Diodes à usage spécial : Schottky, Tunnel, LED, Laser, Photodiode et innovations cellules solaires

Diodes Schottky

Les diodes Schottky sont des dispositifs jonction métal-N, aussi appelées diodes à porteurs chauds. Elles offrent une commutation exceptionnellement rapide, un temps de récupération inverse faible, une chute de tension directe de 0,25–0,4 V pour jonction métal-silicium, et une capacitance de jonction minimale. Le symbole schématique est montré ci-dessous.

Avantages et limitations

• Chute directe et temps récupération inverse plus bas que redresseurs standards → idéales pour circuits haute fréquence.
• Tensions de claquage inverse et courants nominaux plus élevés requis pour applications puissance ; elles conviennent mieux aux régulateurs à découpage basse puissance.

Applications

• Logique informatique haute vitesse et traitement signal.
• Régulateurs à découpage opérant à 100 kHz+ où la chute 0,7 V des diodes silicium gaspillerait de la puissance.
• Alimentations basse tension (ex: 1 V) où une chute 0,7 V est inacceptable.

Diodes Tunnel (Esaki)

Les diodes tunnel exploitent le tunnel résonnant, produisant une région de résistance négative dans leur caractéristique directe. Quand une petite tension directe est appliquée, le courant monte à un pic (I_P), puis chute à une vallée (I_V), et remonte. Les tensions directes au pic et vallée sont V_P et V_V respectivement.

Caractéristiques clés

• Dopage extrêmement lourd (~1000× plus que redresseurs) → région d'appauvrissement fine, basse tension claquage, haute capacitance.
• Région résistance négative stable en température, permettant commutation ultra-rapide au-delà diodes Schottky.
• Petite surface jonction requise pour limiter capacitance.

Cas d'usage typiques

• Oscillateurs haute fréquence (jusqu'à 5 GHz) où la résistance négative de la diode pilote un réservoir LC.
• Circuits micro-ondes spéciaux et premiers émetteurs satellites (années 1960-70).

Diodes électroluminescentes (LED)

Principe d'émission

Les LED génèrent des photons quand les électrons se recombinent avec des trous dans une jonction PN. La longueur d'onde émise est déterminée par le gap de bande du semi-conducteur ; combinaisons courantes incluent GaAsP (rouge), GaN (bleu), et bleu converti par phosphore (blanc).

Électroluminescence et tension directe

• Chute directe varie de 1,6 V (infrarouge) à >3 V (violet/UV).
• Courant de fonctionnement typique : ~20 mA pour LED standard ; dispositifs plus larges peuvent utiliser courants plus élevés.
• Résistances série requises quand alimentées par tension supérieure à Vf de la LED pour limiter le courant.

Exemple : Avec alimentation 6 V et LED 1,6 V, une résistance 220 Ω chute 4,4 V à 20 mA, dissipant 88 mW.

LED multiples

• Branches parallèles requièrent résistances limitatrices individuelles.
• Branches série partagent une résistance unique mais l'alimentation doit supporter la somme des Vf.
• Configurations série-parallèle équilibrent efficacité et luminosité.

Protection polarisation inverse

Les LED ont basse tension de claquage inverse (~5 V). Quand alimentées par AC, une diode ou LED anti-parallèle protège le dispositif. Les demi-périodes AC allument alors deux LED en directions opposées.

Tableau spécifications

LED	λ (nm)	Vf (de)	Vf (à)
Infrarouge	940	1,2	1,7
Rouge	660	1,5	2,4
Orange	602–620	2,1	2,2
Jaune, Vert	560–595	1,7	2,8
Blanc, Bleu, Violet	-	3	4
Ultraviolet	370	4,2	4,8

LED vs Incandescent

• Les LED délivrent >3× les lumens/watt des lampes incandescentes.
• Durée de vie plus longue (100 000 h vs 1 000 h).
• Commutation rapide permet transmission données optique.
• Sortie monochromatique peut être mélangée en LED blanches via phosphore ou combinaisons RVB.

Comparaison efficacité et durée de vie

Type lampe	Lumen/Watt	Vie (h)	Notes
LED blanche	35	100 000	Coûteuse
LED blanche, future	100	100 000	Objectif R&D
Incandescente	12	1 000	Peu coûteuse
Halogène	15–17	2 000	Lumière haute qualité
Fluocompacte	50–100	10 000	Coût-efficace
Sodium basse pression	70–200	20 000	Extérieur
Vapeur mercure	13–48	18 000	Extérieur

Diodes laser

Une diode laser s'appuie sur la technologie LED en incorporant une cavité optique, produisant une lumière cohérente, monochromatique. La lumière laser reste hautement focalisée sur de longues distances car tous les photons émis partagent la même fréquence et phase.

Les diodes laser sont utilisées dans :

• Arpentage et télémétrie (faisceau droit, non diffusant).
• Stockage optique (CD/DVD/Blu-ray).
• Communication fibre optique.

Modes de fonctionnement :

• Onde continue : requiert circuit régulation courant dans fenêtre étroite.
• Pulsé : courtes rafales haute puissance, souvent pour dispositifs haute puissance.

Photodiodes

Les photodiodes sont optimisées pour générer un courant en réponse à la lumière incidente. Le silicium est le matériau le plus courant, bien que germanium et GaAs soient aussi utilisés. Une couche P peu profonde permet à la plupart des photons d'atteindre la région d'appauvrissement où paires électron-trou sont créées.

Modes de fonctionnement clés :

• Mode photovoltaïque (PV) : faible sortie, faible bruit sous 100 kHz.
• Mode photocourant (PC) : polarisation inverse ou nulle ; courant linéairement proportionnel à intensité lumineuse, idéal applications haute vitesse.

Photodiodes PIN

Avec une couche intrinsèque entre régions P et N, les diodes PIN réduisent la capacitance, augmentent la vitesse (jusqu'à dizaines de GHz), et agrandissent le volume photosensible.

Photodiodes à avalanche (APD)

Les APD appliquent haute polarisation inverse (10–2 000 V) pour amplifier le photocourant par ionisation par impact. Elles offrent haut gain mais aussi plus de bruit et coût, les rendant adaptées aux applications de niche haute vitesse, basse lumière comme comptage photon unique.

Cellules solaires

Les cellules solaires convertissent la lumière solaire en puissance électrique, opérant en mode photovoltaïque. Elles existent sous plusieurs formes, chacune avec compromis efficacité, coût, application.

Cellules silicium monocristallin

Fabriquées en tirant un lingot monocristal depuis silicium fondu, puis tranchant en wafers. La couche de diffusion N-type est formée sur la surface du wafer, et une surface avant texturée piège la lumière. Les designs contact arrière (ex: SunPower 21,5 %) augmentent surface active et efficacité.

Cellules silicium multicristallin

Silicium fondu coulé en bloc, solidifiant en plusieurs gros cristaux. Les joints de grain réduisent l'efficacité, mais revêtements antireflet atténuent les pertes. Conviennent pour la plupart installations terrestres.

Cellules triple-couche (multi-jonction)

Couches empilées ou monolithiques avec gaps de bande accordés UV (GaInP, 1,8 eV), proche-IR (GaAs, 1,4 eV), et loin-IR (Ge, 0,7 eV) absorbent la lumière séquentiellement. L'adaptation de courant produit tensions sommant ~2,7 V. Cellules spatiales commerciales atteignent 32 % efficacité ; versions terrestres visent 40,7 % avec concentrateurs.

Exemple procédé : CVD métal-organique dépose couches GaInP, GaAs, Ge sur substrat Ge, chacune absorbant sa gamme spectrale désignée.

Alternatives couches minces

• Silicium amorphe : ~13 % efficacité max, 5–7 % après vieillissement, meilleur en basse lumière, utilisé calculatrices.
• Tellurure cadmium (CdTe) : ~16 % efficacité, substrats faible coût (verre ou métal).
• Séléniure cuivre indium gallium (CIGS) : ~18 % efficacité, fabrication rouleau-à-rouleau polymère flexible.
• Cellules polymères organiques : ~4,5 % efficacité, stade recherche.

Résumé performances

Type cellule	Eff. max	Eff. pratique	Notes
Silicium monocristal (commercial)	24 %	14–17 %	$5–$10/W crête
Silicium monocristal (spatial)	25 %	—	Coût élevé
Triple-jonction (spatial)	32 %	—	Préféré spatial
Triple-jonction (terrestre)	—	40,7 %	Base concentrateur
CdTe (polycristal)	16 %	—	Verre ou métal
CIGS (polycristal)	18 %	10 %	Polymère flexible
Si amorphe	13 %	5–7 %	Dégrade au soleil

Points clés

• Les diodes Schottky excellent en commutation haute fréquence, basse puissance.
• Les diodes tunnel fournissent résistance négative ultra-rapide pour oscillateurs micro-ondes.
• LED et diodes laser offrent lumière efficace, contrôlable pour éclairage et communication.
• Photodiodes, surtout types PIN et APD, permettent détection lumière sensible dans liaisons optiques.
• Technologies cellules solaires couvrent monocristallin, multicristallin, multi-jonction, couches minces, chacune équilibrant efficacité, coût, niche application.

Lectures complémentaires

• Projet conception : Système télégraphe Feuille travail
• Feuille travail : Optoélectronique
• Feuille travail : Sources électricité
• Feuille travail : Diodes spéciales