vignette|Différents types de diodes, avec dans le bas, un pont de diodes
La diode (du grec di deux, double ; odos voie, chemin) est un composant électronique. C'est un dipôle non linéaire et polarisé (ou non symétrique). Le sens de branchement d'une diode détermine le fonctionnement du circuit électronique dans lequel elle est placée.
Sans précision, ce mot désigne un dipôle qui ne laisse passer le courant électrique que dans un sens. Ce dipôle est appelé diode de redressement lorsqu'il est utilisé pour réaliser les redresseurs qui permettent de transformer le courant alternatif en courant continu.
Généralités Pour aborder l'électricité, on fait souvent appel à une analogie hydraulique. Si on compare l'électricité à un liquide circulant dans une canalisation, la diode est un clapet anti-retour. Dans un sens, à 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 caractéristiques d'une diode : courant de fuite, courant inverse, courant maximal, allure de la caractéristique, temps de réponse… L'analogie est toutefois imparfaite car l'électricité ne se comporte pas comme un fluide. Certains usages des diodes tirent parti de propriétés qu'il est finalement plus simple d'examiner en tant que telles, plutôt que de pousser l'analogie avec l'hydrodynamique.
Depuis la généralisation des semi-conducteurs, ceux-ci sont à la base de toutes les diodes. La diode à vide, tout comme la diode à vapeur de mercure appartiennent à l'histoire.
Historique Karl Ferdinand Braun découvrit en 1874 qu'un cristal de galène laissait passer le courant électrique dans un sens, tout en le bloquant dans l'autre. Ce premier dispositif est aujourd'hui connu sous le nom de diode à pointe, bien que le physicien William Eccles n'ait proposé le terme diode qu'en 1919, pour la diode à videTrésor de la langue française informatisé, « diode » ; Oxford English Dictionnary « Diode ».. Jagadish Chandra Bose l'utilisa pour la détection des ondes radio, et ce système fut largement diffusé dès les débuts de la radiodiffusion, dans les années 1920, dans le poste à galène.
Au début du , on utilisait des redresseurs à oxyde de cuivre ou au sélénium pour la conversion du courant alternatif en courant continu. Cette utilisation persista dans la plus grande partie du siècle pour la charge des batteries.
En 1901, Peter Cooper Hewitt inventa le redresseur à vapeur de mercure, utilisé pour les applications de puissance jusqu'aux années 1970.
À la même époque, recherchant à améliorer la détection des ondes radio, John Fleming mettait au point le premier tube électronique, la diode à vide, dont la cathode, chauffée, émet des électrons que l'anode peut capter, tandis que le contraire n'est pas possible. C'est à l'époque du premier essor de l'électronique, autour des industries du téléphone et de la radio, que les ingénieurs adoptent le terme de diode pour un tube électronique à deux électrodes, tandis que la triode, inventée en 1906, en a trois.
La diode à semi-conducteur au germanium ou au silicium vient remplacer les tubes à vide après la Seconde Guerre mondiale. Leur chute de tension dans le sens direct (sens passant) est moins élevée à courant égal et elles sont plus pratiques à mettre en œuvre, n'exigeant pas de courant de chauffage. Cependant, les diodes à vide persistent tant que le tube électronique reste l'élément actif des appareils : elles fournissent une tension compatible avec les autres tubes, et l'alimentation des circuits doit de toute façon fournir un courant de chauffage des filaments.
Le développement des semi-conducteurs a entraîné la création de nombreuses variétés de diodes, exploitant les caractéristiques de la jonction P-N, ou, dans le cas des diodes électroluminescentes, des propriétés annexes du matériau.
Symbole vignette|Symboles de la diode et boitiers cylindriques standards avec l'emplacement de la cathode (K). La norme CEI 60617 définit les symboles pour les schémas en électronique ..
Le schéma normalisé CEI, symbole général de la diode à semi-conducteur, apparaît sur la figure ci-contre à la deuxième ligne sous la représentation plus commune.. On trouve encore une variante avec le triangle rempli en noir., et entouré d'un cercle..
Les notes d'application de fabricants de diodes reflètent une diversité d'usage, avec la forme normalisée Vishay, Application Notes, Physical explanation, 2011., la forme sans trait central Diodes incorporated, Application and design notes, AN55 : ZXCT1041 as a precision full wave rectifier, 2008 ; [www.st.com ST Microelectronics], AN443 Series Operation of Fast Rectifiers, 2004. ou celle avec le triangle noir Vishay, Application Notes Power Factor Correction with Ultrafast Diodes, 2008 ; [www.st.com ST Microelectronics], Converter Improvement Using Schottky Rectifier Avalanche Specification, 2004..
Fabrication vignette|A : représente l'anode, reliée à la jonction P. K : représente la cathode, reliée à la jonction N. Les diodes sont des composants fabriqués à partir de semi-conducteurs. Leur principe physique de fonctionnement est utilisé dans de nombreux circuits actifs en électronique.
Une diode est créée en accolant un substrat déficitaire en électrons c'est-à-dire riche en trous (semi-conducteur type P) à un substrat riche en électrons libres (semi-conducteur de type N ou métal).
La plupart des diodes sont réalisées par la jonction de deux semi-conducteurs : l'un dopé « P » l'autre dopé « N ».
La diode Schottky est constituée d'une jonction semi-conducteur/métal.
La connexion du côté P s'appelle l'anode ; celle du côté N ou métal porte le nom de cathode.
Seule la diode Gunn échappe totalement à ce principe : n'étant constituée que d'un barreau monolithique d'arséniure de gallium, son appellation diode peut être considérée comme un abus de langage..
Pour les diodes cylindriques, le côté de la cathode est généralement repéré par un anneau de couleur. D'autres formes de repérage existent selon la nature de l'encapsulation de ces composants.
Fonctionnement théorique La diode est un dipôle à semi-conducteur (jonction P-N), qui possède deux régimes de fonctionnement : bloqué et passant.
Ces régimes de fonctionnement ne sont pas contrôlables directement, mais dépendent de la tension aux bornes de la diode et de l'intensité du courant (courant direct, peut aussi s'écrire avec F pour ) la traversant.
Diode bloquée état de la diode quand , ce qui empêche le passage du courant dans la diode ; . Diode passante état de la diode quand , ce qui entraîne .
Caractéristique Caractéristique réelle vignette|Caractéristique courant/tension d'une diode. Lorsque la diode est bloquée, n'est pas complètement nul mais vaut quelques (courant de fuite).
est une donnée fournie par les constructeurs et vaut typiquement : pour les diodes au germanium ; pour les diodes au silicium.
Le courant qui traverse la diode s'obtient par l' (voir : « William Shockley ») :
où : est la tension aux bornes de la diode ; (appelé tension thermique) est égal à où est la constante de Boltzmann, la température absolue de la jonction et la charge d’un électron. à () ; est le facteur de qualité de la diode, généralement compris entre 1 et 2 ; 1 pour une diode de « signal » (comme le type 1N4148) ; est la constante spécifique au type de diode considéré, homogène à un courant. Cette constante est aussi appelée « courant de saturation » de la diode.
Modélisation de la diode à l'aide de la caractéristique À l'aide de la caractéristique on peut modéliser une diode passante par l'association d'une force électromotrice (la tension de seuil) qui s'oppose au passage du courant en série avec une résistance (la résistance dynamique).
La diode dont la caractéristique dans le sens passant est représentée ci-dessus peut être modélisée par l'association de et .
L'inverse de la résistance dynamique de la diode est la pente de sa caractéristique.
Dans certains cas il sera judicieux de négliger l'un ou l'autre de ces paramètres : la tension de seuil si elle est faible par rapport aux autres tensions du montage ; la résistance dynamique si la chute de tension qu'elle provoque est faible devant les tensions du montage.
Lorsque la diode est dite idéale, on suppose que ces deux derniers paramètres sont nulsCEI Electropedia 131-12-08..
Caractéristique d'une diode idéale vignette|center|Caractéristique d'une diode idéale.|500x500px
Caractéristiques techniques Valeur de la tension de seuil, notée dans les documents constructeurs (F pour , direct). (ou ) est l'intensité du courant direct traversant la diode de A vers K. est la tension aux bornes de la diode quand celle-ci est bloquée, (R pour ).
Principe Lors de l'aboutement des deux cristaux, les électrons surabondants de la partie N ont tendance à migrer vers la partie P pour y boucher les « trous » (phénomènes de diffusion et de recombinaison). En cédant chacun un électron, les atomes dopés de la partie N deviennent des ions positifs alors que les atomes dopés de la partie P contigus à la jonction deviennent des ions négatifs en gagnant ces électrons. Ces ions sont fixes et il se crée ainsi une barrière électrostatique croissante s'opposant, à l'équilibre, au phénomène de diffusion. Cette zone située de part et d'autre de la jonction sans porteur de charge mobile et isolante, est appelée zone de déplétion. Et il existe donc aussi, à l'équilibre thermodynamique, une différence de potentiel entre la partie N et la partie P (dite potentiel de jonction) ; celle-ci est de l'ordre de pour les diodes à substrat silicium, pour le germanium et les diodes Schottky ; elle est plus importante pour certains substrats type III-V comme GaAs ou les diodes électroluminescentes. Le champ électrique est maximal aux abords de la jonction, dans une zone appelée zone de charge d'espace, ZCE.
Si maintenant l'on applique une tension positive côté N et négative côté P, la polarisation de la diode est dite « inverse » et la jonction « se creuse » : les électrons de la section N sont attirés vers l'extrémité du barreau, un phénomène symétrique se produit côté P avec les trous : la ZCE s'étend, aucun courant ne peut circuler, la diode est dite « bloquée » ; elle se comporte alors comme un condensateur, une propriété mise à profit dans les varicaps, diodes dont la capacité varie en fonction de la tension inverse qu'on leur applique ; elles sont utilisées entre autres dans la réalisation d'oscillateurs commandés en tension (OCT, anglais VCO).
Lorsque la tension inverse devient suffisamment grande, on observe deux phénomènes ayant des causes distinctes : l'énergie du champ électrique devient suffisante pour permettre aux électrons 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 à une tension d'autant plus faible que la ZCE est mince ; les paires électrons-trous créées dans le substrat à la suite de l'agitation thermique, accélérées par le champ électrique externe, vont pouvoir acquérir une énergie cinétique suffisante pour arracher, par choc contre le réseau cristallin, d'autres électrons qui vont s'extraire des liaisons covalentes et en frapper d'autres (effet d'avalanche).
vignette|Diode Zener. Ces deux phénomènes, dont la prédominance résulte de la concentration en dopant, donnent lieu à l'apparition d'un courant inverse important et non limité, qui aboutit souvent à la destruction (claquage) du cristal par effet Joule. La diode présente en effet une résistance très faible dans cette plage de fonctionnement. La tension inverse à laquelle se produit le phénomène d'avalanche s'appelle tension d'avalanche (souvent notée VBR de l'anglais )