Diode

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La diode (du grec di deux, double ; odos voie, chemin) est un composant electronique. C'est un dipole non lineaire et polarise (ou non symetrique). Le sens de branchement d'une diode determine le fonctionnement du circuit electronique dans lequel elle est placee.

Sans precision, ce mot designe un dipole qui ne laisse passer le courant electrique que dans un sens. Ce dipole est appele diode de redressement lorsqu'il est utilise pour realiser les redresseurs qui permettent de transformer le courant alternatif en courant continu.

Pour aborder l'electricite, on fait souvent appel a une analogie hydraulique. Si on compare l'electricite a un liquide circulant dans une canalisation, la diode est un clapet anti-retour. Dans un sens, a partir d'une certaine pression du fluide, le clapet laisse passer le fluide (analogie avec la tension de seuil). Dans l'autre sens, le fluide ne fera pas ouvrir le clapet, sauf si la pression est trop forte (analogie avec la tension inverse maximale). En poussant l'analogie, on trouve des similitudes avec les autres caracteristiques d'une diode : courant de fuite, courant inverse, courant maximal, allure de la caracteristique, temps de reponse... L'analogie est toutefois imparfaite car l'electricite ne se comporte pas comme un fluide. Certains usages des diodes tirent parti de proprietes qu'il est finalement plus simple d'examiner en tant que telles, plutot que de pousser l'analogie avec l'hydrodynamique.

Depuis la generalisation des semi-conducteurs, ceux-ci sont a la base de toutes les diodes. La diode a vide, tout comme la diode a vapeur de mercure appartiennent a l'histoire.

Karl Ferdinand Braun decouvrit en 1874 qu'un cristal de galene laissait passer le courant electrique dans un sens, tout en le bloquant dans l'autre. Ce premier dispositif est aujourd'hui connu sous le nom de diode a pointe, bien que le physicien William Eccles n'ait propose le terme diode qu'en 1919, pour la diode a vide^[1]. Jagadish Chandra Bose l'utilisa pour la detection des ondes radio, et ce systeme fut largement diffuse des les debuts de la radiodiffusion, dans les annees 1920, dans le poste a galene.

Au debut du XX^e siecle, on utilisait des redresseurs a oxyde de cuivre ou au selenium pour la conversion du courant alternatif en courant continu. Cette utilisation persista dans la plus grande partie du siecle pour la charge des batteries.

En 1901, Peter Cooper Hewitt inventa le redresseur a vapeur de mercure, utilise pour les applications de puissance jusqu'aux annees 1970.

A la meme epoque, recherchant a ameliorer la detection des ondes radio, John Fleming mettait au point le premier tube electronique, la diode a vide, dont la cathode, chauffee, emet des electrons que l'anode peut capter, tandis que le contraire n'est pas possible. C'est a l'epoque du premier essor de l'electronique, autour des industries du telephone et de la radio, que les ingenieurs adoptent le terme de diode pour un tube electronique a deux electrodes, tandis que la triode, inventee en 1906, en a trois.

La diode a semi-conducteur au germanium ou au silicium vient remplacer les tubes a vide apres la Seconde Guerre mondiale. Leur chute de tension dans le sens direct (sens passant) est moins elevee a courant egal et elles sont plus pratiques a mettre en oeuvre, n'exigeant pas de courant de chauffage. Cependant, les diodes a vide persistent tant que le tube electronique reste l'element actif des appareils : elles fournissent une tension compatible avec les autres tubes, et l'alimentation des circuits doit de toute facon fournir un courant de chauffage des filaments.

Le developpement des semi-conducteurs a entraine la creation de nombreuses varietes de diodes, exploitant les caracteristiques de la jonction P-N, ou, dans le cas des diodes electroluminescentes, des proprietes annexes du materiau.

La norme CEI 60617 definit les symboles pour les schemas en electronique^[2].

Le schema normalise CEI, symbole general de la diode a semi-conducteur, apparait sur la figure ci-contre a la deuxieme ligne sous la representation plus commune^[3]. On trouve encore une variante avec le triangle rempli en noir^[4], et entoure d'un cercle^[5].

Les notes d'application de fabricants de diodes refletent une diversite d'usage, avec la forme normalisee^{[n 1]}, la forme sans trait central^{[n 2]} ou celle avec le triangle noir^{[n 3]}.

Les diodes sont des composants fabriques a partir de semi-conducteurs. Leur principe physique de fonctionnement est utilise dans de nombreux circuits actifs en electronique.

Une diode est creee en accolant un substrat deficitaire en electrons c'est-a-dire riche en trous (semi-conducteur type P) a un substrat riche en electrons libres (semi-conducteur de type N ou metal).

La plupart des diodes sont realisees par la jonction de deux semi-conducteurs : l'un dope << P >> l'autre dope << N >>.

La diode Schottky est constituee d'une jonction semi-conducteur/metal.

La connexion du cote P s'appelle l'anode ; celle du cote N ou metal porte le nom de cathode.

Seule la diode Gunn echappe totalement a ce principe : n'etant constituee que d'un barreau monolithique d'arseniure de gallium, son appellation diode peut etre consideree comme un abus de langage^[6].

Pour les diodes cylindriques, le cote de la cathode est generalement repere par un anneau de couleur. D'autres formes de reperage existent selon la nature de l'encapsulation de ces composants.

La diode est un dipole a semi-conducteur (jonction P-N), qui possede deux regimes de fonctionnement : bloque et passant.

Ces regimes de fonctionnement ne sont pas controlables directement, mais dependent de la tension V_AK aux bornes de la diode et de l'intensite du courant I_D (courant direct, peut aussi s'ecrire I_F avec F pour forward) la traversant.

Diode bloquee	etat de la diode quand VAK < Vseuil, ce qui empeche le passage du courant dans la diode ; ID = 0.
Diode passante	etat de la diode quand VAK >= Vseuil, ce qui entraine ID 0.

Lorsque la diode est bloquee, I_D n'est pas completement nul mais vaut quelques nA (courant de fuite).

V_seuil est une donnee fournie par les constructeurs et vaut typiquement :

• 0,3 V pour les diodes au germanium ;
• 0,7 V pour les diodes au silicium.

Le courant I qui traverse la diode s'obtient par l'equation de Shockley (en) (voir : << William Shockley >>) :

${\displaystyle I=I_{0}\left[\mathrm {\exp } \left({\frac {V_{j}}{nV_{0}}}\right)-1\right]}$

ou :

• V_j est la tension aux bornes de la diode ;
• V₀ (appele tension thermique) est egal a ${\textstyle {\frac {k_{\mathrm {B} }\,T}{e}}}$ ou k_B est la constante de Boltzmann, T la temperature absolue de la jonction et -e la charge d'un electron. V₀ = 26 mV a T = 20 degC (293 K) ;
• n est le facteur de qualite de la diode, generalement compris entre 1 et 2 ; 1 pour une diode de << signal >> (comme le type 1N4148) ;
• I₀ est la constante specifique au type de diode considere, homogene a un courant. Cette constante est aussi appelee << courant de saturation >> de la diode.

A l'aide de la caracteristique on peut modeliser une diode passante par l'association d'une force electromotrice U_S (la tension de seuil) qui s'oppose au passage du courant en serie avec une resistance R_D (la resistance dynamique).

La diode dont la caracteristique dans le sens passant est representee ci-dessus peut etre modelisee par l'association de U_S = 0,72 V et R_D = 25 mO.

L'inverse de la resistance dynamique de la diode est la pente de sa caracteristique.

Dans certains cas il sera judicieux de negliger l'un ou l'autre de ces parametres :

• la tension de seuil si elle est faible par rapport aux autres tensions du montage ;
• la resistance dynamique si la chute de tension qu'elle provoque est faible devant les tensions du montage.

Lorsque la diode est dite ideale, on suppose que ces deux derniers parametres sont nuls^[7].

Vseuil	Valeur de la tension de seuil, notee VF dans les documents constructeurs (F pour forward, direct).
ID (ou IF)	ID est l'intensite du courant direct traversant la diode de A vers K.
VR	VR est la tension aux bornes de la diode quand celle-ci est bloquee, VR = VKA (R pour reverse).

Lors de l'aboutement des deux cristaux, les electrons surabondants de la partie N ont tendance a migrer vers la partie P pour y boucher les << trous >> (phenomenes de diffusion et de recombinaison). En cedant chacun un electron, les atomes dopes de la partie N deviennent des ions positifs alors que les atomes dopes de la partie P contigus a la jonction deviennent des ions negatifs en gagnant ces electrons. Ces ions sont fixes et il se cree ainsi une barriere electrostatique croissante s'opposant, a l'equilibre, au phenomene de diffusion. Cette zone situee de part et d'autre de la jonction sans porteur de charge mobile et isolante, est appelee zone de depletion. Et il existe donc aussi, a l'equilibre thermodynamique, une difference de potentiel entre la partie N et la partie P (dite potentiel de jonction) ; celle-ci est de l'ordre de 0,7 V pour les diodes a substrat silicium, 0,3 V pour le germanium et les diodes Schottky ; elle est plus importante pour certains substrats type III-V comme GaAs ou les diodes electroluminescentes. Le champ electrique est maximal aux abords de la jonction, dans une zone appelee zone de charge d'espace, ZCE.

Si maintenant l'on applique une tension positive cote N et negative cote P, la polarisation de la diode est dite << inverse >> et la jonction << se creuse >> : les electrons de la section N sont attires vers l'extremite du barreau, un phenomene symetrique se produit cote P avec les trous : la ZCE s'etend, aucun courant ne peut circuler, la diode est dite << bloquee >> ; elle se comporte alors comme un condensateur, une propriete mise a profit dans les varicaps, diodes dont la capacite varie en fonction de la tension inverse qu'on leur applique ; elles sont utilisees entre autres dans la realisation d'oscillateurs commandes en tension (OCT, anglais VCO).

Lorsque la tension inverse devient suffisamment grande, on observe deux phenomenes ayant des causes distinctes :

• l'energie du champ electrique devient suffisante pour permettre aux electrons de valence de passer en bande de conduction (effet Zener). Ces derniers franchissent la jonction de la diode par effet tunnel. Il s'agit d'un effet quantique qui peut avoir lieu a une tension d'autant plus faible que la ZCE est mince ;
• les paires electrons-trous creees dans le substrat a la suite de l'agitation thermique, accelerees par le champ electrique externe, vont pouvoir acquerir une energie cinetique suffisante pour arracher, par choc contre le reseau cristallin, d'autres electrons qui vont s'extraire des liaisons covalentes et en frapper d'autres, etc. (effet d'avalanche).

Ces deux phenomenes, dont la predominance resulte de la concentration en dopant, donnent lieu a l'apparition d'un courant inverse important et non limite, qui aboutit souvent a la destruction (claquage) du cristal par effet Joule. La diode presente en effet une resistance tres faible dans cette plage de fonctionnement. La tension inverse a laquelle se produit le phenomene d'avalanche s'appelle tension d'avalanche (souvent notee VBR de l'anglais Voltage Breakdown Reversed)

Si ce courant est limite au moyen de resistances externes, la diode a avalanche se comporte alors, du fait de sa faible resistance interne, comme une reference de tension (un recepteur de tension) quasi parfaite : cette propriete est a l'origine de l'utilisation des diodes dites Zener dans la regulation de tension continue.

En revanche, lorsque l'on applique une tension << directe >>, c'est-a-dire que l'on applique une tension positive du cote P et negative du cote N (polarisation directe), pourvu que cette tension soit superieure a la barriere de potentiel presente a l'equilibre, les electrons injectes du cote N franchissent l'interface N-P et terminent leur course soit en se recombinant avec des trous, soit a l'anode via laquelle ils peuvent rejoindre la source d'alimentation^{[n 4]} : le courant circule, la diode est dite << passante >>.

Lorsqu'un electron << tombe >> dans un trou (recombinaison), il passe d'un etat libre a un etat lie ; il perd de l'energie (difference entre le niveau de valence et le niveau de conduction) en emettant un photon ; ce principe est a l'origine des diodes electroluminescentes ou DEL, dont le rendement depasse considerablement celui des sources de lumiere domestiques : lampes a incandescence, lampes a halogene. Une DEL dont le substrat a ete faconne pour servir de reflecteur aux photons peut donner lieu a du pompage optique, aboutissant a un rayonnement laser (diode laser).

La diode Schottky est constituee d'une jonction metal/semi-conducteur ce qui lui procure une chute de tension directe reduite (0,3 V environ) et une dynamique nettement amelioree du fait de l'absence de porteurs minoritaires engages dans le processus de conduction. Elle est en revanche incapable de supporter des tensions au-dela d'une cinquantaine de volts.

La diode Zener est plus fortement dopee qu'une diode conventionnelle. L'effet Zener a lieu lorsque, sous l'effet de l'application d'une tension inverse suffisante, l'augmentation du champ electrique provoque la liberation des porteurs de charge de telle sorte que le courant augmente brutalement et que la tension aux bornes reste pratiquement constante. D'autres diodes, neanmoins classifiees comme diodes Zener, fonctionnent selon l'effet d'avalanche. Ces diodes permettent de faire de la stabilisation de tension et de l'ecretage. On peut aussi utiliser une diode Zener comme source de bruit.

La diode Transil est un composant du type parasurtenseur destine a la protection des circuits. Cette diode a ete creee grace a l'optimisation du fonctionnement des diodes dans leur zone d'avalanche.

La diode electroluminescente, d'abord cantonnee aux signalisations lumineuses economes en courant, sert depuis les annees 2000 a l'eclairage. Au debut des annees 1990 les recherches permirent la creation des diodes electroluminescentes bleues, puis blanches. Certaines (au nitrure de gallium ou GaN) sont assez puissantes pour des phares de voitures et reverberes (eventuellement solaires). Un projet europeen^[8] vise a en faire des eclairages domestiques capables de rivaliser avec les lampes basse consommation des annees 1990-2000.

La partie emettrice de systemes de liaison a fibre optique^[9],[10], comme certains codeurs optiques^[11] peuvent utiliser des diodes electroluminescentes.

Les diodes electroluminescentes emettant principalement dans l'infrarouge sont utilisees dans des composants electroniques tels que les photocoupleurs^[12]. Elles permettent la transmission d'un signal entre des circuits electriquement isoles^[12].

Pour certains systemes de transmission, on utilise souvent des diodes electroluminescentes emettant de l'infrarouge. Cette radiation lumineuse invisible evite de perturber les personnes presentes. La transmission s'arrete aux parois du local. Des systemes peuvent fonctionner sans interference dans des lieux voisins. Dans les telecommandes d'appareils, ces diodes transmettent des sequences d'allumage et d'extinction qui forment un code de controle, souvent suivant le protocole RC5. Certains transmetteurs sans fils a usage domestique ou institutionnel, comme ceux destines a la diffusion d'interpretation simultanee, utilisent des diffuseurs a diodes electroluminescentes qui emettent une frequence porteuse que module le signal a transmettre, ou un signal numerique encode par un modem.

Les diodes emettant des infrarouges, dont la radiation est detectee par les capteurs CCD des cameras video, servent aussi a l'<< eclairage >> invisible des systemes de surveillance ou de prise de vues nocturnes.

Les diodes electroluminescentes servent aussi pour le retroeclairage des ecrans a cristaux liquides des televiseurs, des ordinateurs portables, d'appareils photographiques, de smartphones, de tableaux de bord en aeronautique, en automobile, etc. Une variante, la diode electroluminescente organique (OLED), permettant de s'affranchir du retroeclairage et ameliorant, entre autres, l'etendue de la gamme de gris des images, trouve ses applications dans les memes domaines ; en outre, elles permettent la construction d'ecrans de moindre epaisseur ainsi que des ecrans souples.

La diode laser emet de la lumiere monochromatique coherente. Elle sert, entre autres, a transporter un signal de telecommunications sur fibre optique, ou leur rayonnement coherent favorise les transmissions a haut debit et a longue distance, ou a apporter de l'energie lumineuse pour le pompage de certains lasers et amplificateurs optiques. La diode laser est un composant essentiel des lecteurs et graveurs de disques optiques, dans ce cas elle emet le faisceau lumineux dont la reflexion sur le disque est detectee par une photodiode ou un phototransistor. Elle est egalement utilisee dans l'impression laser, les dispositifs electroniques de mesure de distance, de vitesse, de guidage et de pointage precis.

La photodiode genere un courant a partir des paires electrons-trous produites par l'incidence d'un photon suffisamment energetique dans le cristal. L'amplification de ce courant permet de realiser des commandes en fonction de l'intensite lumineuse percue par la diode (interrupteur crepusculaire par exemple).

La diode Gunn consiste en un simple barreau d'arseniure de gallium (GaAs), et exploite une propriete physique du substrat : les electrons s'y deplacent a des vitesses differentes (masse effective differente) suivant leur energie (il existe plusieurs minima locaux d'energie en bande de conduction, suivant le deplacement des electrons). Le courant se propage alors sous forme de bouffees d'electrons, ce qui signifie qu'un courant continu donne naissance a un courant alternatif ; convenablement exploite, ce phenomene permet de realiser des oscillateurs micro-ondes dont la frequence se controle a la fois par la taille du barreau d'AsGa et par les caracteristiques physiques du resonateur dans lequel la diode est placee.

La diode PIN est une diode dans laquelle est interposee, entre ses zones P et N, une zone non dopee, dite intrinseque (d'ou I). Cette diode, polarisee en inverse, presente une capacite extremement faible, une tension de claquage elevee. En revanche, en direct, la presence de la zone I augmente la resistance interne ; celle-ci, dependante du nombre de porteurs, diminue quand le courant augmente : on a donc une impedance variable, controlee par une intensite (continue). Ces diodes sont donc soit utilisees en redressement des fortes tensions, soit en commutation UHF (du fait de leur faible capacite inverse), soit en attenuateur variable (controle par un courant de commande continu).

La diode a effet tunnel designe une diode dont les zones N et P sont hyper-dopees. La multiplication des porteurs entraine l'apparition d'un courant du au franchissement quantique de la barriere de potentiel par effet tunnel (une telle diode a une tension de Zener nulle). Sur une faible zone de tension directe, la diode presente une resistance negative (le courant diminue lorsque la tension augmente, car la conduction tunnel se tarit au profit de la conduction << normale >>), une caracteristique exploitee pour realiser des oscillateurs. Ce type de diode n'est quasiment plus employe actuellement.

La diode a vide, ancetre des diodes a semi-conducteurs modernes, est un tube electronique qui utilise l'effet thermoionique pour realiser sa tache de redressement du courant. Bien qu'elle soit tombee en desuetude a cause de sa taille et de sa consommation de courant, ce type de diode est recherche par les amateurs de restauration d'anciens appareils a tubes.

En serie dans un circuit :

• redressement de tension (conversion courant alternatif vers courant continu, semi-redresse) ;
• protection contre une erreur de branchement d'un circuit alimente en courant continu en empechant la circulation du courant dans le mauvais sens ;
• detection de valeur crete ou d'enveloppe ou d'une modulation dans la transmission en modulation d'amplitude^{[13],[14],[15],[16]} ; les diodes sont en general l'element non lineaire necessaire a la multiplication de frequence heterodyne^[17] ;
• plusieurs diodes en serie transmettent le signal avec une difference de potentiel continue qui diminue la distorsion de raccordement dans un etage de sortie push-pull d'amplificateur electronique a transistors bipolaires ;
• la non-linearite d'une ou plusieurs diodes en serie avec une resistance suffisamment grande sert a adapter la reponse de circuits electroniques, et notamment donne une approximation de la valeur efficace d'un signal mise a profit dans un VU-metre.

En parallele :

• restitution de composante continue pour la transposition d'un signal electrique^[15] (pompe a diode (en)) ;
• regulation de tension simple (alimentations simples de montages electroniques) et reference de tension avec une diode Zener^[15],[18] ;
• montages ecreteurs^[15],[19] et protection contre les surtensions (diode Zener, Transil...) ;

Une diode en serie, l'autre en parallele :

• doubleur et multiplicateur de tension^[15],[20] ou pompe a diodes, dont multiplicateurs de tension Schenkel ;
• transposition de niveau d'un signal par pompe a diodes (par exemple : generation d'une alimentation negative a partir d'une alimentation positive)^[15].

Les diodes dites de roue libre sont un element capital de l'alimentation a decoupage.

Elles sont utilisees pour la compensation des variations de temperature^[21] et en thermometrie (mesure de temperature en fonction de la variation de la caracteristique).

Les diodes permettent la realisation de circuits logiques cables simples^[15].

Utilisees en << pontage >> (bypass en anglais) elles assurent la protection des generateurs (panneaux solaires photovoltaiques en serie, etc.)

Les diodes electroluminescentes sont utilisees en traitement du signal dans les photocoupleurs.

Les diodes Gunn permettent la production de rayonnement de tres haute frequence a faible puissance.

Les diodes varicap ont leur application pour l'accord des recepteurs radios et TV.

L'injection d'impulsions de courant calibrees, la diode etant polarisee dans le sens bloque, confere resistance negative a une diode ordinaire au silicium ou au germanium polarisee en inverse. Apres ce traitement la diode permet de realiser un oscillateur radio frequence. On peut par exemple avec une diode 1N4148 realiser un emetteur operant entre 0.1 et 90 Mhz suivant le circuit oscillant associe^[22].

Les diodes sont un des dipoles de base de l'electronique de puissance.

• Elles peuvent etre utilisees en courant alternatif pour diminuer la puissance fournie par l'alimentation a un recepteur : en supprimant l'une des alternances, elles permettent de diviser par deux la puissance transmise a la charge^[23] pour un cout tres modique. Cette technique est par exemple utilisee pour obtenir deux puissances de chauffe dans les seche-cheveux, une diode, placee en serie avec la resistance de chauffage, est mise en court-circuit par un interrupteur pour obtenir la puissance de chauffe maximale^{[n 5]}.

Les diodes sont frequemment utilisees dans le domaine de redressement de courant alternatif, par exemple en monophase :

• redressement simple alternance : une seule diode est necessaire^[24] ;
• redressement double alternance : on utilise pour cela un pont de diodes (pont de Graetz)^[25],[26] ou deux diodes sur les sorties en opposition de phase d'un transformateur a point milieu.

En eclairage, l'invention des diodes electroluminescentes approximativement blanches, par association d'un produit fluorescent aux rayonnements des diodes electroluminescentes bleues, leur donne de nombreuses applications.

Les diodes electroluminescentes, utilisees en affichage et signalisation sont une application particulierement visible.

• Marcel Demontvignier, Soupapes electriques - Redresseurs - Onduleurs, Societe francaise des electriciens - Ecole superieure d'electricite, universite de Paris, 1966, 1968, 1970 (1^re ed. 1957, 182 p.)
  • Fascicule I, n^o 2177, 149 p.
  • Fascicule II, n^o 2111, 118 p.
  • Fascicule III, n^o 2169, 125 p.
  • Fascicule IV, n^o 2124 , 164 p.
• J.C. Duez, << Utilisation elementaire des diodes >>, dans Electronique appliquee 1 - 1^re F2, Paris, Hachette, coll. << Classiques Hachette >>, 1972, p. 63-90.
• Bogdan Grabowski, Fonctions de l'electronique, Paris, Dunod, 1980, p. 9-24.
• Bogdan Grabowski, Composants de l'electronique, Paris, Dunod, 1982, p. 155-181.
• Marcel Mounic, Electronique - Redressement, premiere partie - Procedes de calculs - Redressement monophase et polyphase a commutation naturelle (diodes), Paris, Fouchet, 1969.
• Tahar Neffati, L'Electronique de A a Z, Paris, Dunod, 2006, p. 78-80 : diodes electroluminescentes p. 94, laser p. 175.
• Richard Taillet, Loic Villain et Pascal Febvre, Dictionnaire de physique, Bruxelles, De Boeck, 2013, p. 200-202. Diode ; diode a avalanche ; diode Gunn ; diode ideale ; diode a jonction ; diode laser > laser a semi-conducteur p. 391 ; diode de roue libre ; diode tunnel ; diode a vide ; diode Zener.

• Redresseur

• << La diode >> [archive du 6 mars 2009], sur univ-lemans.fr, universite du Mans (consulte le 17 mai 2014) [PDF].
• << Analogie hydrodynamique >>, sur led-fr.net.

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