DIODES - sup/32-201 éléctrocinétique diodes.pdf · PDF file Q Diodes...

Click here to load reader

  • date post

    24-Jan-2020
  • Category

    Documents

  • view

    1
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of DIODES - sup/32-201 éléctrocinétique diodes.pdf · PDF file Q Diodes...

  • Diodes (32-201) Page 1 sur 12 JN Beury

    DIODES

    I. CARACTÉRISTIQUES D’UNE DIODE À FONCTION PN

    I.1 Diode à jonction PN Une diode à jonction PN est constituée de deux semi-conducteurs de même nature (silicium ou germanium), dopés différemment : l’un de type N (les électrons sont les charges électriques mobiles), l’autre de type P (les trous positifs sont les charges électriques mobiles). • Représentation d’une diode :

    • On peut démontrer que la caractéristique de ce dipôle récepteur peut s’écrire :

    exp 1dd S B

    qu i I

    k Tη   

    = −     

    avec q = 1,6×10-19 C ; kB = constante de Boltzmann =1,38×10-23 J.K-1 ; T = température thermodynamique (en K), η coefficient compris entre 1 et 2.

    Application numérique diode au silicium à 25 °C = 300 K : 25 mVBk T q

    = ; IS ≈ 10-12 A.

    Il existe des limitations en intensité et en tension afin d’éviter un claquage destructif de la diode. En TP, il faut faire

    attention à ne pas dépasser la puissance maximale pouvant être dissipée par la diode.

    I.2 Linéarisation par morceaux

    anode cathode anode cathode

    ud

    id

    ud (en volts)

    id (en ampères)

    -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

    -0.04

    -0.02

    0

    0.02

    0.04

    id (en ampères)

    -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

    -0.04

    -0.02

    0

    0.02

    0.04 Pente Gd

    seuil V0 = 0,6 V

    ud (en volts)

  • Diodes (32-201) Page 2 sur 12 JN Beury

    Pour ud supérieure à 0,5 V, le courant augmente fortement. On peut modéliser cette zone par une droite de pente Gd

    (conductance dynamique) i u ∆

    = ∆

    très importante et d’abscisse à l’origine 0,6V. On a donc deux zones de

    fonctionnement :

    • Si ud ≥ V0 : ( )0d d di G u V= − . La diode est passante. En posant 1

    d d

    R G

    = , on a 0d d du R i V= + . C’est la même

    caractéristique qu’un générateur de tension de fem V0 en série avec une résistance Rd (ordre de grandeur 30 Ω). Comme un dipôle est entièrement déterminé par sa caractéristique, la diode passante est équivalente au dipôle suivant :

    Remarque : la diode ne fournit aucun courant. Le générateur V0 s’oppose au passage du courant. • Si ud ≤ V0 : id = 0. La diode est bloquée. La diode est équivalente à un interrupteur ouvert.

    On fera donc des hypothèses de fonctionnement sur la diode, ce qui permet de remplacer un dipôle non linéaire par un

    dipôle linéaire et d’appliquer les théorèmes généraux vus au 1er chapitre. Il ne faut pas oublier de vérifier les

    hypothèses de fonctionnement : • Si on suppose que la diode est passante, alors on a 0du V≥ . Il faut vérifier à la fin des calculs que la diode est

    bien passante, c’est à dire que 0di ≥ .

    • Si on suppose que la diode est bloquée, alors on a 0di = . Il faut vérifier à la fin des calculs que la diode est bien

    bloquée, c’est à dire que 0du V≤ .

    I.3 Diode avec seuil On peut souvent considérer la pente comme infinie. On a alors le modèle suivant :

    • Si ud = V0 : 0di ≥ . La diode est passante. La diode est équivalente à un générateur de tension de fem V0.

    ud (en volts) -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

    -0.04

    -0.02

    0

    0.02

    0.04

    Droite verticale

    seuil V0 = 0,6 V

    id (en ampères)

    id

    ud ud

    id

    Rd

    V0

    id

    ud ud

    Attention au sens du générateur de tension V0 par rapport à celui de la diode.

  • Diodes (32-201) Page 3 sur 12 JN Beury

    Remarque importante : le générateur de tension s’oppose au passage du courant.

    • Si ud ≤ V0 : id = 0. La diode est bloquée. La diode est équivalente à un interrupteur ouvert.

    On fera dans les exercices des hypothèses de fonctionnement sur la diode. • Si on suppose que la diode est passante, on a donc 0du V= . Il faut vérifier à la fin des calculs que la diode est

    bien passante, c’est à dire que 0di ≥ .

    • Si on suppose que la diode est bloquée, on a donc 0di = . Il faut vérifier à la fin des calculs que la diode est bien

    bloquée, c’est à dire que 0du V≤ .

    I.4 Diode idéale La tension de seuil V0 vaut environ 0,2 V pour une diode au germanium et 0,6 V pour une diode au silicium. Dans de nombreux cas, les tensions dans le montage comportant des diodes sont très supérieures à la tension de seuil, on peut donc négliger V0. Le modèle de la diode idéale consiste à prendre V0 = 0 V. On a la caractéristique suivante : • Si ud = 0 : 0di ≥ . La diode est passante. La diode est équivalente à

    interrupteur fermé.

    Remarque : Le fait de supposer la diode passante ne donne aucun renseignement sur l’intensité.

    • Si ud ≤ 0 : id = 0. La diode est bloquée. La diode est équivalente à un interrupteur ouvert.

    • Si on suppose que la diode est passante, on a donc 0du = . Il faut vérifier à la fin des calculs que la diode est

    bien passante, c’est à dire que 0di ≥ .

    • Si on suppose que la diode est bloquée, on a donc 0di = . Il faut vérifier à la fin des calculs que la diode est

    bien bloquée, c’est à dire que 0du ≤ .

    II. DIODE ZENER

    id

    ud ud

    id

    V0

    id

    ud ud

    ud

    id

    id

    ud ud

    id

    ud ud

  • Diodes (32-201) Page 4 sur 12 JN Beury

    On a l’effet Zener1 lorsque la tension aux bornes de la diode est inférieure à une tension inverse (- VZ0 avec VZ0 qui peut varier de 2,6 V à 200 V). La diode est alors parcourue par un fort courant inverse2. Pour une tension supérieure à VZ0, la diode Zener a la même caractéristique qu’une diode normale.

    On peut souvent négliger la tension de seuil V0 et considérer des parties de droites : c’est le modèle de la diode Zener idéale.

    On a donc 3 zones de fonctionnement :

    • Si ud = 0 : id ≥ 0. La diode est passante. • Si -VZ0 ≤ ud ≤ V0 : id = 0. La diode est bloquée. • Si ud = –VZ0 : id ≤ 0. C’est l’effet Zener.

    1 La diode Zener est souvent utilisée comme diode stabilisatrice de tension. 2 Il existe des limites à ne pas dépasser sous peine de destruction du composant.

    -5 -4 -3 -2 -1 0 1

    -0.04

    -0.02

    0

    0.02

    0.04

    Tension Zener -VZ0

    seuil V0 = 0,6 V

    ud (en volts)

    id (en ampères)

    -5 -4 -3 -2 -1 0 1

    -0.04

    -0.02

    0

    0.02

    0.04

    Tension Zener -VZ0

    ud (en volts)

    id (en ampères)

    ud

    id

  • Diodes (32-201) Page 5 sur 12 JN Beury

    III. MÉTHODE DE RÉSOLUTION DES CIRCUITS NON LINÉAIRES

    Les théorèmes généraux vus dans le premier chapitre ne sont valables que pour des circuits linéaires. On ne peut donc pas étudier directement le circuit comprenant des éléments non linéaires. Si on applique une tension sinusoïdale à l’entrée, la sortie ne sera pas sinusoïdale contrairement aux circuits linéaires, on aura donc un enrichissement du spectre. On pourra utiliser un analyseur de spectre pour étudier les harmoniques qui constituent la distorsion du signal. • On fait des hypothèses de fonctionnement pour se ramener à des zones de fonctionnement linéaire. L’énoncé

    précise quel modèle de diode doit être utilisé. • Ces hypothèses étant faites, on calcule les différentes tensions ou intensités recherchées. • Il faut à la fin des calculs vérifier les hypothèses pour s’assurer que c’est bien cohérent. Il ne faut jamais

    oublier cette dernière étape qui valide les calculs précédents…

    Remarque : Le mode de fonctionnement de la diode est souvent intuitif. Le choix de la bonne hypothèse ne

    pose en général pas de problème mais pour être rigoureux dans le raisonnement, il est préférable de suivre

    cette démarche. Il faut prouver avant d’affirmer !!!

    IV. REDRESSEMENT SIMPLE ALTERNANCE

    IV.1 Montage avec une diode idéale On considère le montage suivant comportant une résistance R et une diode idéale. On prend Ve de la forme : ( )sine mV E tω= .

    a) 1ère hypothèse • Supposons que la diode est passante : 0du = . • La tension de sortie vaut : S eV V= .

    • Vérification des hypothèses : S ed V V

    i R R

    = = . Pour que 0di ≥ , il faut que 0eV ≥ .

    b) 2ème hypothèse • Supposons que la diode est bloquée : 0di = . • La tension de sortie vaut : 0SV = . • Vérification des hypothèses : d eu V= . Pour que 0du ≤ , il faut que 0eV ≤

    c) Conclusion • Si 0eV ≥ , la diode est passante et S eV V= . • Si Ve ≤ 0, la diode est bloquée et 0SV = .

    On a donc la caractéristique suivante :

    RVe VS ud

    id

    Ve

    VS

  • Diodes (32-201) Page 6 sur 12 JN Beury

    d) Visualisation à l’oscilloscope Avec une diode au germanium et R = 100 kΩ, on observe à l’oscilloscope la