Diodes et redresseurs : fondamentaux, fonctionnement et paramètres clés

Tout sur les diodes

Une diode est un dispositif semi-conducteur qui permet au courant électrique de circuler dans un sens avec une faible résistance, tout en le bloquant dans le sens opposé. Dans la plupart des conceptions de circuits modernes, le terme « diode » désigne des dispositifs petit signal jusqu'à 1 A. Les dispositifs gérant des courants plus élevés (au-dessus de 1 A) sont généralement appelés redresseurs.

Les diodes semi-conductrices sont représentées dans les schémas par un symbole distinctif : un triangle pointant vers une ligne. Le triangle représente l'anode (côté type P) et la ligne la cathode (côté type N). Voir l'illustration ci-dessous pour référence.

Lorsqu'insérée dans un circuit simple batterie-lampe, la diode permet ou bloque le courant dans la lampe, selon la polarité de la tension appliquée (illustré ci-dessous).

Le diagramme montre deux scénarios : (a) polarisation directe, où le courant circule ; (b) polarisation inverse, où le courant est bloqué. Une diode polarisée directement se comporte comme un interrupteur fermé, tandis qu'une diode polarisée inversement se comporte comme un interrupteur ouvert.

Par convention, la pointe de flèche dans le symbole de diode pointe dans le sens du courant conventionnel. Si le flux d'électrons est considéré, la direction du courant est opposée à la flèche.

Analogie vanne de rétention hydraulique

Le comportement de la diode peut être comparé à une vanne de rétention hydraulique, qui ne permet l'écoulement du fluide que dans un sens. La figure ci-dessous montre la vanne dans deux états.

Les vannes de rétention s'ouvrent quand la pression du fluide côté aval dépasse celle côté amont, et se ferment sinon. De même, une diode permet le courant quand la polarité de tension aux bornes est correcte, et bloque le courant quand la polarité est inversée.

Dans un circuit batterie-diode-lampe, la chute de tension aux bornes de chaque composant change avec la polarisation. Le diagramme suivant illustre la distribution de tension.

Configuration diode polarisée directement

Lorsqu'une diode est polarisée directement, elle conduit et chute une petite tension — typiquement environ 0,7 V pour les diodes silicium et 0,3 V pour les diodes germanium — tandis que la majorité de la tension source apparaît aux bornes de la charge. En polarisation inverse, la diode bloque presque tout le courant et chute essentiellement toute la tension d'alimentation.

La chute de tension directe provient de l'effondrement de la zone d'appauvrissement à la jonction P-N sous tension appliquée suffisante. Sans tension appliquée, une fine zone d'appauvrissement existe, empêchant la conduction (voir figure).

Le symbole schématique (montré ci-dessous) correspond à la pièce physique : l'anode correspond à la pointe du triangle (type P) et la cathode à la ligne (type N).

Configuration diode polarisée inversement

L'application d'une tension inverse étend la zone d'appauvrissement, augmentant la résistance et bloquant effectivement le courant. L'image suivante démontre la région étendue sous polarisation inverse.

Tension directe

À mesure que la tension directe augmente, la zone d'appauvrissement s'amincit jusqu'à s'effondrer, permettant un flux de courant significatif. Ce seuil est connu comme la tension directe. Pour les diodes silicium, la tension directe typique est 0,7 V ; pour le germanium, 0,3 V. La valeur est largement déterminée par la composition du matériau de la jonction et reste relativement constante sur une large plage de courants directs, ce qui simplifie l'analyse de circuit.

Équation de la diode

La relation exacte entre courant et tension dans une diode est exprimée par l'équation de diode de Shockley :

Ici, kT/q est la tension thermique (≈26 mV à température ambiante). Avec un facteur d'idéalité de 1, l'équation se simplifie à :

Bien que la plupart des analyses introductives traitent la tension directe comme constante, comprendre la nature exponentielle de l'équation est essentiel pour les circuits qui exploitent cette relation — comme les capteurs de température ou redresseurs de précision.

Fonctionnement polarisé inversement

En polarisation inverse, la diode bloque le courant, bien qu'un minuscule courant de fuite circule — négligeable pour la plupart des applications. Si la tension inverse dépasse la limite spécifiée d'une diode, une rupture destructive peut se produire. La tension inverse maximale admissible est appelée Tension Inverse de Crête (PIC) ou Peak Inverse Voltage (PIV), qui varie avec la température : elle augmente quand la température monte et diminue quand le dispositif refroidit.

Les diodes redresseurs typiques ont un PIC d'au moins 50 V à température ambiante, tandis que des dispositifs spécialisés peuvent atteindre plusieurs kilovolts.

Récapitulatif

• Une diode est une valve unidirectionnelle pour le courant électrique.
• Quand la tension appliquée permet le courant, la diode est polarisée directement.
• Quand la tension appliquée bloque le courant, la diode est polarisée inversement.
• La chute de tension aux bornes d'une diode conductrice s'appelle la tension directe ; elle varie peu avec le courant et la température.
• Les diodes silicium présentent une tension directe de ~0,7 V.
• Les diodes germanium présentent une tension directe de ~0,3 V.
• La tension inverse maximale qu'une diode peut tolérer sans rupture est son Peak Inverse Voltage (PIV).

Feuilles de travail associées

• Feuille de travail : Diodes redresseuses
• Feuille de travail : Jonctions PN