Diòde

Diòde de silici de joncion P-N (l'anòde es a dreta, lo catòde a esquèrra).

Representacion internacionau d'un diòde.

Un diòde es un compausant electronic. Es un dipòle electric non linear e polarizat, es a díser que lo son sens de brancament determina lo foncionament deu circuit electric on es plaçada. Shens precision particulara, un diòde es un compausant que permet lo passatge deu corrent unicament dens un sens. Lo diòde es gessit de recèrcas realizadas a la fin deu sègle XIX. La soa invencion permetó l'aparicion de l'electronica. Existeish un hum de diòdes diferents, mes despuish la Segonda Guèrra Mondiau, los diòdes de semiconductor constituïts d'una joncion P–N e los sons derivats son vadudas majoritàrias e quasi egemonicas en electronica, en electrotecnica e en esclairatge.

Istòria

Los diòdes primitius

Article detalhat : Tube electronic.

La descobèrta deus diòdes avó lòc a la fin deu sègle XIX dens l'encastre de recèrcas suus redreçaires e sus la deteccion de las ondas ràdio. La descobèrta de l'efèit termoionic en 1873 peu fisician britanic Frederick Guthrie (1833-1886) es sovent citada com punt de partença, mes l'estudi deu passatge deu corrent dens un cristau de galena miada en 1874 per l'Alemand Ferdinand Braun (1850-1918) es tanben a l'origina d'òbras ulterioras importantas. Dens los dus cas, descobrín materiaus on lo passatge de l'electricitat non respectava pas la lei d'Ohm. En particular, Braun demostrè que la conduccion electrica dins la galena varia segon lo sens deu corrent aplicat.

Aquò miè a la concepcion deu diòde de vapor de mercuri per Peter Cooper Hewitt (1861-1921) en 1902 e deu tube electronic per John Ambrose Fleming (1849-1945) en 1904. Aqueths compausants permetón l'aparicion de l'electronica e estón largament utilizats dinc a las annadas 1970. Totun, a tèrmi cort, la ràdio e la telegrafia shens hiu estón los dus maines d'aplicacion principaus dab l'invencion deu pòst de galena, basat sus ua fòrma primitiva de semiconductors, per Jagadish Chandra Bose (1858-1937).

Los diòdes de semiconductor

Article detalhat : Semiconductor.

Las proprietats semiconductoras deu silici estón descobèrtas en 1906 per l'engenhaire estatsunidenc Greenleaf Whittier Pickard (1877-1956). Totun, la concepcion d'un procediment industriau de purificacion deu silici demorè un obstacle a ua utilizacion reau dinc a la Segonda Guèrra Mondiau. La concepcion e l'observacion de la prumèra joncion P-N peu fisician Russell Ohl (1898-1987), enter 1939 e 1941, estó ua estapa decisiva. Los diòdes de silici e germani s'impausèn après 1945 gràcias a un còst de fabricacion mei febla. En mei, non necessitavan pas de corrent de cauhatge.

Cronologia de l'explosion deus diòdes

Après la descobèrta deus diòdes de semiconductor, un nombre important de tecnologias apareishón e l'estudi deus diòdes que's dividí lèu en sosdomenis distints. Mantua descobèrta importanta es resumida dens la cronologia ací devath :

• 1927 : prumèr depaus de brevet entà un diòde electroluminescent per Oleg Lossev (1903-1942), pionèr sovietic de la recèrca suus semiconductors.
• 1934 : descobèrta de l'efèit Zener per Clarence Zener (1905-1993).
• Annadas 1950 : concepcion deu diòde Zener. Los prumèrs modèles comerciaument disponibles sortín pendent las annadas 1960.
• 1950 : invencion deu diòde PIN per Jun-ichi Nishizawa (1926-2018).
• 1957 : invencion deu diòde d'efèit tunèl per l'equipa deu Japonés Leo Esaki (vadut en 1925).
• 1962 : premier diòde electroluminescent roge.
• Annadas 1990 : concepcion deus diòdes electroluminescents blus e blancs actuaus per Shuji Nakamura (vadut en 1954), Isamu Akasaki (1929-2021) e Hiroshi Amano (vadut en 1960).

• 
  Frederick Guthrie (1833-1886)
• 
  John Ambrose Fleming (1849-1945)
• 
  Ferdinand Braun (1850-1918)
• 
  Jagadish Chandra Bose (1858-1937)
• 
  Greenleaf Whittier Pickard (1877-1956)
• 
  Oleg Lossev (1903-1942)
• 
  Leo Esaki (vadut en 1925)
• 
  Jun-ichi Nishizawa (1926-2018)
• 
  Isamu Akasaki (1929-2021)
• 
  Shuji Nakamura (vadut en 1954)
• 
  Hiroshi Amano (vadut en 1960)

Principi e descripcion

Generalitats

Simbèu internacionau deu diòde, lo sens deu triangle indica lo sens possible deu passatge deu corrent.

Un diòde es un dipòle electric de semiconductor (joncion P-N) que tien dus regimes de foncionament : blocat e passant. Aqueths regimes de foncionament non son pas controlables dirèctament pr'amor que dependen de la tension V_AK a las bòrnas :

• si la tension V_AK es inferiora a ua tension lindau V_lindau, alavetz l'intensitat deu corrent que passa peu diòde I_D es nulla.
• si la tension V_AK es superiora a V_lindau, i a passatge d'un corrent electric I_D non nul.

Dens l'encastre de l'analogia idraulica, lo diòde es donc assimilable a un clapet anti-retorn. Dens un sens, a partir d'ua pression lindau deu fluide, lo clapet dèisha passar lo fluide mes, dens l'aute sens, lo fluide non poirà pas obrir lo clapet e passar.

Diòde ideau

Caracteristicas e esquèmas equivalents d'un diòde ideau.

Lo diòde ideau (o diòde perfèit) es caracterizat per la soa tension V_lindau lindau e la soa intensitat dirècta I_D. Si la tension aplicada a las bòrnas es inferiora a V_lindau, lo diòde blòca lo passatge deu corrent e es equivalent a un interruptor obèrt. Si la tension aplicada es egau o superiora a V_lindau, permet lo passatge deu corrent. Es alavetz equivalenta a un dipòle electric de tension V_lindau que dèisha passar lo corrent entrant. Si la tension lindau es nulla, lo diòde es equivalent a un simple hieu .

Generaument, dens lo cas d'un diòde de silici, la tension lindau es egau a 0,7 V e pòt estar negligida au par de las autas tensions deu circuit.

Diòde reau

Caracteristicas de foncionament d'un diòde reau.

Lo diòde reau es tostemps caracterizat per la tension V_lindau e l'intensitat dirècta I_D. Totun, tien tanben ua resisténcia electrica intèrna e ua tension de rompedura V_rompedura. Es possible de definir tres zònas de foncionament :

• quan lo corrent circula dens lo sens passant, lo comportament es relativament similar au diòde ideau. Si la tension es inferiora a la tension lindau, lo corrent passant es quasi nul. Si la tension es superiora a la tension lindau, un corrent passa mes aumenta drin a drin dab la tension.
• quan lo corrent circula dens lo sens blocant, lo diòde dèisha passar un corrent de hueita de quauquas µA. Aqueth regime fonciona si la tension non despassa pas la tension de rompedura.
• quan lo corrent circula dens lo sens blocant e que la tension de rompedura es passada, lo corrent tòrna passar. Totun, lo diòde es lèu destrusit per efèit eslit.

Dens las condicions de foncionament, las tensions lindau son egaus a 0,3 V peus diòdes de germani e de 0,7 V peus diòdes de silici. L'intensitat deu corrent passant es donat per l'equacion de Shockley :

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

Dab V_j la tension a las bòrnas dau diòde, V₀ la tension termica qu'es egau a k_b.T/e (sia 26 mV a 20 °C), n un factor de qualitat dau diòde generaument comprés enter 1 e 2 e I₀ una constanta aperada « corrent de saturacion » que despend deu compausant.

La resisténcia intèrna deu diòde entraina egaument ua dissipacion d'energia per efèit Joule. Totun, los diòdes non pòden pas resistir a ua temperatura tròp hauta. Atau, existeish ua poténcia maximau d'utilizacion. En delà, lo diòde risca de cremar.

Principi de foncionament

Esquèma simplificat d'una joncion P-N.

Article detalhat : Joncion P-N.

Lo foncionament d'un diòde es basat sus ua joncion P-N, es a díser sus la joncion de dus materiaus semiconductors dopats positivament e negativament. La partida dopada negativament deu cristau tien un excès d'electrons e la partida dopada positivament ua ua manca. Au nivèu de la joncion, los atòmes dopats N pèrden un electron e vaden ions positius. Lo fenomèn contrari a lòc dens la partida P. Com aqueths ions son fixes, aqueras transformacions crean ua barrèra opausada au passatge deu corrent, aperada zòna de deplecion, qu'es caracterizada per ua diferéncia de potenciau :

• si ua tension positiva es aplicada deu costat dopat negativament e ua tension negativa deu costat dopat positivament, los electrons son atirats cap au costat dopat negativament. Los electrons son donc mensh disponibles tà passar la zòna de deplecion. La barrèra de potenciau aumenta, çò qu'explica l'abséncia de passatge de corrent dens lo sens indirècte deu diòde.
• si ua tension positiva es aplicada deu costat P e negativa deu costat N, los electrons son dirigits cap tà la zòna de deplecion. Si la tension es superiora a la diferéncia de potenciau de la barrèra, los electrons pòden sautar la barrèra, çò qu'explica la conduccion deu corrent dens lo sens dirècte dau diòde.

Autas familhas de diòdes

Diòde Schottky

Article detalhat : Diòde Schottky.

Lo diòde Schottky es constituïda d'ua joncion metau-semiconductor en plaça d'ua joncion P-N classic. Aquò permet d'abaishar la tension lindau enter 0,15 e 0,45 V e de diminuïr la durada de commutacion enter l'estat passant e l'estat blocat. Aqueth tipe de diòde es donc plan utilizat entà protegir los transistors en limitant la tension e en empachant la saturacion. La pèrta d'energia per efèit Joule es tanben mensh importanta. Totun, son mei fragiles que los diòdes abituaus (tension de clacatge mei febla, horca de temperatura mei febla, etc.).

Diòde Zener

Article detalhat : Diòde Zener.

Lo diòde Zener es un diòde dab un dopatge mei important qu'un diòde convencionau. Dens lo sens dirècte, lo son foncionament es quasi identic a un diòde ordinari. Totun, es tanben capabla de foncionar dens lo sens indirècte. En efèit, en delà d'ua tension lindau aperada tension de Zener, permet lo passatge d'un corrent shens riscar la destruccion. Existeish ua larja gamma de modèles prepausant tensions de Zener compresas enter 2 e 300 V. Aqueths diòdes son generaument utilizats entà descrestar ondas e descalar o regular tensions.

Diòde Transil

Article detalhat : Diòde Transil.

Lo diòde Transil es un diòde de supression de tensions transitòrias, tensions generaument presentas a l'alumatge d'un circuit e que pòden aténher valors plan superioras a las valors de foncionament normaus. Lo son principi es similar aus diòdes Zener mes lo son mòde de defalhiment principau es lo cortcircuit. Atau, pendent l'establiment d'un regime estacionari dens un circuit, lo diòde permet l'evacuacion deus corrents tròp importants cap a la tèrra. Puish, pendent lo foncionament normau, blòca las hueitas cap a l'exterior si si lo son lindau non es pas atenhut : lo corrent passa alavetz normaument cap a la rèsta deu circuit.

Diòde electroluminescent

Eclairage realizat dab diòdes electroluminescents.

Article detalhat : Diòde electroluminescent.

Lo diòde electroluminescent es un dispositiu optoelectronic capable d'eméter ua lutz o ua radiacion infraroja, monocromatica o policromatica, quan un corrent electric passa dens lo sens dirècte. Aqueth fenomèn a lòc principaument dens la partida dopada positivament. Los electrons i arriban entà comolar las lacunas electronicas, mas aucupan orbitalas atomicas hautas, energeticament cargadas. La desexcitacion d'aqueths atòms, per transicion deus electrons cap a d'orbitalas mei establas, es acompanhada de l'emission d'un foton, a l'origina de la luminescéncia. Despuish los ans 2000, aqueths diòdes son plan utilizats entà remplaçar los esclairatges tradicionaus a basa d'ampolas.

Diòde PIN

Cas generau

Article detalhat : Diòde PIN.

Un diòde PIN, de l'anglés Positive Intrinsic Negative diode, es un diòde constituït d'ua zòna non dopada, dita zòna intrinsèca I, intercalada enter las duas zònas dopadas P e N. Dens lo sens dirècte, la zòna I aumenta la resisténcia deu diòde au passatge deu corrent, mes aquera resisténcia es variabla e diminueish dab l'intensitat. Atau, lo diòde PIN es un diòde d'impedància variabla, controlada per l'intensitat, çò que permet de l'utilizar com redreçaire de tensions hòrtas o com atténuateur variabla. Dens lo sens indirècte, lo diòde a lo comportament d'un condensator de febla valor, çò que permet de l'utilizar com commutator rapide, en particular sus sistèmas hautas frequéncias .

Diòde lasèr

Diòde lasèr en foncionament.

Article detalhat : Diòde lasèr.

Lo diòde lasèr un tipe de diòde PIN qu'emet ua lutz monocromatica coerenta, es a díser un lasèr. Lo miei intrinsèc es la region activa e los electrons e las lacunas electronicas deus mieis N e P son utilizats peu pompatge. Dab los fotodiòdes e los fototransistors, lo diòde lasèr es un compausant essenciau deus legidors e gravaires de disques optics. Uei, los diòdes lasèr son la hont de lasèrs la mei venuda dens lo monde.

Fotodiòde

Article detalhat : Fotidiòde.

Un fotodiòde es un compausant avent la capacitat de captar un arrajòu deu maine optic e d'ac transformar en senhau electric. Lo son principi de foncionament es basat sus la liberacion d'electrons per un materiau après ua absorcion de fotons.

Diòdes ancians

Diòde d'efèit tunèl

Article detalhat : Diòde d'efèit tunèl.

Un diòde d'efèit tunèl (ò diòde Esaky) es un diòde constituït de dus partidas N e P iperdopadas. La multiplicacion deus portaires entraïna l'aparicion d'un corrent gràcias au trespassatge qüantic de la barrèra de potenciau per efèit tunèl. Un tau diòde que's compòrta com un diòde de tension de Zener nulla. Aqueths diòdes èran utilizats dens circuits necessitant un temps de commutacion plan brèus (dinc a 5 GHz). La produccion es plan limitada pr'amor que las aplicacions son raras per aqueth tipe de diòde.

Diòde de vueit

Article detalhat : Diòde de vueit.

Lo diòde de vueit es un tube electronic utilizat com diòde a la debuta deu sègle XX. Es compausat d'un catòde emetedor d'electrons, d'un filament de tungstèn alimentat per un corrent electric de baisha tension e d'un anòde situat a l'entorn deu catòde. Aqueths diòdes son dispositius obsolets que son enqüèra utilizats entà reparar d'aparelhs ràdio ancians.

Aplicacions deus diòdes

En electronica

Los diòdes an aplicacions nombrosas en electronica. En seria, dens un circuit, pòden servir entà redreçar ua tension, es a díser convertir un corrent alternatiu en un corrent continú, entà protegir un circuit alimentat en corrent continú contra ua error de brancament en empachant la circulacion deu corrent dens lo maishant sens e entà detectar la valor cresta o l'envolòpa d'ua modulacion pendent ua transmission de modulacion d'amplitud. Dens un circuit en parallèl, los diòdes permeten de restituïr ua compausanta continua per la transposicion d'un senhau electric, de regular ua tension simpla o ua tension de referéncia e de realizar montatges protectors contra las subertensions. Enfin, diòdes montats en seria e en parallèl permeten de constituïr un montatge multiplicator de tensions.

En electrotecnica

Article detalhat : Redreçaire.

Los diòdes son un dipòle de basa de l'electronica de poténcia. En corrent alternatiu, pòden estar utilizadas entà diminuïr la poténcia hornida per l'alimentacion a un receptor. En efèit, en suprimint ua alternança, permeten de dividir la poténcia transmesa per dus. Los diòdes son tanben un compausant centrau deus montatges redreçaires destinats a produsir un corrent continú a partir d'un corrent alternatiu. Per exemple, es lo cas deu pont de diòdes (o pont de Graetz) qu'es un montatge de quate diòdes permetent de redreçar un corrent alternatiu monofasat.

En esclairatge

Los diòdes electroluminescents emetent ua color blanca que pòt activar substàncias quimicas entà produsir colors mei variadas. Necessitant ua quantitat d'energia febla entà foncionar, aqueths esclairatges an ua larja gamma d'aplicacions (esclairatge public, lutz de veïcule, ecrans, ampolas domesticas, etc.).

Annèx

Ligams intèrnes

• Conduccion electrica.
• Diòde electroluminescent.
• Diòde PIN.
• Diòde Schottky.
• Diòde Transil.
• Diòde Zener.
• Dipòle.
• Electricitat.
• Electronica.
• Electrotecnica.
• Esclairatge.
• Fotodiòde.
• Joncion P-N.
• Germani.
• Redreçaire.
• Semiconductor.
• Silici.
• Tube electronic.

Bibliografia

• (fr) J. C. Duez, « Utilisation élémentaire des diodes », dins Électronique appliquée 1 – 1re F2, Hachette, París, coll. « Classiques Hachette », 1972, pp. 63-90.
• (fr) Christophe François, Génie électrique - Cours complet illustré - Les grandes fonctions de la chaîne d’information - IUT, BTS, CPGE (TSI et ATS), écoles d’ingénieurs, Ellipses, 2016.
• (fr) Bogdan Grabowski, Fonctions de l'électronique, Dunod, París, 1980, pp. 9-24.
• (fr) Bogdan Grabowski, Composants de l'électronique, Dunod, París, 1982, pp. 155-181.
• (fr) Marcel Mounic, Électronique – Redressement, première partie – Procédés de calculs – Redressement monophasé et polyphasé à commutation naturelle (diodes), París, Fouchet, 1969.
• (en) W. G. Pfann e W. van Roosbroek, « Radioactive and Photoelectric p‐n Junction Power Sources », Journal of Applied Physics, vol. 25, n° 11, novembre de 1954, pp. 1422-1434.
• (en) William Shockley, « The Theory of p-n Junctions in Semiconductors and p-n Junction Transistors », The Bell System Technical Journal, vol. 28, n° 3, julhet de 1949, pp. 435-489.
• (fr) Libero Zuppiroli e Daniel Schlaepfer, Lumières du futur, Presses polytechniques et universitaires romandes, 2011.