Les diodes
1- La diode.
- Le silicium.
Le silicium est l'un des composants de la silice, autrement dit du sable. Plus de 25% de la croûte terrestre
est constituée de silicium. C'est dire qu'il s'agit de l'un des corps les plus répandus de notre
terre.
Un atome de silicium est constitué d'un noyau et d'électrons répartis en couches concentriques:
2 sur la première couche, unis en une paire; 8 sur la deuxième couche, unis en 4 paires; 4 sur la
dernière couche mais non unis en paires ;ils sont célibataires.
Puisque, avec le silicium, nous avons 4 électrons célibataires, chaque atome peut s'unir à
4 autres atomes.Pour des raisons énergétiques, les 4 paires d'électrons obtenus stabilisent
les atomes concernés.
On peut représenter une portion d'un cristal de silicium comme dans la figure ci-dessus.
-Le dopage des semi-conducteurs.
L'astuce consiste à insérer dans la cristal de silicium des atomes étrangers. On peut ainsi
obtenir un courant plus important qui dépendra du nombre d'atomes étrangers introduits. Cette opération
s'appelle le dopage.
Il existe deux méthodes principales pour doper le silicium : le dopage de type N et le dopage de type P.
Le dopage de type N consiste à insérer à l'intérieur du cristal de silicium des atomes
ayant la même forme cristalline mais possédant un électron de plus ( c'est la cas de l'arsenic
ou du phosphore, par exemple). De point de vue géométrique, cet atome va s'insérer parfaitement
dans la structure du cristal de silicium, mais un des électrons de l'arsenic ou du phosphore ne peut établir
une liaison covalence ; il pourra donc facilement devenir un électron libre et peut contribuer à
la conduction du courant électrique en tant que porteur de charge négative.
Le dopage de type P consiste à insérer dans la structure cristalline du silicium des atomes ayant
la même forme cristalline mais avec un électron de moins (c'est le cas du bore ou de l'aluminium,
par exemple). Dans ce cas, en occupant une place dans le réseau cristallin du semi-conducteur, un atome
de bore ou d'aluminium capte un électron de valence d'une liaison de covalente voisine pour former une couche
à huit électrons stables. C'est qu'une place inoccupée, un trou, se manifeste dans le réseau
cristallin et peut contribuer à la conduction du courant électrique en tant que porteur de charge
positive.
Notons que les termes " semi-conducteur à excès d'électron (type N) et semi-conducteur
à défaut d'électrons indiquent seulement que dans un semi-conducteur donné les porteurs
de charge majoritaires sont les électrons dans le premier cas et les trous dans le deuxième cas,
ces porteurs de charges contribuent à la conductibilité extrinsèque du semi-conducteur , c'est
à dire la conductibilité qui est due aux impuretés introduites.
En plus des porteurs de charges majoritaires, le semi-conducteur comporte aussi (généralement en
petite quantité) des porteurs de charges minoritaires qui sont dus à la créations des paires
électron-trou par effet thermique et détermine la conductibilité intrinsèque du semi-conducteur,
c'est à dire la conductibilité propre au semi-conducteur lui même.
- Jonction PN.
L'idée géniale consiste à mettre en contact deux plaques de semi-conducteurs dopés
de façon différentes; l'un de type N et l'autre de type P , ainsi on obtient une diode (1).
En l'absence de toute tension électrique extérieur, les électrons libres de la plaque de
type N on tendance à être attirés par les trous. Ainsi, d'un côté des électrons
disparaissent, de l'autre des vides sont comblés. Au bout d'un certain temps, le phénomène
cesse et le contact entre les deux plaques a produit un désert électronique au voisinage de la surface
de contact.
-Polarisation de la diode (2)..
Polarisation en inverse: Si maintenant on relie les deux plaques au pôles d'une batterie les électrons
libres ne peuvent plus se déplacer : le désert électronique de la zone de contact les empêche.
Dans ce cas le courant électrique ne passe pas dans la diode .
Polarisation en direct : Si maintenant on inverse les pôles de la batterie, les électrons sortent
de leurs trous et le désert électronique autour de la zone de contact disparaît Dans ce cas
le courant électrique passe dans la diode.
Conclusion : la diode joue le rôle d'une soupape électronique.
2-Types de diode.
-Diodes de signal (1).
-Diodes de redressement(2).
-Diodes de puissance(3).
Elles supportent un fort courant et une forte tension.
-pont de diodes(4).
-L.E.D (5).
Une diode infrarouge réceptrice(6).
C'est le genre de composant qu'il y a dans les télévisions et qui capte les signaux émis par
la télécommande.
3-Symboles.
La diode a un sens. Pour repérer ce sens, chaque patte a un nom. Dans les symboles, la base du triangle
représente l'anode, et le trait représente la cathode (valable pour toutes les diodes).
Sur les diodes elles-mêmes, le sens est généralement repéré par une bague noire.
-diode classique(1).
-diode zener (2).
-Diode électroluminescente ou L.E.D.(3).
-Diode varicap ou diode à variation de capacité (4).
4-Fonctionnement d'une diode.
-Fonctionnement d'une diode classique.
La diode est caractérisée par une tension de seuil 0.7V environ pour une diode au silicium et0.4V
pour une diode au germanium. Cette tension de seuil correspond à la tension minimale qu'il faut appliquer
entre les bornes de la diode pour qu'elle devienne passante.
La zone où la diode est bloquée ( Uak < 0.7V). Dans cette zone, on peut considérer que
le courant Iak est nul.
La zone où la diode est passante (c'est à dire que Uak > 0.7V) Dans cette zone, Vd reste proche
de la tension de seuil (0.7V), mais augmente légèrement avec le courant.
-Fonctionnement d'une diode zener.
On constate que:
Lorsque Uak > 0, la diode zener se comporte comme une diode normale. Par contre, si Uak < 0, la diode zener
devient passante à partir d'une certaine tension à ses bornes. Cette tension s'appelle la tension
zener; Elle est généralement écrite sur le boîtier de la diode.
La diode zener a donc deux tensions de seuil différentes suivant sa polarisation: Si elle est traversée
par un courant allant de l'anode vers la cathode, alors on a Uak=Us=0.7V. Si elle est traversée par un courant
allant de la cathode vers l'anode, alorsla tension entre ses bornes est égale à Uz(Uz est une tension
indiquée sur le boîtier de la diode, c'est la tension Zener de la diode) Uz a généralement
une valeur comprise entre 1.25V et 150V.
Toutes les diodes Zener claquent si on leur applique une tension Uak trop négative.
Notez que pour les diodes zener, l'effet Zener (avalanche) n'est pas destructeur
-Fonctionnement d'une LED.
Cette diode fonctionne de la même manière qu'une diode classique à la différence qu'elle
émet de la lumière visible lorsqu'elle est parcourue par un courant.
remarque: les couleurs des leds sont les suivantes : rouge, vert, jaune, orange, et plus récemment bleu.
Les diodes blanches existent depuis peu: Elles sont obtenues soit par l'allumage de 3 leds, une rouge, une verte,
une bleu ; soit par "transformation" du bleu en blanc
la tension de seuil se situe entre 1.8V pour une led rouge, 2.1V pour une led verte, à 3.6V pour une led
bleue.
-Fonctionnement d'une diode varicap.
La diode varicap peut être utilisée dans les oscillateurs à modulation de fréquence.
En effet, sa caractéristique principale est de se comporter comme un condensateur dont la capacité
varie avec la tension de polarisation de la diode. La diode doit être polarisée en inverse et c'est
la valeur de la tension Cathode-Anode (positive) qui fixe la valeur de la capacité (très faible:
Quelques pF à quelques dizaine de pF) entre les bornes de la diode.
Explication :
En polarisant la diode en inverse, on augmente la barrière de potentiels ce qui se traduit par une diminution
du nombre de porteurs de chaque côté de la jonction. Or ces porteurs, de chaque côté
de la jonction, se comportent comme les armatures d'un condensateur, ce qui explique l'existence de la capacité.
La valeur d'un condensateur est donnée par la formule: C=Eo.S/E avec C en Farad , S surface d'une armature
en m², E l'épaisseur du diélectrique et Eo constante égale à 4(10^-7. On remarque
donc que la valeur de la capacité est fonction de la géométrie des armatures et on a vu que
la taille des armatures était fonction du nombre de porteurs; par conséquent la capacité entre
anode et cathode varie en fonction de la polarisation de la diode.