas négligeable.

Modèle dynamique
Parfois, lorsqu'elle est passante, on a besoin de la résistance dynamique (Zd) d'une jonction PN : en effet, la tension aux bornes de la diode varie légèrement par rapport à la tension de seuil si le courant qui la traverse varie.
Dans ce cas, on prend le point de fonctionnement moyen de l'exponentielle (Uf, If) et on modélise l'exponentielle par la tangente à ce point de fonctionnement.

L'équation de la diode aux alentours de ce point de fonctionnement (Uf, If) est donnée par l'équation de sa tangente :

I = If + (U - Uf) / Zd        ou encore     U = Uf + Zd * (I - If)

avec   Zd = U0 / If     
&        U0 = 0.025V à 25°C pour le Silicium

Par exemple, une diode au Silicium traversée par un courant de 1mA a une résistance dynamique de Zd = 0.025 / 0.001 = 25 Ohm.
Auteur : Philippot Marc - 20/11/2020