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Caractéristiques électriques
des diodes à semiconducteurs

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Prérequis et suites

Cette page est provisoire et en cours d'élaboration.

Notions à connaître pour aborder ce chapitre.
Liens
Semi-conducteurs - de type N - de type P - Ce qu'est une JONCTION.

Chapitres en relation
Liens
Application des diodes : Redressement des tensions et courants alternatifs
Montages stabilisateurs de tension
Diodes à effet thermoélectronique - Tubes -


DIODE en tant que composant électronique


Qu'est-ce-qu'une DIODE ?

Une diode à semi-conducteur est, électroniquement parlant, une JONCTION PN.
C.à.d. l'interpénétration partielle, généralement par fusion entre surfaces,
d'un semi-conducteur de type P avec un semi-conducteur de type N.


Pour commencer,disons très schématiquement que la théorie des semiconducteurs et l'expérience prouvent
que le courant peut traverser une diode quand le potentiel de la zone P est supérieur à celui de la zone N.
(Plus exactement : UP > UN + UPE0 , UPE0 étant un seuil de faible valeur < 1V)

Il s'agit du sens conventionnel du courant (du + au - du générateur à l'extérieur de celui-ci).

Dans le cas inverse (UN > UP) le courant ne passe pas.
(si toutefois la tension UNP ne dépasse pas une valeur dite "tension inverse de claquage")

C'est cette propriété de conduction unidirectionnelle qui est le plus souvent utilisée en électronique.

Une diode est un dipôle (composant électriquement accessible par deux bornes).

Physiquement, l'aspect extérieur d'une diode est le plus souvent celui de sa capsule de protection :
un petit cylindre de quelques mm, d'où sortent deux fils axiaux qui en sont les bornes.


La borne reliée à la partie sem-iconductrice de type P s'appelle l'ANODE.
La borne reliée à la partie semi-conductrice de type N s'appelle la CATHODE.
Pourquoi ces noms ? Pointez ici :

Reconnaître visuellement les bornes.

Dans la figure ci-dessus, j'ai représenté l'aspect le plus fréquent du composant
et le symbole par lequel une diode est représentée sur les schémas électriques.

Noter que sur le composant, la cathode est repérée par un anneau entourant l'étui.
Sur le schéma de la diode, la
flèche qui constitue le symbole a pour sens : CATHODE vers l'ANODE

Reconnaître électriquement les bornes.

Appliquer les pointes de touche d'un ohmmètre sur les bornes de la diode.

Si l'ohmmètre affiche une résistance presque nulle (la diode est passante),
alors l'anode est reliée à la borne + (généralement en rouge) de l'ohmmètre.

S'il affiche une résistance très grande,intervertir les bornes, la résistance affichée doit être presque nulle
On revient au cas de figure précédent...

Si la diode n'est passante dans aucun des deux sens,
ou dans les deux sens elle est défectueuse.

Voici une manière plus artisanale de déterminer l'anode ou la cathode d'une diode

Il s'agit d'une pile plate usuelle de de 4,5 V
et d'une ampoule prévuepour fonctionner sur ce type de pile.
Le pôle + d'une pile plate est toujours la petite lame.

Bien sûr, tout type de pile basse tension
et d'ampoule correspondant à la tension délivrée par cette pile conviennent.

Pour s'assurer que la diode est en bon état,
vérifiez qu'elle est ni passante dans les deux sens
ni bloquée dans les deux sens.


Sens direct - sens inverse
Diode passante Diode bloquée

Le principal intérêt pratique d'une diode
est qu'elle laisse passer le courant dans un sens seulement.
De l' ANODE VERS la CATHODE

Voyez le schéma suivant, dans lequel j'ai attribué la lettre A à l'ANODE et K à la CATHODE.

Figure de gauche : un générateur G de tension manuellement réglable,
applique à l'ANODE d'une diode, à travers la résistance Rp,
une tension POSITIVE par rapport à celle de la CATHODE.


Le courant (sens conventionnel) est donc incité à passer de l'ANODE VERS LA CATHODE.
L'appareil de mesure de l'intensité A (ampèremètre) indique que le courant passe effectivement.



Inversement, dans le montage de droite,
la CATHODE de la diode est reliée par la résistance Rp au pôle plus du générateur G
et son ANODE au pôle moins de G.

Le courant est incité à passer de la cathode vers l'anode,
or l'ampèremètre A de la figure indique zéro :
la diode interdit la circulation du courant de sa CATHODE vers son ANODE.

Vocabulaire
Dans la première expérience la diode est dite PASSANTE.
Dans la seconde elle est dite BLOQUÉE.

Dans la première expérience on dit que la diode est soumise à une TENSION DIRECTE.
(Anode positive par rapport à la cathode).
-
Dans la seconde expérience on dit que la diode est soumise à une TENSION INVERSE
(Cathode positive par rapport à l'Anode).

Dans la première expérience
le courant traverse la diode dans le SENS DIRECT.
On l'appelle COURANT DIRECT.

Mais...
Dans la seconde expérience, le courant n'est pas tout à fait nul !
Et même, si la tension appliquée par le générateur est suffisamment élevée,
la diode devient brusquement passante en sens inverse
(phénomène dit du "claquage" de la jonction).
Nous en verrons plus loin le danger mais aussi d'intéressantes applications.

C'est pourquoi il n'est pas absurde de parler de COURANT INVERSE d'une diode.

Caractéristique d'une diode.


On appelle "caractéristique d'un dipôle"
le graphe de la fonction U = f ( I ) ou de la fonction I = g ( U )
U et I étant respectivement la tension à ses bornes et l'intensité qui le traverse.

Le montage précédent nous permet de tracer la courbe caractérisant le fonctionnement d'une iode.



On précédera manuellement par augmentations échelonnées de la tension délivrée par G
en notant à chaque fois :

  • La tension UAK aux bornes de la diode par le voltmètre V.
  • L'intensité IAK traversant la diode par l'ampèremètre A.

Ces valeurs seront à chaque fois reportées sur un graphique UAK = f ( IAK ).

Voici ce qu'on obtient :

En rouge la caractéristique type d'une diode à semi-conducteur.
Représentée de deux manières équivalentes : Uak =f( Iak ) et Iak=f( Uak )


Uak est la tension ANODE-CATHODE. I ak est l'intensité ANODE-CATHODE.
Uci : tension de claquage inverse. Dans le cas d'une diode Zener : Vz

Distinguons 5 régions caractéristiques.

Région OA : dite "Le coude".
Le courant augmente peu avec la tension et de façon non linéaire.
Rarement exploitée :
Point A :
Le "Seuil de conduction".
(ou "seuil direct")
Pour UAK< seuil le courant est pratiquement nul.
Pour UAK > seui le courant augmente "très fortement" en fonction de la tension.
(dI/dV = coefficient directeur du segment de caratéristique tres élevé).

Seuil des diodes au Silicium
Seuil des diodes au Germanium.
0,7 V
0,3 V
A retenir !

Région AB
Zone de conduction directe.

Dite aussi zone "passante".
La tension d'anode est supérieure à la tension de cathode.
( On dit que la tension est appliquée "directement" ou que la diode est "polarisée en direct").

Le courant augmente linéairement et très rapidement en fonction de la tension.
C'est dans cette zone que la diode est généralement utilisée.
(Redressement des courants alternatifs - Démodulateurs)
La tension à ses bornes augmente peu par rapport à celle du seuil.

RégionOC
Zone de blocage inverse

La tension de cathode est supérieure à la tension d'anode
(On dit que la tension est appliquée en" inverse"
ou que la diode est "polarisée en inverse").
Pratiquement aucun courant ne passe. (qq microampères au plus)

Région CD
Zone de 'claquage' inverse
dite aussi zone d'avalanche".

Une très petite augmentation de tension au-delà du seuil provoque une augmentation considérable du courant,
si bien que la diode risque fort d'être détruite si on ne la protège pas par une résistance mise en série.

Veiller dans les montages à ce que la tension inverse appliquée à une diode
n'excède jamais la tension de claquage inverse notée Uci sur les figures ci-dessus.

Sauf cas très spéciaux que nous verrons dans la suite.


Conclusions


Si on applique à une diode une tension anode-cathode UAK = UA - UK :

  • Supérieure au seuil :
    la diode laisse passer le courant en offrant une très faible résistance.

  • Inférieure au seuil ou négative :
    la diode se comporte comme un isolant.

  • Négative et supérieure en valeur absolue à la tension de claquage inverse Uci :
    la diode est détruite (à moins que ce ne soit une diode Zener dont on a limité le courant.



4° Diodes Zener

Diode utilisée en sens inverse de sens passant.
Diode stabilisatrice de tension - -

Dans le montage classique représenté ci-dessus,
la résistance Rp est calculée pour que l'intensité n'atteigne des valeurs destructrices.
La tension disponible entre les bornes de la diode est constante.
Pour plus de détails, voir le chapitre "Montages stabilisateurs de tension" en :



La caractéristique IAK/UAKd'une diode Zener ne diffère pas beaucoup de celle d'une autre diode, si ce n'est que :

  • La tension de claquage (quelques volts) est généralement inférieure à celles des diodes faites pour le redressement.
    Le type BZX85 (Z pour Zener) est noté C6V2 pour une tension Zener de 6,2 V.


  • La zone de claquage inverse est presque perpendiculaire à l'axe des tensions OUAK

Résultat :
Dans une large mesure, la tension aux bornes de la diode est constante
et indépendante du courant inverse qui la traverse.

Application :
Cette propriété de ce composant est mise à profit dans les stabilisateurs de tension
ou les alimentations à tension stabilisée.
Une page de ce site est consacrée à leur description.
Lien :


5° Diodes électroluminescentes.

Certains types de diodes émettent de la lumière visible lorsqu'elles sont parcourues par un courant (direct).
Selon les types de semiconducteurs qui les constituent,
de la lumière rouge, ou verte, ou jaune sont émises au passage du courant direct.
Plus récemment on a découvert des diodes émettant de la lumière bleue,
ce qui permet, en les combinant avec des diodes jaunes, d'obtenir de la lumière apparemment blanche.

Figure ci-contre :
  • Le symbole d'une diode électroluminescente
    (les petites flèches représentent l'émission de lumière).
  • DEL : acronyme pour Diode ElectroLuminescente
  • LED : acronyme pour Light Emitting Diode.

  • Le montage usuel premettant de l'alimenter par un générateur
    de f.e.m. E à travers une résistance limitative R..

La résistance R protège la diode contre une surentensité.
Si nous voulons une intensité lumineuse de 1 candela,
le graphique de gauche donne l'intensité du courant direct correspondante : Id = 20 mA.
Le graphique de droite indique que la tension de seuil Ud correspondante de la diode est de 1,6 V.
Si la f.e.m. de la source d'alimentation E = 12 V.
La loi d'Ohm E = RId+Ud donne : R.Id = 12-1,6 = 10,4 V. Soit R = 10,4/20.10-3 = 520 Ohm.

Ces graphiques ne sont qu'un exemple concret concernant une diode particulière.
Les valeurs peuvent varier notablement d'un modèle à l'autre.
Bien se renseigner sur les caractéristiques exactes de la diode que vous projetez de mettre en oeuvre.
Ne jamais tenter d'allumer une DEL en la branchant directement aux bornes d'une pile !
Sans résistance en série, l'intensité atteint immédiatement des valeur destructives.

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